開孔與結(jié)構(gòu)膠對熱熔自攻絲接頭連接質(zhì)量的影響

林巨廣, 胡陳林, 徐群龍

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

隨著汽車行業(yè)對節(jié)能減排要求的提高,車身輕量化設(shè)計逐漸成為汽車行業(yè)未來重要的發(fā)展方向和趨勢。實驗表明,汽車整備質(zhì)量每減少100 kg,百公里油耗可降低0.3～0.6 L[1]。鋁合金材料由于密度低、力學(xué)性能佳、加工性能好等特點,成為目前白車身最常用的材料之一,傳統(tǒng)鋼制車身正逐漸被鋼鋁混合車身、全鋁車身以及其他復(fù)合材料車身所取代。

目前白車身常用的連接工藝有鋁點焊、熱熔自攻絲(flow drill screwdriving,FDS)、自沖鉚接等,通常一條白車身焊裝線會使用多種連接工藝。某鋼鋁混合車身上所使用的連接工藝如圖1所示[2]。FDS工藝作為輕量化車身的主要連接技術(shù)之一,具有可單側(cè)連接、可實現(xiàn)異種板材連接、接頭可拆卸修復(fù)、抗剪切剝離性能好等優(yōu)點,因此被奧迪、特斯拉、蔚來等國內(nèi)外主機廠應(yīng)用于旗下各類車型的車身制造[3]。

圖1 鋼鋁混合車身使用的連接工藝

近10年來,國內(nèi)外學(xué)者對于FDS工藝進行了一系列研究。文獻[4]對近30年來主機廠所使用的白車身連接工藝進行了概述;文獻[5]詳細(xì)介紹了FDS工藝的原理以及部分工藝參數(shù)對接頭成型質(zhì)量的影響;文獻[6]研究了不同腐蝕條件對鋼鋁混合搭接FDS接頭機械性能的影響;文獻[7]開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對異種材料FDS接頭的載荷-位移曲線進行預(yù)測;文獻[8]研究了FDS工藝過程中不同階段工藝參數(shù)對接頭成型質(zhì)量的影響;文獻[9]對FDS工藝相關(guān)信息進行了詳細(xì)地研究說明;文獻[10]研究了不同工藝參數(shù)設(shè)置下對鋼鋁連接鉚點質(zhì)量的影響;文獻[11]介紹了FDS工藝在主機廠的應(yīng)用現(xiàn)狀、常見缺陷以及故障排查方案。

在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中由于板厚影響,部分板件會進行預(yù)開孔處理,結(jié)構(gòu)膠也因為一系列優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于車身連接。因此,研究分析預(yù)開孔和結(jié)構(gòu)膠對FDS接頭連接質(zhì)量的影響,對指導(dǎo)FDS工藝實際應(yīng)用、提高接頭連接質(zhì)量、保證工序設(shè)計合理性具有重要意義。

1 FDS工藝簡介

1.1 FDS工藝系統(tǒng)及緊固螺釘介紹

試驗使用WEBER公司出品的WEBER RSF系統(tǒng),如圖2a所示,系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速11 000 r/min,最大軸向下壓力3 000 N,最大擰緊扭矩20 N·m。配套螺釘采用Arnold公司出品的M5×22 mm外梅花型緊固螺釘,如圖2b所示。螺釘由6個部分組成,其中螺尖以及流鉆區(qū)域經(jīng)過特殊處理,具有高硬度和高耐熱性,以保證在工藝過程中螺釘自身不會發(fā)生變形。攻絲區(qū)域螺紋由淺到深,逐漸過渡到擰緊區(qū)域,以保證整個螺紋成型以及擰緊過程的平順,減少缺陷螺紋發(fā)生概率。

圖2 WEBER RSF系統(tǒng)以及緊固螺釘

1.2 FDS工藝過程介紹

FDS工藝過程如圖3所示。螺釘在擰緊軸作用下高速旋轉(zhuǎn)并與板件表面發(fā)生摩擦,板件受熱軟化后發(fā)生塑性變形;在軸向下壓力作用下,螺尖刺入并擠壓板件鉆孔成型;流鉆區(qū)域與開孔接觸,圓柱形通道成型;攻絲區(qū)域進行螺紋攻絲;攻絲完成后進行螺紋旋入操作;擰緊螺紋至設(shè)定扭矩值,完成FDS連接。

圖3 FDS工藝過程

2 FDS試驗

2.1 試驗原料與設(shè)備

試驗原料:6K21(2.5 mm)、6082-T6(3.0 mm)鋁合金板件,Arnold M5×22 mm緊固螺釘,漢高1840C汽車結(jié)構(gòu)膠。

試驗設(shè)備:WEBER RSF系統(tǒng),DGH-9030A烘箱,中路昌WDW-50M拉伸試驗機,光學(xué)顯微鏡,金相切割機。

2.2 試驗設(shè)計

試驗安排見表1所列。分別以a、b、c、d代表不涂膠不開孔、不涂膠開孔、涂膠不開孔、涂膠開孔4種接頭,并將試樣進行搭接，如圖4所示。需要預(yù)開孔的搭接組合,在上板件FDS連接點處進行開孔,孔直徑取7.5 mm。需要涂膠的搭接組合,在上板件距連接點10 mm處涂一圈寬度約為5 mm的結(jié)構(gòu)膠,重疊區(qū)域四角各涂一點,以保證經(jīng)過FDS連接后膠層能覆蓋板件重疊區(qū)域(除連接點區(qū)域以外),同時連接點區(qū)域無結(jié)構(gòu)膠混入。

表1 試驗安排

圖4 板件搭接示意圖

試樣準(zhǔn)備完成后,按工藝試驗確定的最佳工藝參數(shù)進行連接;涂膠試樣連接完成后使用烘箱180 ℃烘烤30 min,待結(jié)構(gòu)膠固化后方可進行后續(xù)試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 金相結(jié)果分析

使用切割機沿螺釘子午線垂直向下將試樣剖開,使用光學(xué)顯微鏡記錄落位間隙、板間間隙以及螺牙深度,測量特征尺寸及結(jié)果如圖5所示。

圖5 剖面測量示意圖

落位間隙與螺牙深度金相測量結(jié)果見表2所列。

從表2可以看出,所有試驗組合落位間隙均為0 mm,螺牙深度變化不大。查閱相關(guān)文獻可知,落位間隙受最終擰緊扭矩影響較大,而螺牙深度與工藝參數(shù)沒有明顯相關(guān)性,只與螺釘型號以及板件性質(zhì)相關(guān)[12]。因為各試驗最終擰緊扭矩按最佳工藝參數(shù)設(shè)置,所采用的螺釘以及板材均為同一批次產(chǎn)品,所以得到的落位間隙相同,螺牙深度值也基本一致。

表2 落位間隙與螺牙深度金相測量結(jié)果

板間間隙金相測量結(jié)果見表3所列。

表3 板間間隙金相測量結(jié)果

分別對比表3中a組與b組以及c組與d組板間間隙值可知,無論是否涂膠,開孔后板間間隙均小于不開孔板間間隙。分析FDS成型過程可知,不開孔時,螺釘刺入并刺穿上下板件,熔融狀態(tài)的鋁液向四周流動,分別于上、下板件表面形成環(huán)頸和襯套,部分鋁液填充至上下板之間,凝固后在螺桿表面形成包覆層,使受熱軟化的板件發(fā)生擠壓變形,從而產(chǎn)生板間間隙。開孔后螺釘只需刺穿下板件,產(chǎn)生鋁液量更少,同時開孔處與螺桿之間的縫隙可容納部分鋁液,板件變形程度減少,故填充造成的板間間隙也更小。因此，無論是否涂膠,開孔后板間間隙均會減小。

分別對比表3中a組與c組以及b組與d組板間間隙值可知,無論是否開孔,涂膠后板間間隙均大于不涂膠板間間隙。

由剖面圖可知,上下板間涂抹的結(jié)構(gòu)膠經(jīng)過FDS設(shè)備擠壓、烘箱固化成型后形成了一層穩(wěn)固膠層,而膠層的存在則導(dǎo)致了涂膠后試樣板間間隙增大。

3.2 接頭剪切強度分析

使用拉伸試驗機對連接完成的試樣進行拉伸測試,拉伸速度為5 mm/min,試驗結(jié)果見表4所列。

表4 剪切力學(xué)試驗結(jié)果

分別對比表4中a組與b組以及c組與d組剪切力值可知,無論是否涂膠,開孔后剪切力均得到提升。其中：不涂膠條件下,開孔后剪切力學(xué)強度提高0.08倍;涂膠條件下,開孔后剪切力學(xué)強度提高0.98倍。

查閱相關(guān)文獻可知,FDS接頭剪切力學(xué)強度受板間間隙影響較大,兩者之間呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性[12]。板間間隙越大,說明板件變形程度越大,接頭實際法向壓力值變小,螺釘頭與上板件、上下板之間摩擦力減小,最終導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降。膠接接頭剪切力學(xué)強度受膠層厚度影響較大,一定范圍內(nèi)兩者之間呈顯著負(fù)相關(guān)性[13],隨著膠層厚度增加,膠層內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化,接頭剪切力學(xué)強度下降。由金相測量結(jié)果可知,不涂膠條件下,開孔后板間間隙由0.78 mm減小為0 mm,而涂膠條件下,開孔后板間間隙由0.92 mm減小為0.16 mm,膠層厚度由0.26 mm減小為0.15 mm。各組搭接開孔后板間間隙均減小,因此連接性能相較于開孔前均有提升,其中涂膠搭接膠層厚度也同時發(fā)生了變化,更薄的膠層厚度使得連接性能得到更大提升。

分別對比表4中a組與c組以及b組與d組剪切力值可知,無論是否開孔,涂膠后剪切力均得到提升。其中:不開孔條件下,涂膠后膠層厚度為0.26 mm,剪切力學(xué)強度提高0.46倍;開孔條件下,涂膠后膠層厚度為0.15 mm,剪切力學(xué)強度提高1.67倍。結(jié)構(gòu)膠形成穩(wěn)固膠層后附著在上下板之間,改變了上下板間摩擦系數(shù),使得接頭呈現(xiàn)出高抗剪特性,因此剪切力得到較大提升,且提升程度與膠層厚度為反比關(guān)系。

3.3 接頭失效模式分析

從拉伸試驗機讀取各接頭拉伸過程剪切力-位移曲線,經(jīng)處理后如圖6所示。

接頭最終失效形式如圖7所示,對4種接頭失效過程進行對比分析。

由圖6、圖7a可知：接頭a力-位移曲線前部分上升較快,此時處于彈性變形階段,板件以及FDS連接部分發(fā)生彈性變形;隨后曲線斜率減小,發(fā)生塑性變形,到達最大剪切力時FDS連接部分發(fā)生破壞;最后螺釘開始承受載荷,此時接頭a中螺釘與上下板依然存在螺紋連接,且連接強度高于螺釘自身強度,因此螺釘在剪切力作用下發(fā)生斷裂,如力-位移曲線中近似直線部分所示,接頭完全失效。接頭a最終失效形式為螺釘斷裂失效。

圖6 拉伸過程力-位移曲線

圖7 不同條件接頭最終失效形式

由圖6、圖7b可知:接頭b力-位移曲線與接頭a曲線走勢大致相同,但因為接頭b開孔后板間間隙減小,接頭與上板、上下板之間的摩擦力增加,所以接頭b相比接頭a在塑性變形階段能承受更大的載荷;塑性變形階段結(jié)束后,螺釘開始承受載荷,接頭b由于上板件預(yù)開孔直徑大于螺桿直徑,且不存在螺紋連接,螺桿在剪切力作用下在孔中產(chǎn)生位移并逐漸傾斜,螺釘頭與上板件接觸形式由面接觸變?yōu)辄c接觸,上板件承受壓強更大并產(chǎn)生撕裂,最后螺釘從上板脫離,而不會發(fā)生螺釘斷裂失效,力-位移曲線中也未出現(xiàn)近似直線部分。相較于接頭a,接頭b在開孔后最大剪切力得到提升,最終失效形式由螺釘斷裂失效轉(zhuǎn)變?yōu)樯习迕撀涫А?/p>

由圖6、圖7c可知：接頭c前部分曲線迅速上升,此時處于彈性變形階段,板件、膠層以及FDS連接部分發(fā)生彈性變形;隨后曲線斜率減小,發(fā)生塑性變形直至剪切力達到最大,此時膠層發(fā)生混合失效,FDS連接部分發(fā)生破壞;最后螺釘開始承受載荷,由于和接頭a一樣未進行預(yù)開孔,螺釘同接頭a一樣發(fā)生斷裂失效,如近似直線部分所示。相較于接頭a,接頭c在涂膠后最大剪切力得到較大提升,最終失效形式為膠層混合失效、螺釘斷裂失效。

由圖6、圖7d可知,接頭d力-位移曲線前部分與接頭c大致相同,均為先發(fā)生彈性變形,后發(fā)生塑性變形。由于接頭d孔后板間間隙更小,膠層厚度更薄,接頭d相較于接頭c具有更好的抗剪切性能。與其他接頭不同,由于剪切力學(xué)強度得到大幅增加,接頭d螺釘受載階段被包括在塑性變形階段,且失效形式、原因與接頭b相同。相較于接頭a,接頭d在涂膠開孔后最大剪切力得到大幅度提升,最終失效形式為膠層混合失效、上板脫落失效。

4 結(jié)論

本文以某車身所使用的鋁合金板件搭接為研究對象,通過金相檢測以及剪切力學(xué)試驗研究預(yù)開孔與結(jié)構(gòu)膠對其FDS接頭金相幾何特征、力學(xué)剪切強度以及失效過程的影響,得出以下結(jié)論:

(1) FDS工藝參數(shù)設(shè)置合理的情況下,預(yù)開孔與結(jié)構(gòu)膠對FDS接頭落位間隙以及螺牙深度影響不大,而對板間間隙影響較大。其中,預(yù)開孔對于板間間隙的影響大于結(jié)構(gòu)膠對于板間間隙的影響。

(2) 預(yù)開孔和涂膠均能提高FDS接頭的剪切力學(xué)強度,兩者之間相互作用能不同程度地提高接頭剪切力學(xué)強度。相較于不涂膠不開孔接頭,不涂膠開孔接頭、涂膠不開孔接頭、涂膠開孔接頭的剪切力學(xué)強度分別提高0.08、0.46、1.85倍。

(4) 開孔和涂膠會對接頭失效過程以及最終失效形式產(chǎn)生影響。開孔后曲線近似直線部分消失,不再發(fā)生螺釘斷裂失效,而轉(zhuǎn)變?yōu)樯习迕撀涫?涂膠后曲線前半部分十分陡峭,除FDS連接部分發(fā)生失效以外,膠層也會發(fā)生混合失效。

(5) 試驗結(jié)果表明,4種接頭呈現(xiàn)出不同的性質(zhì),主機廠可以根據(jù)不同的使用場景選取不同的接頭形式,如對抗剪切要求較高區(qū)域使用開孔涂膠接頭,普通區(qū)域選擇不進行處理或單項處理,這樣在滿足連接需求的同時也能最大化節(jié)約成本。