鋁板自沖鉚接接頭性能影響因素與失效模式研究

王鵬 夏廣明 張義和 張林陽(yáng) 莊華曄

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司材料與輕量化研究院，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

在全球節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)下，車(chē)身輕量化進(jìn)程不斷深入，鋁鎂合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用比例不斷提高。以往汽車(chē)鋼制覆蓋件的連接方式選擇電阻點(diǎn)焊或者激光焊接，切換至鋁合金覆蓋件方案后，由于鋁合金材料焊接熱輸入量大、焊接變形嚴(yán)重、薄板易焊穿的缺點(diǎn)，無(wú)法采用一般的點(diǎn)焊或激光焊接技術(shù)進(jìn)行連接。因此，一般采用機(jī)械連接代替焊接，而自沖鉚接則是在鋁覆蓋件制造過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)之一。

為了克服點(diǎn)焊在輕型材料連接上的困難，自沖鉚接為汽車(chē)輕型材料的連接開(kāi)辟了新途徑。自沖鉚接工藝工序簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)沖、鉚一次完成，連接過(guò)程不破壞板材鍍層，且連接強(qiáng)度高，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)連接件自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，相關(guān)理論工藝研究也比較廣泛[1-4]。

為了支撐自沖鉚接技術(shù)在鋁覆蓋件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中更好地應(yīng)用，在保證連接接頭質(zhì)量的同時(shí)，掌握各工藝參數(shù)對(duì)自沖鉚接接頭性能的影響規(guī)律和自沖鉚接接頭的失效形式規(guī)律，對(duì)于獲得最優(yōu)的自沖鉚接接頭性能，同時(shí)更好地預(yù)測(cè)整車(chē)碰撞CAE分析中接頭的失效模式都是十分必要的。

因此，本研究以鋁合金板材6A16和6451為研究對(duì)象，圍繞自沖鉚接接頭的鉚接質(zhì)量、鉚接性能和失效模式，結(jié)合鉚接方向、鉚釘長(zhǎng)度、鉚釘直徑、下板厚度、烘烤硬化等多個(gè)影響因素與最典型的拉剪工況，開(kāi)展影響規(guī)律的研究。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

a.剖面質(zhì)量觀(guān)察采用OLYMPUS SZX12低倍顯微鏡；

b.靜態(tài)拉伸試驗(yàn)采用CMT5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)基材選用鋁板6A16-T4P（1.2 mm），用于模擬覆蓋件內(nèi)板用材，選用鋁板6451-T4P（1.2 mm、1.7 mm、2.5 mm），用于模擬覆蓋件不同厚度的加強(qiáng)板用材，2種鋁板的材料基礎(chǔ)拉伸性能如表1所示。

表1 鋁板材料基礎(chǔ)拉伸性能

本設(shè)計(jì)的連接試件為搭接試件，用于模擬連接點(diǎn)最典型的剪切工況，試件形狀尺寸如圖1所示，用于靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 搭接試件形狀和尺寸

全面考慮板材厚度、鉚接順序、鉚釘長(zhǎng)度、鉚釘直徑和烘烤硬化影響因素，開(kāi)展正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，形成9個(gè)試驗(yàn)組合，詳如表2所示，試驗(yàn)組1、3、5用于對(duì)比下板厚度的影響，試驗(yàn)組3和7用于對(duì)比鉚接順序的影響，試驗(yàn)組1和2用于對(duì)比鉚釘直徑的影響，試驗(yàn)組6、7、8用于對(duì)比鉚釘長(zhǎng)度的影響，試驗(yàn)組3、4用于對(duì)比烘烤硬化的影響，烘烤硬化即指鋁覆蓋件經(jīng)過(guò)電泳涂裝后鋁板材料屈服強(qiáng)度會(huì)大幅上升的情況，模擬烘烤硬化的試驗(yàn)參數(shù)為185℃+20 min。

表2 正交試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)方法

剖面質(zhì)量觀(guān)察試驗(yàn)，將鉚接試驗(yàn)件沿子午面剖開(kāi)，對(duì)其進(jìn)行顯微觀(guān)察與特征量觀(guān)察，特征量主要為鎖切量和剩余底厚。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)拉伸速率采用1 mm/min。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 剖面觀(guān)察結(jié)果

指定試驗(yàn)組的剖面觀(guān)察照片如圖2所示，并對(duì)鎖切量和剩余底厚進(jìn)行測(cè)量、標(biāo)注與匯總，如表3所示。由于試驗(yàn)組3和4采用相同的鉚接條件，故剖面結(jié)果完全一致，因此圖2中試驗(yàn)組3、4的剖面為同一照片。

圖2 各試驗(yàn)組剖面觀(guān)察照片

3.1.2 靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各試驗(yàn)組的搭接試件進(jìn)行靜態(tài)拉伸，并獲取鉚點(diǎn)失效時(shí)的最大載荷，結(jié)果如表3所示。

表3 靜態(tài)拉伸最大載荷

3.2 鎖切量的影響

結(jié)合鉚點(diǎn)剖面觀(guān)察，引入2個(gè)評(píng)價(jià)剖面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，即鎖切量和剩余底厚。

a.鎖切量。鉚釘壓入底層板后，鉚釘尖端與鉚釘切入底層板的切入點(diǎn)之間的最小水平距離稱(chēng)為鎖切量。一般要求鋁板自沖鉚接的鎖切量應(yīng)大于0.4 mm。鎖切量代表自沖鉚接接頭的自鎖程度，鎖切量越大代表釘腿切入更深，自鎖程度更高，鉚接強(qiáng)度也相應(yīng)提高。

b.剩余底厚。鉚釘壓入底層板后，底層板未被穿透部分最薄處的板厚。一般要求剩余底厚大于0.15 mm。剩余底厚是鉚接接頭強(qiáng)度和密封效果的評(píng)價(jià)參數(shù)，如果數(shù)值過(guò)小說(shuō)明下層板強(qiáng)度不足，可能出現(xiàn)裂紋，使得密封性變差，導(dǎo)致接頭更易受到空氣、水以及其它化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，并最終導(dǎo)致接頭失效。

結(jié)合以上2個(gè)評(píng)價(jià)要素，僅試驗(yàn)組2鉚釘直徑為3.3 mm，所以鎖切量較小，其余最優(yōu)鉚接工藝下獲得的各試驗(yàn)組鉚接接頭均滿(mǎn)足剖面質(zhì)量要求。

將各試驗(yàn)組剖面測(cè)量得到的鎖切量與接頭拉剪試驗(yàn)的最大載荷進(jìn)行關(guān)系比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鎖切量與失效載荷關(guān)系比對(duì)

通過(guò)圖3比對(duì)分析可以看出，鉚接接頭鎖切量與剪切強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本相同，一定程度上證明鎖切量與剪切強(qiáng)度之間的正相關(guān)性，這說(shuō)明鎖切量的大小直接影響了鉚接接頭的力學(xué)性能，因此采用鎖切量來(lái)評(píng)價(jià)鉚接接頭的鉚接質(zhì)量是十分必要的，同時(shí)也為本文后續(xù)解釋其他因素對(duì)失效載荷的影響分析時(shí)提供了基礎(chǔ)論據(jù)。

3.3 下板厚度的影響

提取試驗(yàn)組1、3、5拉剪工況下的載荷-位移曲線(xiàn)用于對(duì)比分析固定上板厚度時(shí)，不同的下板厚度對(duì)鉚接接頭的影響，如圖4所示。

圖4 相關(guān)試驗(yàn)組載荷-位移

由圖4可以看出，當(dāng)上板厚度固定為1.2 mm時(shí)，當(dāng)下板厚度由1.2 mm增加至1.7 mm，鉚接點(diǎn)的失效載荷明顯上升，但當(dāng)下板厚度繼續(xù)增加至2.5 mm時(shí)，失效載荷或略微下降，這種現(xiàn)象與鎖切量的大小有直接關(guān)系。下板厚度為1.7 mm的試件，相比1.2 mm的試件，由于下板較厚，釘腿可切入空間更大，鎖切量增大，自鎖程度增大，因此失效載荷相應(yīng)提高。但在鉚釘長(zhǎng)度同為5.5 mm的情況，下板厚度由1.7 mm增加至2.5 mm時(shí)，通過(guò)剖面圖2和表3可以看出，鎖切量并沒(méi)有增加，反而減少，相應(yīng)的失效載荷也略微下降。這說(shuō)明，相同上板厚度和鉚釘長(zhǎng)度時(shí)，下板的厚度并不是厚度越厚，失效載荷越大，要重點(diǎn)關(guān)注鎖切量的大小，找到合適的下板厚度。

3.4 鉚接方向的影響

提取試驗(yàn)組3和7拉剪工況下的載荷-位移曲線(xiàn)用于對(duì)比分析不同的鉚接方向?qū)︺T接接頭的影響，如圖5所示，其中試驗(yàn)組3的鉚接方向是自1.2 mm上板向1.7 mm下板鉚接，試驗(yàn)組7的鉚接方向是自1.7 mm上板向1.2 mm下板鉚接。

圖5 相關(guān)試驗(yàn)組載荷-位移曲線(xiàn)

由圖5可以看出，對(duì)于相同的兩組鋁板，當(dāng)選擇較薄的1.2 mm鋁板作為上板，自沖鉚釘穿透上板，繼而向下鉚入較厚的1.7 mm鋁板時(shí)（以上簡(jiǎn)稱(chēng)薄鉚厚），其失效載荷明顯大于1.7 mm上板向1.2 mm下板進(jìn)行鉚接的“厚鉚薄”組合。通過(guò)剖面圖2和表3可以看出，“薄鉚厚”的鎖切量大于“厚鉚薄”，這主要是由于“薄鉚厚”組合更厚的下板，為自沖鉚釘張開(kāi)后的鎖入提供了更大的空間。因此，對(duì)于厚度不同的2種鋁板，建議鉚接方向由薄板向厚板鉚接。實(shí)際生產(chǎn)中，鋁覆蓋件的自沖鉚接方向即從較薄的內(nèi)板向較厚的加強(qiáng)板鉚接，表面上是為了保持美觀(guān)，將突出的釘腿隱蔽在覆蓋件的腔體中，更主要的就是因?yàn)椤氨°T厚”的鉚接方向能夠讓鉚接點(diǎn)獲得更大的失效載荷。

3.5 鉚釘直徑的影響

提取試驗(yàn)組1和2拉剪工況下的載荷-位移曲線(xiàn)用于對(duì)比分析不同的鉚接直徑對(duì)鉚接接頭的影響，如圖6所示。

圖6 相關(guān)試驗(yàn)組載荷-位移

由圖6可以看出，對(duì)于相同厚度的鋁板組合，采用相同的鉚釘長(zhǎng)度和鉚接方向時(shí)，采用5.3 mm直徑鉚釘?shù)你T點(diǎn)的失效載荷明顯大于3.3 mm直徑的，這也是由于5.3mm直徑鉚釘在鉚入后的鎖切量較3.3 mm直徑的要大很多。因此，在保證鉚點(diǎn)剖面質(zhì)量的前提下，鉚釘選型時(shí)應(yīng)盡量選擇更大直徑的鉚釘，以獲得更大的失效載荷。

3.6 鉚釘長(zhǎng)度的影響

提取試驗(yàn)組6、7和8拉剪工況下的載荷-位移曲線(xiàn)用于對(duì)比分析不同的鉚接長(zhǎng)度對(duì)鉚接接頭的影響，如圖7所示。

由圖7可以看出，鉚釘長(zhǎng)度與鉚接強(qiáng)度并不呈線(xiàn)性關(guān)系，其中5.5 mm長(zhǎng)的鉚釘鉚接強(qiáng)度最高，本質(zhì)上仍是由于其鎖切量更大，因而失效載荷對(duì)應(yīng)更大。5 mm的鉚釘刺入過(guò)短，鎖緊程度不夠，6 mm鉚釘刺入過(guò)深，底部厚度不夠，同時(shí)限制了其向左右進(jìn)一步的鎖入，失效載荷同樣不足。因此，鉚釘長(zhǎng)度需要通過(guò)鎖切量進(jìn)行合理選擇，而不是一味地選擇最長(zhǎng)的鉚釘。

圖7 相關(guān)試驗(yàn)組載荷-位移曲線(xiàn)

3.7 烘烤硬化的影響

6XXX系鋁板具有烘烤硬化的特性，在電泳涂裝時(shí)，經(jīng)過(guò)一定溫度和時(shí)間的烘烤，鋁板的屈服強(qiáng)度會(huì)大幅提升。為明確烘烤前后，隨著鋁板性能的變化，是否對(duì)鉚點(diǎn)性能有影響，故提取試驗(yàn)組3和4拉剪工況下的載荷-位移曲線(xiàn)用于對(duì)比分析烘烤硬化對(duì)鉚接接頭的影響，如圖8所示，可以看出，對(duì)于同樣的鉚接組合，經(jīng)過(guò)烘烤和未經(jīng)過(guò)烘烤的失效載荷相當(dāng)，這說(shuō)明，實(shí)際涂裝時(shí)的烘烤不會(huì)對(duì)鉚接的連接性能產(chǎn)生較大影響。

圖8 相關(guān)試驗(yàn)組載荷-位移

3.8 失效模式分析

在本研究采用的拉剪工況下，各試驗(yàn)組的自沖鉚接頭實(shí)際出現(xiàn)有3種失效模式。

a.失效模式1。鉚釘腿拉出，即鉚釘腿與下板分離并撕裂下板與鉚釘腿相接觸的材料，致使鉚釘與下板之間的機(jī)械內(nèi)鎖被破壞，導(dǎo)致失效，如圖9a所示。

b.失效模式2。鉚釘腿拉出+上板撕裂，即在出現(xiàn)失效形式1的同時(shí)，鉚釘頭部雖未與上板脫離，但造成了上板一定程度的撕裂，如圖9b所示。

c.失效模式3。釘頭拉出，即釘頭部與上板分離并撕裂上板與鉚釘頭部接觸的材料，致使鉚釘頭部從上板脫出，而機(jī)械內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，如圖9c所示。

圖9 三種失效形式照片

對(duì)本研究各試驗(yàn)組拉剪試驗(yàn)后的失效模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 各試驗(yàn)組失效模式統(tǒng)計(jì)

通常文獻(xiàn)中常見(jiàn)的失效模式均為失效模式1，而失效模式2和3幾乎沒(méi)有。但通過(guò)實(shí)際的失效模式統(tǒng)計(jì)可以看出，失效模式1、2和3均有出現(xiàn)，且多次重復(fù)。

將失效模式與試驗(yàn)組上/下板厚度結(jié)合分析，可以得出如下結(jié)論。

a.上板為薄板，下板為厚板時(shí)，失效模式均為釘頭拉出；

b.當(dāng)上板和下板等厚時(shí)，失效模式為釘腿拉出+上板撕裂；

c.當(dāng)上板為厚板，下板為薄板時(shí)，失效模式均為釘腿拉出。

關(guān)于失效原因的分析，首先，失效均發(fā)生于鉚接圓孔處是因?yàn)樵撎帒?yīng)力集中效應(yīng)最為明顯。其次，上、下板厚度不相同時(shí)，失效均發(fā)生于厚度較薄的鋁板與鉚接圓孔連接處，失效前甚至?xí)霈F(xiàn)薄板撕裂的情況，這是由于薄板為1.2 mm 板，其剛度和強(qiáng)度略弱于1.7 mm、2.5 mm 的厚板，從而薄板與鉚釘接觸部位成為了薄弱環(huán)節(jié)，造成鉚接接頭在拉剪過(guò)程中失效。這說(shuō)明，不同于同種材料的鉚接，對(duì)于本文中2 種存在強(qiáng)度差別或明顯厚度差別的異種鋁合金板材鉚接形式，薄板與厚板間的強(qiáng)度和厚度的差異對(duì)失效形式起了決定性作用，而鉚接接頭內(nèi)部的自鎖結(jié)構(gòu)對(duì)失效形式的影響相對(duì)較弱，其僅對(duì)失效時(shí)的最大失效載荷有影響。

而當(dāng)上、下板厚度相同時(shí)，失效均發(fā)生于下板與鉚接圓孔連接處，在釘腿拉出的同時(shí)，也伴隨著上板撕裂，這種失效模式介于釘頭拉出和釘腿拉出之間。這說(shuō)明相同板厚時(shí)，由于剛度和強(qiáng)度相當(dāng)，既有可能是釘頭拉出，也有可能是釘腿拉出，此時(shí)鎖切量對(duì)失效模式的影響相對(duì)提升，所以按照常見(jiàn)失效模式，表現(xiàn)出釘腿與下板分離的失效模式。

4 結(jié)論

以基材為6A16 和6451 鋁板的自沖鉚接接頭為研究對(duì)象，全面考慮板材厚度、鉚接順序、鉚釘長(zhǎng)度、鉚釘直徑和烘烤硬化等影響因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，并獲得拉剪工況下的失效載荷和失效模式。經(jīng)分析得出以下結(jié)論。

a.對(duì)于鉚接接頭失效載荷，鎖切量的大小起到?jīng)Q定性作用，鎖切量越大，失效載荷越大，鎖切量一定時(shí)，失效載荷并不會(huì)隨著下板厚度增加或鉚釘長(zhǎng)度的增加而變大；薄板向厚板鉚接可以獲得更大的失效載荷；在保證鉚點(diǎn)剖面質(zhì)量的前提下，可選擇較大直徑的鉚釘，以獲得更大的失效載荷；烘烤硬化對(duì)鉚點(diǎn)的失效載荷無(wú)影響；

b.對(duì)于鉚接接頭失效模式，2 種存在明顯厚度差別的異種鋁板鉚接，失效均發(fā)生于薄板一側(cè)，自鎖結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較弱，薄板與厚板間的強(qiáng)度和厚度差異對(duì)失效形式起了決定性作用。