結構膠對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：在金屬間加入結構膠是提高異質材料自沖鉚接接頭質量的有效方法。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象，研究了不同粘度結構膠對接頭中膠層分布、接頭幾何特征量以及準靜態力學性能的影響規律。研究表明，因為鉚接過程中膠層、板材以及鉚釘的復雜作用，膠層在接頭中呈非連續分布。膠鉚復合有利于結構膠發揮抗剪強度高的優勢，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，然而粘度較大的結構膠因為流動性差，在接頭中殘留量更大，導致接頭中底切量下降，從而使接頭正拉強度小幅降低。

關鍵詞：汽車輕量化；自沖鉚接；結構膠；異種材料連接

中圖分類號：TG938文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.01

隨著汽車總量不斷增加，石油資源迅速枯竭和空氣污染不斷加重，汽車節能減排性能正在逐漸成為汽車制造商保持競爭力的重要指標。研究表明，車身輕量化對降低汽車油耗、減少尾氣排放有顯著作用，是近年來汽車制造技術發展的主要趨勢之一[1]。

作為一種低密度、高比強度的輕金屬材料，鋁合金已在車身上廣泛使用[2-4]。然而由于相對較高的材料成本，迄今只有少數豪華車型采用了全鋁車身?？紤]全鋼車身的輕量化發展空間已經十分有限，因此在全鋼車身中加入鋁合金，充分發揮鋁和鋼各自的優勢，在實現輕量化的同時保證汽車的安全性，已成為當今汽車輕量化的發展趨勢。然而，鋁鋼材料的混合應用對車身連接技術提出了巨大挑戰[1]。由于鋁和鋼的熔點、電導率及熱導率等熱物理屬性存在巨大差異，熔焊時極易形成不穩定且硬而脆的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC），使傳統電阻點焊工藝難以實現鋁鋼的可靠焊接，工業界急需一種可靠的異質金屬連接技術[5-7]。SPR是一種由沖頭將半空心鉚釘快速壓入板材，鉚釘腿部撐開與下層板之間形成自鎖的冷成形工藝，已經成為異種材料連接的主要技術[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，由于鋁鋼之間電位差較大，必然存在電化學腐蝕[12]，嚴重影響接頭可靠性。在異質材料之間加入結構膠，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]發現將膠層引入鉚接工藝能減少應力集中和裂紋尖端的應力強度，從而起到阻止裂紋出現，降低裂紋延伸率的作用。Sun Xin等人[14]為了對比SPR與膠鉚復合工藝接頭疲勞強度，制作了膠鉚和SPR的單搭試樣和十字搭接試樣，通過試驗發現膠鉚接頭的疲勞強度優于SPR接頭。Moroni F.等人[15]對半空心SPR、無鉚釘SPR、膠接、半空心SPR -膠復合連接、無鉚釘SPR -膠復合連接這幾種工藝進行了試驗對比和仿真，結果表明半空心SPR -膠復合連接接頭吸收能量值最大。

國內學者近年來針對膠鉚復合工藝也展開了研究。2012年，邢保英[16]以SPR和SPR -粘復合接頭為對象，對比不同材料組合及連接方式，分析粘接劑對SPR接頭強度的影響。試驗表明異種材料SPR -粘接復合技術，當膠層厚度為0.1 mm時，可獲得有效的連接結構且具有良好的承載能力。

然而，結構膠引入對SPR接頭成形過程的影響還未見相關研究，膠層的分布規律及其對鉚接成形質量和接頭性能的影響機理還不清楚。因此，本文擬以鋁合金AA6061-T6和深沖用冷軋鋼板BUSD為對象，研究不同粘度的結構膠對鋁鋼SPR接頭形成的影響規律，分析結構膠對接頭拉剪強度和十字拉伸性能的影響機制，為鋁鋼膠鉚復合連接工藝的開發和應用提供指導。

1 試驗設備、材料和方法

1.1 SPR設備

本研究采用英國Henrob公司的電動伺服鉚接設備，其基本配置包括C型框架、電動伺服執行機構（鉚槍、沖頭等）、凹模和控制系統，如圖1（a）所示。該設備通過調整鉚接速度實現對鉚接力的控制，最大鉚接力可達6 500 kg。

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

1.2 試驗用膠和被焊板材

試驗中，上層板為2 mm的AA6061-T6鋁合金，下層板為1.6 mm的BUSD鋼板。板材的力學性能見表1。

為了研究不同結構膠對接頭的影響，對兩種不同類型的商業結構膠，即膠A和膠B進行了對比，其參數見表2。試驗中使用玻璃珠將膠層厚度控制在0.25 mm。采用Binder FP-53烘箱對接頭進行固化，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，但根據實際生產時烤漆工藝的要求，采用相同的固化工藝，即180 ℃下保溫30 min，對兩種膠進行固化。

1.3 拉剪與十字拉伸測試

本文中的拉剪與十字拉伸測試在SUNS UTM5000電子萬能試驗機上進行，設備最大拉力50 kN，拉剪試驗拉伸速度為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。根據設備、夾具的實際情況，拉剪試樣的涂膠寬度為30 mm，圖中紅色陰影區域為涂膠區域，粉色區域為鉚釘。

1.4 接頭制作流程

為了保證接頭的一致性和可比性，每個接頭的制作都嚴格按照板材清洗、涂膠、鉚接、接頭固化四步順序進行，整個過程如下。

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

（2）涂膠：將結構膠均勻涂抹在下層板的涂膠區，然后把直徑0.25 mm的玻璃珠均勻灑在膠層上。

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

（4）固化：將鉚接好的試樣放入保溫箱，在180 ℃高溫下固化30 min。

為了對比SPR、純膠接和膠鉚復合接頭的性能以及膠層類型對接頭的影響，本文對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）五種接頭進行對比研究。

2 結果分析與討論

2.1 結構膠在接頭中的分布規律

為了分析接頭中結構膠的分布規律，本文以鉚釘中心為零點，沿徑向每隔0.25 mm按法線方向測量膠層厚度（圖中藍色虛線所示），得到膠層厚度分布曲線，如圖4（c）所示。在膠層存在的①、③、⑤區，膠B厚度均高于膠A，這是因為壓邊圈的下壓力使結構膠向⑥區流動，膠A流動性好，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，由于更多膠A被擠到⑥區，所以①～⑤區膠A的厚度明顯低于膠B。

在隨后的鉚接過程中，凹模、板材以及鉚釘共同作用，被截留的膠層繼續流動并沿接合面重新分布。由于鉚釘腿部外側與壓邊圈之間的區域沒有直接受力，截留膠層更容易向此區域流動，使接頭中⑤區的厚度最大。在隨后的鉚入過程中②～④區受到鉚釘腿和鋁板的強烈擠壓，膠層幾乎全部被擠壓到①區和⑤區，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，最終形成了圖4（c）所示的膠層分布規律。 顯然，⑤區和⑥區形成的膠層能夠有效阻礙水分進入接頭，從而提高接頭的可靠性。

2.2 結構膠對鉚接過程力-位移變化曲線的影響

結構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，因而會對鉚接過程中的力-位移曲線產生影響，并最終影響接頭成形質量。使用Henrob電動伺服鉚接設備制作接頭的過程中，通過力和位移傳感器記錄工藝中鉚接力和位移參數，得到膠鉚復合接頭和純SPR接頭形成過程的力-位移變化曲線（圖5），可以看出鉚接過程中鉚接力隨鉚釘行程的變化呈現如下特征：

（1）與傳統的SPR工藝一樣，引入膠層后，接頭形成過程中力-位移曲線仍然由三個階段組成，即刺穿階段、擴張階段和墩實階段。

（2）在刺穿階段，鉚釘向下擠壓但未完全穿透上層板，此時膠鉚的鉚接力明顯低于SPR，因為鉚釘向下擠壓，結構膠受壓沿徑向向外圍流動，緩沖了兩板間的壓力；同時結構膠起潤滑作用，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入擴張階段，鉚釘腿沿著凹模凸面快速擴張，下層板被擠入凹模，自鎖結構逐漸形成，此時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，因此載荷增速突然升高。然后在模具和沖頭的共同作用下，載荷快速持續上升，鉚釘和板材逐步填滿模腔直至形成機械互鎖，完成擴張部分。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，這是因為膠B在接頭中量多，潤滑作用最明顯。以上現象說明結構膠能有效降低鉚接力，且粘度越高效果越明顯。

（4）在墩實階段，由于鉚釘已經完全鉚入，板材之間或板材與膠層之間接觸非常緊密，沒有結構膠發揮緩沖或潤滑作用的空間，接頭中各部分之間被進一步壓實，所以此階段三種接頭的鉚接力急劇增加，并沒有明顯的差異。

2.3 結構膠對自沖鉚接接頭成形質量的影響

剩余厚度和底切量是衡量自沖鉚接接頭質量的兩個主要幾何參數[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，鉚接接頭的強度就越高。剩余厚度為鉚釘腿部內側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），測量了接頭的底切量和剩余厚度并對比，如圖7所示，發現膠鉚接頭底切量、剩余厚度明顯低于SPR接頭，且結構膠粘度越高對應的接頭底切量越低。

結合圖5中膠鉚、SPR鉚接力的變化趨勢，總結出結構膠對接頭成形的影響規律：結構膠在接頭成形過程中起緩沖和潤滑作用，有效降低鉚接力，使鉚釘腿部擴張程度低于純SPR鉚釘，接頭底切量也低于純SPR接頭，結構膠粘度越高緩沖和潤滑作用越明顯，導致高粘度結構膠對應的接頭底切量更低；鉚釘腿部擴張程度降低導致鉚釘孔內的板材（圖4（c）中②區）受壓向內收縮，使該處的下層板厚度進一步降低，這正是膠鉚接頭剩余厚度低于SPR接頭的原因。

2.4 結構膠對接頭拉剪強度的影響

拉剪強度是接頭最重要的準靜態力學指標之一，能夠反映接頭抗拉剪力性能，是接頭質量的重要參考。拉剪載荷-位移曲線和強度分別如圖8和圖9所示，結果顯示膠鉚接頭拉剪強度明顯高于其它兩種工藝，且每種接頭失效有以下特征：

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

（2）針對純膠接接頭AB-A、AB-B，載荷在較短位移內快速上升，但拉剪過程中黏結區域由于載荷的偏心而具有扭曲變形的趨勢，扭曲使接頭端部受到劈裂應力[17]，導致黏結強度大幅度降低，所以純膠接接頭的失效位移、失效強度都比較低。其中膠B的抗拉剪性能強于膠A，導致AB-B拉剪強度稍高于AB-A。

（3）膠鉚復合接頭的拉剪載荷-位移曲線分為膠接失效和鉚接失效兩段，膠接失效段由結構膠承受載荷，由于膠B拉伸剪切強度高于膠A，所以RB-B的拉剪強度（15.937 kN）高于RB-A（14.476 kN）。同時，RB-A、RB-B拉剪強度較AB-A、AB-B分別高出44.4%和38.1%，是因為鉚釘將兩板之間剝離的趨勢最小化[18]，降低膠層受到的劈裂應力，使結構膠得以充分發揮抗剪切強度高的優勢。膠接完全失效后發生載荷重分布，曲線進入鉚接失效階段，由于首段膠層承受載荷時鉚接得到穩固，圖4（c）中①、③、⑤區的結構膠也有助于保持自鎖結構，所以第二階段初鉚釘與板材形成的自鎖結構依然完整，強度和純SPR拉剪強度相當，獨立承受一定載荷后發生自鎖失效。

2.5 結構膠對十字拉伸強度的影響

十字拉伸強度是另一個接頭準靜態力學性能指標，主要反映接頭在垂直于板材方向的抗正拉性能。為了對比SPR、純膠接和膠鉚復合接頭的抗正拉性能，使用三種工藝制作五種接頭并進行試驗，得到圖10和圖11所示的正拉載荷-位移曲線和強度，發現三種接頭失效過程中的以下特征：

（1）試驗中，SPR接頭承受載荷持續上升，當自鎖結構開始破壞時正拉載荷增長率突然升高，直到自鎖完全失效，上下層板脫離。

（2）在十字拉伸試驗中，載荷方向與膠在板件上的覆蓋面垂直，而結構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域，正拉過程中各個區域獨自在較大的覆蓋面上承受載荷，強度極限小，所以兩個膠接接頭很快失效，其中膠A抗正拉性能略優于膠B，RB-A接頭的正拉強度高于RB-B.

（3）膠鉚接頭載荷-位移曲線同樣分為膠接和鉚接失效兩段，第一段膠和鉚釘共同承擔載荷，載荷急劇上升后下降，在較小位移處結構膠達到強度極限，結構膠失效。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。因為自沖鉚接接頭正拉強度與底切量相關，底切量高抗正拉強度就高[4]。由2.2節可知，加入結構膠使底切量降低，且粘度越高底切量降低越多，底切量大小關系為SPR>RB-A>RB-B，所以正拉時RB-B強度最低并率先失效，隨即RB-A、SPR失效。

3 結論

本文研究了膠鉚復合接頭中結構膠的分布規律，研究了引入結構膠對鉚接力、接頭幾何成形，以及接頭準靜態力學性能的影響規律，得到以下結論：

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

（2）結構膠在接頭成形過程中發揮緩沖和潤滑作用，使刺穿階段和擴張階段的鉚接力發生明顯的下降，然而由于外緣膠層的阻隔，高粘度膠粘劑會明顯降低鉚釘的變形程度，從而導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致其正拉強度小幅降低，且結構膠粘度越高正拉強度降低幅度越大。因為鉚釘能將膠層受到的剝離應力最小化，膠層又能穩固鉚釘連接，所以兩者復合作用使接頭拉剪強度升高到純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。

參考文獻（References）：

李永兵，李亞庭，樓銘，等. 轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰 [J].機械工程學報，2012，48（18）：44-54.

Li Yongbing，Li Yating，Lou Ming，et al. Lightweighting of Car Body and Its Challenges to Joining Technologies [J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48（18）：44-54. （in Chinese）

黃志超，劉曉坤，占金青. 鋁合金板料擺碾鉚接與直壓鉚接比較分析 [J]. 中國機械工程，2013，24（9）： 1233-1239.

Huang Zhichao，Liu Xiaokun，Zhan Jinqing. Com-parative Study on Rolling Riveting and Pressing Riveting [J]. China Mechanical Engineering，2013，24 （9）： 1233-1239. （in Chinese）

黃志超，程雯玉，占金青，等. 基于目標驅動優化技術的自沖鉚接機C型框架結構優化 [J]. 鍛壓技術， 2013，38（5）：104-109.

Huang Zhichao，Cheng Wenyu，Zhan Jinqing，et al. Structure Optimization of C-Frame Selp-Piercing Riveting Machine Using Goal Driven Optimization [J]. Forging & Stamping Technology，2013，38（5）：104-109. （in Chinese）

黃志超，劉曉坤，夏令君，等. 自沖鉚接、無鉚釘鉚接與電阻點焊強度對比試驗研究 [J]. 中國機械工程， 2012，23（20）：2487-2491.

Huang Zhichao，Liu Xiaokun，Xia Lingjun，et al. Joining Strength Comparison Among Self-Piercing Riveting，Clinching and Resistance Spot Welding [J]. China Mechanical Engineering，2012，23（20）：2487-2491. （in Chinese）

Lou Ming，Li Yongbing，Chen Guanlong. Influence of Resistance Heating on Self-Piercing Riveted Dissimilar Joints of AA6061-T6 and Galvanized DP590 [J]. Journal of Materials Processing Technology，2014，214（10）： 2119-2126.

Li Yongbing，Wei Zeyu，Wang Zhaozhao，et al. Friction Self-Piercing Riveting （F-SPR） of Aluminum Alloy AA6061-T6 to Magnesium Alloy AZ31B [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2013，135（6）：1247-1254.

Lou Ming，Li Yongbing，Li Yating，et al. Behavior and Quality Evaluation of Electroplastic Self-Piercing Riveting of Aluminum Alloy and Advanced High Strength Steel [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2013，135（1）：228-229.

金鑫，李永兵，樓銘，等.基于正交試驗的鋁合金-高強鋼異種金屬自沖鉚接工藝優化[J].汽車工程學報，2011，1（3） ：185-191.

Jin Xin，Li Yongbing，Lou Ming，et al. Process Op-timization of Self-Piercing Riveting Aluminum to High Strength Steel Using DOE Method [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2011，1（3）：185-191. （in Chinese）

王 遠，李永兵，金 鑫，等. 鋁代鋼對三層板接頭力學性能影響規律研究[J]. 汽車工程學報，2013，3（5）： 324-331.

Wang Yuan，Li Yongbing，Jin Xin，et al. Study on Influence of Replacing Steel with Aluminum on Mechanical Performance of Joints of Three Stack-up Sheets [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2013， 3 （5）： 324-331.（in Chinese）

黃舒彥，李永兵，來新民，等. 基于力與位移信號的自沖鉚接質量在線監測 [J]. 機械設計與研究，2011， 27（3）：86-90.

Huang Shuyan，Li Yongbing，Lai Xinmin，et al.Online Monitoring the Self-Pierce Riveting Joint Quality by Force and Displacement Signals [J].Machine Design and Research，2011，27（3）：86-90.（in Chinese）

樓銘，李永兵，黃舒彥，等. 模釘體積比對異種金屬自沖鉚接接頭形成性能影響分析 [J]. 中國機械工程，2009，20（15）：1873-1876.

Lou Ming，Li Yongbing，Huang Shuyan，et al. Influence of Die-rivet Volume Ratio on Forming Performance of Self-Piercing Riveting Joints of Dissimilar Materials [J]. China Mechanical Engineering，2009，20（15）：1873-1876.（in Chinese）

Derushie C，Lo J，Essadigi E.Corrosion Protection of Joining Areas in Magnesium Die Cast and Sheet Products[C]// Progress in Light Metals，Aerospace Materials and Superconductors （Part 1：Magnesium）， 2006：523-526.

MANN J Y，PELL RA，JONES R，et al. Reducing the

Effects of Rivet Holes on Fatigue Life by Adhesive Bon-ding [J]. Theoretical & Applied Fracture Mechanics，1985，3（2）：113–124.

Sun X，STEPHENS E V，KHALEEL M A. Fatigue Behaviors of Self-Piercing Rivets Joining Similar and Dissimilar Sheet Metals [J]. International Journal of Fatigue，2007，29（2）：370-386.

MORONI F，PIRONDI A，KLEINER F.Experimental Analysis and Comparison of the Strength of Simple and Hybrid Structural Joints [J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2010，30（5）：367-379.

邢保英，何曉聰，嚴柯科. 粘接劑對自沖鉚-粘接復合接頭強度的影響及數理統計分析[ J]. 材料導報B：研究篇，2012，26（8）：117-120，128.

Xing Baoying，He Xiaocong，Yan Keke. Influence of Adhesive on Strength of SPR-adhesive Bonded Joints and Its Mathematical Statistics Analysis [J]. Materials Review，2012，26（8）：117-120，128.（in Chinese）

MERRIAM J C. Adhesive Bonding [J]. Mater. Des. Eng.，1959，50（3）：113-128.

KOEHN G W. Design Manual on Adhesives [J]. Machine Design，1954.