【技術(shù)帖】超高強鋼板與鋁合金薄板自沖鉚連接工藝研究

【技術(shù)帖】超高強鋼板與鋁合金薄板自沖鉚連接工藝研究摘要：鋼鋁異種金屬連接技術(shù)是鋼鋁混合車身輕量化開發(fā)難點之一，特別是超高強鋼板與鋁合金薄板自沖鉚連接技術(shù)。通過對接頭剖面底厚量和自鎖量的分析，研究自沖鉚工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響。通過剪切和剝離拉伸實驗研究自沖鉚接頭失效載荷和能量吸收，分析結(jié)構(gòu)失效形式和應(yīng)用條件。實驗研究和生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試，獲得超高強鋼板與鋁合金薄板自沖鉚可靠連接，實現(xiàn)料厚均為1.2mm的BR1500HS與鋁合金薄板自沖鉚技術(shù)首次應(yīng)用于量產(chǎn)車型。關(guān)鍵詞：自沖鉚鋼鋁混合車身底厚量自鎖量1前言車身輕量化是各大汽車生產(chǎn)制造商實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要戰(zhàn)略性措施之一，主要技術(shù)路線包括優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕質(zhì)材料選用以及先進制造技術(shù)應(yīng)用。鋁合金是一種非常優(yōu)秀的輕質(zhì)材料，在輕量化車身開發(fā)中不可或缺，蔚來ES8鋁合金材料應(yīng)用比例高達96.4%，車身質(zhì)量僅335kg。鋼雖然有密度大的缺點，但綜合安全性高，成本低，易維修及環(huán)保等優(yōu)點，先進高強鋼仍然是最適合用在車身上的材料之一。全新一代奧迪A8已經(jīng)摒棄全鋁車身，在影響車身安全的關(guān)鍵零部件采用先進超高強鋼，雖然車身質(zhì)量有所增加，但大幅提高車身性能。綜合性能、成本和輕量化等多方面因素，鋼鋁混合車身成為今后輕量化車身開發(fā)的重要趨勢之一。鋼鋁異種材料的可靠連接是車身開發(fā)中難點之一。鋼和鋁在多個方面差異顯著，常規(guī)車身連接工藝無法獲得可靠的連接強度和疲勞強度。自沖鉚（SPR）是鋼鋁異種材料的理想連接工藝之一。K.Mori實現(xiàn)SPFC980與5052鋁合金的自沖鉚連接。而對于1500MPa級別的熱成形鋼，多采用局部加熱退火處理后自沖鉚連接，或使用實心鉚釘沖穿上、下兩層板材后，利用下模擠壓鋁板發(fā)生塑性變形形成鉚接結(jié)構(gòu)，但因以上2種工藝均處于研究階段，短時間很難實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。本文結(jié)合國內(nèi)某款新能源汽車在車身開發(fā)中遇到的自沖鉚連接問題，通過料片連接實驗及生產(chǎn)車間現(xiàn)場調(diào)試，研究連接工藝參數(shù)對超高強鋼板和鋁合金薄板自沖鉚連接的影響。2實驗材料與方法2.1實驗材料超高強鋼材料牌號是BR1500HS，料片淬火方法：加熱爐中升溫至930℃，保溫5min，從加熱爐中取出后迅速放入料片制備模具，合模冷卻淬火，模具中保壓30s后取出。鋁合金板材牌號是5182-O，原始料片直接取樣，材料厚度規(guī)格分別為1.2mm和1.5mm。材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。表1BR1500HS與5182-O的力學(xué)參數(shù)2.2連接實驗設(shè)備實驗使用自沖鉚連接設(shè)備是AtlasCopco旗下的Henrob品牌設(shè)備，如圖1a所示。拉伸力學(xué)實驗設(shè)備是MTS萬能實驗機，如圖1b所示。圖1連接實驗用設(shè)備和力學(xué)實驗設(shè)備2.3自沖鉚釘和凹模自沖鉚釘采用Atlas提供適用于超高強鋼板型號，剖面如圖2a所示。凹模分為兩種，圖2b為平底凹模，圖2c為帶圓錐凸起的凹模。圖2自沖鉚釘和凹模結(jié)構(gòu)3實驗結(jié)果與討論3.1凹模的選用凹模分為平底和圓錐凸起兩種形式。對上層1.2mmBR1500HS與下層1.5mm5182-O鋁板連接組合進行實驗，在相同鉚接力，不同凹模結(jié)構(gòu)下，兩種連接剖面如圖3所示。平底凹模實驗接頭底厚量約為0.2mm，而圓錐凸起凹模實驗接頭發(fā)生了刺穿現(xiàn)象，雖然前者互鎖量明顯低于后者，但滿足自沖鉚連接最小互鎖量要求。綜合判斷平底結(jié)構(gòu)鉚接質(zhì)量優(yōu)于帶圓錐凸起結(jié)構(gòu)。帶圓錐凸起的凹模在自沖鉚過程中，由于底面凸起結(jié)構(gòu)可以促使釘腿張開，增加自鎖量，但會加大對下層板的擠壓，降低底厚量。因上層超高強鋼板強度太高，鉚接力大，也會造成底厚量降低。為防止底厚量不足或底部刺穿等缺陷，在超高強度鋼板自沖鉚連接時一般選用平底凹模。圖3自沖鉚接頭剖面（1.2mm+1.5mm）3.2沖模力的影響隨著沖模力增加，接頭的底厚量呈下降趨勢，而自鎖量呈上升趨勢，如圖4、圖5所示。隨著沖模力增加，鉚釘下壓量加大，鉚釘對下層鋁板擠壓嚴重，釘腿張開量加大，所以接頭的底厚量降低，互鎖量提升。量產(chǎn)工藝調(diào)試時，在滿足互鎖量要求的前提下，盡可能減小沖模力，可以降低槍身強度要求、作業(yè)震動和噪音，提高設(shè)備使用壽命。圖4沖模力對自沖鉚連接性能的影響（1.2mm+1.2mm）圖5沖模力對接頭底厚量和自鎖量的影響3.3超高強鋼板厚度的影響對料厚均為1.2mm和1.5mm的BR1500HS鋼板與5182鋁合金板材自沖鉚連接實驗，如圖6、圖7所示。通過分析接頭剖面可以得出，隨著上層超高強鋼板厚度的增加，底厚量和自鎖量都明顯下降，如圖8所示。上層超高強鋼板厚度增加會造成以下3個缺點。a.沖穿上層板需要較大的沖模力，造成接頭底厚量變??；b.高強度料豆的彎曲變形困難，釘腿的外張變形量變小，造成接頭自鎖量降低；c.鉚釘鐓粗變形加大。自沖鉚盡可能避免1.5mm厚度以上的BR1500HS鋼板與鋁合金薄板的連接組合。圖6料厚均為1.2mm組合接頭剖面（1.2mm+1.2mm）4自沖鉚接頭力學(xué)性能測試通過反復(fù)實驗，確定料厚均為1.2mm的BR1500HS與5182板材連接工藝參數(shù)，接頭底厚量和自鎖量均符合生產(chǎn)要求。通過拉伸力學(xué)測試接頭不同應(yīng)力狀態(tài)下最大失效載荷和能量吸收等關(guān)鍵性能參數(shù)。主要包括拉伸剪切實驗、拉伸剝離實驗。4.1拉伸剪切實驗拉伸剪切實驗主要研究接頭在剪切力作用下失效模式和能量吸收性能。5182鋁合金強度遠低于超高強鋼板和鉚釘強度，所以拉伸剪切失效模式是鋁板在接頭區(qū)域的撕裂失效，超高強鋼板和鉚釘都沒有發(fā)生破損或明顯變形，如圖9所示。四組試樣的最大加載力和和能量吸收值如表2所示。最大拉伸載荷平均為5.59kN，能量吸收平均為21.5J，能夠滿足車身連接強度要求。圖7料厚均為1.5mm組合接頭剖面（1.5mm+1.5mm）圖8試樣接頭的底厚量和自鎖量分布圖9剪切拉伸實驗照片和拉伸力曲線4.2拉伸剝離實驗拉伸剝離實驗主要研究接頭在板材法向拉力作用下失效模式和能量吸收性能。拉伸試樣結(jié)果和力學(xué)曲線如圖10所示。因為自沖鉚接頭的自鎖量相對較低，在法向拉力作用下容易發(fā)生失效，能量吸收值也較低，最大拉伸載荷平均為1.06KN，能量吸收平均為9.7J，如表3所示。自沖鉚連接承受板材法向拉力載荷能力相對較差，且超過最大載荷后，鋁板在接頭自鎖區(qū)域發(fā)生塑性變形后脫落，載荷迅速下降為零。這要求自沖鉚盡可能避免應(yīng)用在板材法向較大拉力和碰撞時容易發(fā)生剝離變形的區(qū)域。表2剪切實驗最大加載力和能量吸收值圖10剝離拉伸實驗照片和拉伸力曲線表3剝離實驗最大加載力和能量吸收值5生產(chǎn)線現(xiàn)場問題和解決方案在焊裝車間生產(chǎn)調(diào)試階段，料厚均為1.2mmBR1500HS與5182鋁板的連接組合偶發(fā)接頭下層“紐扣”區(qū)域鋁板開裂的缺陷，如圖11a所示，在腐蝕實驗時開裂點白銹嚴重，如圖11b所示，該總成的連接和防腐均失效，這種缺陷不可接受。對零件和自沖鉚工藝的檢測和分析，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾個原因造成了連接開裂.圖11現(xiàn)場連接時一定比例釘子的鋁合金開裂a.生產(chǎn)使用熱成形零件的局部硬度略高于實驗室實驗使用的料片，造成自沖鉚底厚量減小，個別連接點發(fā)生開裂失效；b.下層鋁板因加工硬化造成塑性低于實驗室使用的原始狀態(tài)鋁板，塑性降低也會造成連接開裂的概率增加；c.為增加連接強度，零件連接區(qū)域應(yīng)用車身結(jié)構(gòu)膠，也對連接產(chǎn)生一定的不利影響。綜合以上分析判斷，通過適當(dāng)降低沖模力，調(diào)整凹模形狀，調(diào)整車身結(jié)構(gòu)膠涂布等措施，徹底解決連接點開裂問題，在后序調(diào)試和量產(chǎn)階段再沒發(fā)生過連接點開裂失效。6結(jié)論a.超高強鋼板和鋁合