結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋁鋼異種金屬自沖鉚接工藝影響研究

周江奇++潘海濤++樓銘++楊舟++李永兵

摘 要：在金屬間加入結(jié)構(gòu)膠是提高異質(zhì)材料自沖鉚接接頭質(zhì)量的有效方法。以2 mm AA6061-T6和1.6 mm深沖用冷軋鋼板（BUSD）異種金屬連接為研究對(duì)象，研究了不同粘度結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭中膠層分布、接頭幾何特征量以及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明，因?yàn)殂T接過(guò)程中膠層、板材以及鉚釘?shù)膹?fù)雜作用，膠層在接頭中呈非連續(xù)分布。膠鉚復(fù)合有利于結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮抗剪強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，使接頭抗剪性能提高到純自沖鉚接（self-piercing riveting，SPR）接頭的兩倍以上，然而粘度較大的結(jié)構(gòu)膠因?yàn)榱鲃?dòng)性差，在接頭中殘留量更大，導(dǎo)致接頭中底切量下降，從而使接頭正拉強(qiáng)度小幅降低。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)輕量化；自沖鉚接；結(jié)構(gòu)膠；異種材料連接

中圖分類(lèi)號(hào)：TG938文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.01

隨著汽車(chē)總量不斷增加，石油資源迅速枯竭和空氣污染不斷加重，汽車(chē)節(jié)能減排性能正在逐漸成為汽車(chē)制造商保持競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。研究表明，車(chē)身輕量化對(duì)降低汽車(chē)油耗、減少尾氣排放有顯著作用，是近年來(lái)汽車(chē)制造技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[1]。

作為一種低密度、高比強(qiáng)度的輕金屬材料，鋁合金已在車(chē)身上廣泛使用[2-4]。然而由于相對(duì)較高的材料成本，迄今只有少數(shù)豪華車(chē)型采用了全鋁車(chē)身?？紤]全鋼車(chē)身的輕量化發(fā)展空間已經(jīng)十分有限，因此在全鋼車(chē)身中加入鋁合金，充分發(fā)揮鋁和鋼各自的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)保證汽車(chē)的安全性，已成為當(dāng)今汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，鋁鋼材料的混合應(yīng)用對(duì)車(chē)身連接技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)[1]。由于鋁和鋼的熔點(diǎn)、電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率等熱物理屬性存在巨大差異，熔焊時(shí)極易形成不穩(wěn)定且硬而脆的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC），使傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝難以實(shí)現(xiàn)鋁鋼的可靠焊接，工業(yè)界急需一種可靠的異質(zhì)金屬連接技術(shù)[5-7]。SPR是一種由沖頭將半空心鉚釘快速壓入板材，鉚釘腿部撐開(kāi)與下層板之間形成自鎖的冷成形工藝，已經(jīng)成為異種材料連接的主要技術(shù)[8-11]。然而，鉚接接頭形成后，鋁板與鋼板間處于緊密接觸狀態(tài)，由于鋁鋼之間電位差較大，必然存在電化學(xué)腐蝕[12]，嚴(yán)重影響接頭可靠性。在異質(zhì)材料之間加入結(jié)構(gòu)膠，避免異種材料的直接接觸，能大幅提高接頭可靠性[15]。

Mann J. Y.等人[13]發(fā)現(xiàn)將膠層引入鉚接工藝能減少應(yīng)力集中和裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度，從而起到阻止裂紋出現(xiàn)，降低裂紋延伸率的作用。Sun Xin等人[14]為了對(duì)比SPR與膠鉚復(fù)合工藝接頭疲勞強(qiáng)度，制作了膠鉚和SPR的單搭試樣和十字搭接試樣，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠鉚接頭的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于SPR接頭。Moroni F.等人[15]對(duì)半空心SPR、無(wú)鉚釘SPR、膠接、半空心SPR -膠復(fù)合連接、無(wú)鉚釘SPR -膠復(fù)合連接這幾種工藝進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比和仿真，結(jié)果表明半空心SPR -膠復(fù)合連接接頭吸收能量值最大。

國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)針對(duì)膠鉚復(fù)合工藝也展開(kāi)了研究。2012年，邢保英[16]以SPR和SPR -粘復(fù)合接頭為對(duì)象，對(duì)比不同材料組合及連接方式，分析粘接劑對(duì)SPR接頭強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)表明異種材料SPR -粘接復(fù)合技術(shù)，當(dāng)膠層厚度為0.1 mm時(shí)，可獲得有效的連接結(jié)構(gòu)且具有良好的承載能力。

然而，結(jié)構(gòu)膠引入對(duì)SPR接頭成形過(guò)程的影響還未見(jiàn)相關(guān)研究，膠層的分布規(guī)律及其對(duì)鉚接成形質(zhì)量和接頭性能的影響機(jī)理還不清楚。因此，本文擬以鋁合金AA6061-T6和深沖用冷軋鋼板BUSD為對(duì)象，研究不同粘度的結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋁鋼SPR接頭形成的影響規(guī)律，分析結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度和十字拉伸性能的影響機(jī)制，為鋁鋼膠鉚復(fù)合連接工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 SPR設(shè)備

本研究采用英國(guó)Henrob公司的電動(dòng)伺服鉚接設(shè)備，其基本配置包括C型框架、電動(dòng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)（鉚槍、沖頭等）、凹模和控制系統(tǒng)，如圖1（a）所示。該設(shè)備通過(guò)調(diào)整鉚接速度實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接力的控制，最大鉚接力可達(dá)6 500 kg。

設(shè)備所用的鉚釘和凹模均由Henrob公司提供。如圖1（b）所示，半空心沉頭鉚釘?shù)念^部直徑D1為7.8 mm，腿部直徑D2為5.3 mm，長(zhǎng)度L為6 mm，硬度為600.3 HV。凹模采用具有中部凸起的傳統(tǒng)模具，中部直徑D3和凸臺(tái)高度H是其主要特征尺寸，直徑D3的變化影響型腔的體積，而凸臺(tái)高度H的變化則影響鉚釘腿部的張開(kāi)角度。所用的凹模如圖1（c）所示，其空腔直徑D3為10 mm，凸臺(tái)高度H為0.25 mm。

1.2 試驗(yàn)用膠和被焊板材

試驗(yàn)中，上層板為2 mm的AA6061-T6鋁合金，下層板為1.6 mm的BUSD鋼板。板材的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

為了研究不同結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭的影響，對(duì)兩種不同類(lèi)型的商業(yè)結(jié)構(gòu)膠，即膠A和膠B進(jìn)行了對(duì)比，其參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)中使用玻璃珠將膠層厚度控制在0.25 mm。采用Binder FP-53烘箱對(duì)接頭進(jìn)行固化，該烘箱最高加熱溫度為300 ℃，加熱速度為5 ℃/min。雖然兩種膠的可固化范圍稍有差異，但根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)烤漆工藝的要求，采用相同的固化工藝，即180 ℃下保溫30 min，對(duì)兩種膠進(jìn)行固化。

1.3 拉剪與十字拉伸測(cè)試

本文中的拉剪與十字拉伸測(cè)試在SUNS UTM5000電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備最大拉力50 kN，拉剪試驗(yàn)拉伸速度為3 mm/min，十字拉伸速度為2.5 mm/min，十字拉伸和拉剪試樣分別如圖2和圖3所示。根據(jù)設(shè)備、夾具的實(shí)際情況，拉剪試樣的涂膠寬度為30 mm，圖中紅色陰影區(qū)域?yàn)橥磕z區(qū)域，粉色區(qū)域?yàn)殂T釘。

1.4 接頭制作流程

為了保證接頭的一致性和可比性，每個(gè)接頭的制作都嚴(yán)格按照板材清洗、涂膠、鉚接、接頭固化四步順序進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程如下。

（1）清理：由于母材表面上的油脂和灰塵會(huì)影響結(jié)構(gòu)膠和板材的連接，所以在涂膠前采用肥皂水對(duì)母材表面進(jìn)行清洗，并用紗布擦干。

（2）涂膠：將結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在下層板的涂膠區(qū)，然后把直徑0.25 mm的玻璃珠均勻?yàn)⒃谀z層上。

（3）鉚接：將上層板放在已經(jīng)涂好膠的下層板上，覆蓋時(shí)注意與涂膠區(qū)位置吻合，然后將涂膠區(qū)中心置于鉚接設(shè)備凹模上方，開(kāi)啟鉚接設(shè)備完成鉚接工藝。

（4）固化：將鉚接好的試樣放入保溫箱，在180 ℃高溫下固化30 min。

為了對(duì)比SPR、純膠接和膠鉚復(fù)合接頭的性能以及膠層類(lèi)型對(duì)接頭的影響，本文對(duì)SPR（純鉚接）、AB-A（A型膠Adhesive Bonding接頭）、AB-B（B

型膠Adhesive Bonding接頭）、RB-A（A型膠Riveting Bonding接頭）、RB-B（B型膠Riveting Bonding接頭）五種接頭進(jìn)行對(duì)比研究。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)構(gòu)膠在接頭中的分布規(guī)律

為了分析接頭中結(jié)構(gòu)膠的分布規(guī)律，本文以鉚釘中心為零點(diǎn)，沿徑向每隔0.25 mm按法線(xiàn)方向測(cè)量膠層厚度（圖中藍(lán)色虛線(xiàn)所示），得到膠層厚度分布曲線(xiàn)，如圖4（c）所示。在膠層存在的①、③、⑤區(qū)，膠B厚度均高于膠A，這是因?yàn)閴哼吶Φ南聣毫κ菇Y(jié)構(gòu)膠向⑥區(qū)流動(dòng)，膠A流動(dòng)性好，被擠出量多于膠B。壓邊圈完全壓緊后，未被擠壓出的膠被截留在壓邊圈范圍內(nèi)，由于更多膠A被擠到⑥區(qū)，所以①～⑤區(qū)膠A的厚度明顯低于膠B。

在隨后的鉚接過(guò)程中，凹模、板材以及鉚釘共同作用，被截留的膠層繼續(xù)流動(dòng)并沿接合面重新分布。由于鉚釘腿部外側(cè)與壓邊圈之間的區(qū)域沒(méi)有直接受力，截留膠層更容易向此區(qū)域流動(dòng)，使接頭中⑤區(qū)的厚度最大。在隨后的鉚入過(guò)程中②～④區(qū)受到鉚釘腿和鋁板的強(qiáng)烈擠壓，膠層幾乎全部被擠壓到①區(qū)和⑤區(qū)，然而在鋁板被刺穿后，被鉚釘剪斷的鋁板與鉚釘、鋼板之間形成間隙，使少量膠層殘留在③區(qū)，最終形成了圖4（c）所示的膠層分布規(guī)律。 顯然，⑤區(qū)和⑥區(qū)形成的膠層能夠有效阻礙水分進(jìn)入接頭，從而提高接頭的可靠性。

2.2 結(jié)構(gòu)膠對(duì)鉚接過(guò)程力-位移變化曲線(xiàn)的影響

結(jié)構(gòu)膠的引入改變了板材之間的接觸剛度，降低了鋁板、鋼板以及鉚釘之間的摩擦因數(shù)，因而會(huì)對(duì)鉚接過(guò)程中的力-位移曲線(xiàn)產(chǎn)生影響，并最終影響接頭成形質(zhì)量。使用Henrob電動(dòng)伺服鉚接設(shè)備制作接頭的過(guò)程中，通過(guò)力和位移傳感器記錄工藝中鉚接力和位移參數(shù)，得到膠鉚復(fù)合接頭和純SPR接頭形成過(guò)程的力-位移變化曲線(xiàn)（圖5），可以看出鉚接過(guò)程中鉚接力隨鉚釘行程的變化呈現(xiàn)如下特征：

（1）與傳統(tǒng)的SPR工藝一樣，引入膠層后，接頭形成過(guò)程中力-位移曲線(xiàn)仍然由三個(gè)階段組成，即刺穿階段、擴(kuò)張階段和墩實(shí)階段。

（2）在刺穿階段，鉚釘向下擠壓但未完全穿透上層板，此時(shí)膠鉚的鉚接力明顯低于SPR，因?yàn)殂T釘向下擠壓，結(jié)構(gòu)膠受壓沿徑向向外圍流動(dòng)，緩沖了兩板間的壓力；同時(shí)結(jié)構(gòu)膠起潤(rùn)滑作用，減小兩板間摩擦力，也能降低鉚接力。

（3）鉚釘腿部刺穿上層板后進(jìn)入擴(kuò)張階段，鉚釘腿沿著凹模凸面快速擴(kuò)張，下層板被擠入凹模，自鎖結(jié)構(gòu)逐漸形成，此時(shí)除了板材的塑性變形所需要的力，還需要額外的力使鉚釘腿部張開(kāi)，因此載荷增速突然升高。然后在模具和沖頭的共同作用下，載荷快速持續(xù)上升，鉚釘和板材逐步填滿(mǎn)模腔直至形成機(jī)械互鎖，完成擴(kuò)張部分。此階段膠鉚鉚接力都低于SPR，尤其是膠B接頭的鉚接力最低，這是因?yàn)槟zB在接頭中量多，潤(rùn)滑作用最明顯。以上現(xiàn)象說(shuō)明結(jié)構(gòu)膠能有效降低鉚接力，且粘度越高效果越明顯。

（4）在墩實(shí)階段，由于鉚釘已經(jīng)完全鉚入，板材之間或板材與膠層之間接觸非常緊密，沒(méi)有結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮緩沖或潤(rùn)滑作用的空間，接頭中各部分之間被進(jìn)一步壓實(shí)，所以此階段三種接頭的鉚接力急劇增加，并沒(méi)有明顯的差異。

2.3 結(jié)構(gòu)膠對(duì)自沖鉚接接頭成形質(zhì)量的影響

剩余厚度和底切量是衡量自沖鉚接接頭質(zhì)量的兩個(gè)主要幾何參數(shù)[8]，底切量是接頭中鉚釘腿部外邊緣到被鉚釘剪斷的上層板的下邊緣點(diǎn)的水平距離。底切量越大，意味著鉚釘腿部嵌入下層板越深，鉚釘與下層板所形成的互鎖程度越高，鉚接接頭的強(qiáng)度就越高。剩余厚度為鉚釘腿部?jī)?nèi)側(cè)下層板最薄處的厚度。制作了SPR、RB-A和RB-B接頭截面金相（圖6），測(cè)量了接頭的底切量和剩余厚度并對(duì)比，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)膠鉚接頭底切量、剩余厚度明顯低于SPR接頭，且結(jié)構(gòu)膠粘度越高對(duì)應(yīng)的接頭底切量越低。

結(jié)合圖5中膠鉚、SPR鉚接力的變化趨勢(shì)，總結(jié)出結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭成形的影響規(guī)律：結(jié)構(gòu)膠在接頭成形過(guò)程中起緩沖和潤(rùn)滑作用，有效降低鉚接力，使鉚釘腿部擴(kuò)張程度低于純SPR鉚釘，接頭底切量也低于純SPR接頭，結(jié)構(gòu)膠粘度越高緩沖和潤(rùn)滑作用越明顯，導(dǎo)致高粘度結(jié)構(gòu)膠對(duì)應(yīng)的接頭底切量更低；鉚釘腿部擴(kuò)張程度降低導(dǎo)致鉚釘孔內(nèi)的板材（圖4（c）中②區(qū)）受壓向內(nèi)收縮，使該處的下層板厚度進(jìn)一步降低，這正是膠鉚接頭剩余厚度低于SPR接頭的原因。

2.4 結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度的影響

拉剪強(qiáng)度是接頭最重要的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)之一，能夠反映接頭抗拉剪力性能，是接頭質(zhì)量的重要參考。拉剪載荷-位移曲線(xiàn)和強(qiáng)度分別如圖8和圖9所示，結(jié)果顯示膠鉚接頭拉剪強(qiáng)度明顯高于其它兩種工藝，且每種接頭失效有以下特征：

（1）拉剪試驗(yàn)中，SPR接頭為自鎖失效，即鉚釘腿部與板材形成的自鎖脫開(kāi)，導(dǎo)致上下板分離。

（2）針對(duì)純膠接接頭AB-A、AB-B，載荷在較短位移內(nèi)快速上升，但拉剪過(guò)程中黏結(jié)區(qū)域由于載荷的偏心而具有扭曲變形的趨勢(shì)，扭曲使接頭端部受到劈裂應(yīng)力[17]，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度大幅度降低，所以純膠接接頭的失效位移、失效強(qiáng)度都比較低。其中膠B的抗拉剪性能強(qiáng)于膠A，導(dǎo)致AB-B拉剪強(qiáng)度稍高于AB-A。

（3）膠鉚復(fù)合接頭的拉剪載荷-位移曲線(xiàn)分為膠接失效和鉚接失效兩段，膠接失效段由結(jié)構(gòu)膠承受載荷，由于膠B拉伸剪切強(qiáng)度高于膠A，所以RB-B的拉剪強(qiáng)度（15.937 kN）高于RB-A（14.476 kN）。同時(shí)，RB-A、RB-B拉剪強(qiáng)度較AB-A、AB-B分別高出44.4%和38.1%，是因?yàn)殂T釘將兩板之間剝離的趨勢(shì)最小化[18]，降低膠層受到的劈裂應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)膠得以充分發(fā)揮抗剪切強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。膠接完全失效后發(fā)生載荷重分布，曲線(xiàn)進(jìn)入鉚接失效階段，由于首段膠層承受載荷時(shí)鉚接得到穩(wěn)固，圖4（c）中①、③、⑤區(qū)的結(jié)構(gòu)膠也有助于保持自鎖結(jié)構(gòu)，所以第二階段初鉚釘與板材形成的自鎖結(jié)構(gòu)依然完整，強(qiáng)度和純SPR拉剪強(qiáng)度相當(dāng)，獨(dú)立承受一定載荷后發(fā)生自鎖失效。

2.5 結(jié)構(gòu)膠對(duì)十字拉伸強(qiáng)度的影響

十字拉伸強(qiáng)度是另一個(gè)接頭準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)，主要反映接頭在垂直于板材方向的抗正拉性能。為了對(duì)比SPR、純膠接和膠鉚復(fù)合接頭的抗正拉性能，使用三種工藝制作五種接頭并進(jìn)行試驗(yàn)，得到圖10和圖11所示的正拉載荷-位移曲線(xiàn)和強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)三種接頭失效過(guò)程中的以下特征：

（1）試驗(yàn)中，SPR接頭承受載荷持續(xù)上升，當(dāng)自鎖結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞時(shí)正拉載荷增長(zhǎng)率突然升高，直到自鎖完全失效，上下層板脫離。

（2）在十字拉伸試驗(yàn)中，載荷方向與膠在板件上的覆蓋面垂直，而結(jié)構(gòu)膠在固化后互相粘連部分并非平面，而是若干互相接觸的小區(qū)域，正拉過(guò)程中各個(gè)區(qū)域獨(dú)自在較大的覆蓋面上承受載荷，強(qiáng)度極限小，所以?xún)蓚€(gè)膠接接頭很快失效，其中膠A抗正拉性能略?xún)?yōu)于膠B，RB-A接頭的正拉強(qiáng)度高于RB-B.

（3）膠鉚接頭載荷-位移曲線(xiàn)同樣分為膠接和鉚接失效兩段，第一段膠和鉚釘共同承擔(dān)載荷，載荷急劇上升后下降，在較小位移處結(jié)構(gòu)膠達(dá)到強(qiáng)度極限，結(jié)構(gòu)膠失效。第二段緩慢上升，至鉚釘自鎖失效起始處斜率突然提高，直到自鎖完全失效。因?yàn)樽詻_鉚接接頭正拉強(qiáng)度與底切量相關(guān)，底切量高抗正拉強(qiáng)度就高[4]。由2.2節(jié)可知，加入結(jié)構(gòu)膠使底切量降低，且粘度越高底切量降低越多，底切量大小關(guān)系為SPR>RB-A>RB-B，所以正拉時(shí)RB-B強(qiáng)度最低并率先失效，隨即RB-A、SPR失效。

3 結(jié)論

本文研究了膠鉚復(fù)合接頭中結(jié)構(gòu)膠的分布規(guī)律，研究了引入結(jié)構(gòu)膠對(duì)鉚接力、接頭幾何成形，以及接頭準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）粘性結(jié)構(gòu)膠在鉚接接頭中呈非均勻分布，高粘度結(jié)構(gòu)膠因流動(dòng)性差在接頭中剩余量較多。接頭外部的膠層與接頭內(nèi)被截留的結(jié)構(gòu)膠可對(duì)外部水分形成多重阻隔。

（2）結(jié)構(gòu)膠在接頭成形過(guò)程中發(fā)揮緩沖和潤(rùn)滑作用，使刺穿階段和擴(kuò)張階段的鉚接力發(fā)生明顯的下降，然而由于外緣膠層的阻隔，高粘度膠粘劑會(huì)明顯降低鉚釘?shù)淖冃纬潭?，從而?dǎo)致接頭底切量和剩余厚度隨之減小。

（3）相比SPR接頭，膠鉚接頭底切量降低導(dǎo)致其正拉強(qiáng)度小幅降低，且結(jié)構(gòu)膠粘度越高正拉強(qiáng)度降低幅度越大。因?yàn)殂T釘能將膠層受到的剝離應(yīng)力最小化，膠層又能穩(wěn)固鉚釘連接，所以?xún)烧邚?fù)合作用使接頭拉剪強(qiáng)度升高到純SPR接頭的兩倍以上，且膠層失效后鉚釘連接依然能承受一定載荷。

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