鋼鋁自沖鉚接工藝過程仿真與實驗研究

張永強 ，伊日貴 ，付 參 ，鞠建斌 ，趙 陽 ，梁 端

（1.首鋼技術研究院，北京100043；2.上海信聚信息技術有限公司，上海200127；3.安徽巨一自動化裝備有限公司，安徽合肥230000）

0 前言

汽車輕量化是實現節能減排的重要途徑，是世界汽車技術的發展趨勢[1]。鋁合金零部件的應用將大幅減輕整車質量，全鋁車身能夠使汽車整體質量減少50%。但是，高制造成本和復雜的生產工藝等因素限制了全鋁車身的開發和應用。鋼鋁混合車身是未來汽車發展的主要方向。由于金屬間脆性化合物的生成，傳統電阻點焊無法實現鋼與鋁合金的連接，當前SPR自沖鉚接是鋼板和鋁板連接的主要方式。目前，SPR技術已成為歐美高端車型制造中的關鍵連接技術之一，如福特F150鋼鋁混合車身使用了3 000個自沖鉚釘。

天津大學[2]、昆明理工大學[3]進行了自沖鉚試驗研究；華東交通大學[4]研究了鋁合金自沖鉚接過程數值模擬；上海交通大學[5]采用試驗手段研究了鉚速對鋼鋁自沖鉚接接頭成形性能的影響。本研究主要采用仿真手段研究鋼鋁自沖鉚接工藝過程，并與實驗結果進行對比分析。

1 自沖鉚接過程

自沖鉚接工藝過程如圖1所示。壓邊圈向下壓緊板料；上模向下運動，帶動鉚釘向下刺穿上層板料；在上模和下模的共同作用下，鉚釘腿部逐漸張開，嵌入到下層板中，與下層板形成互鎖結構，形成連接。

圖1 SPR工藝過程示意

2 SPR模擬及結果

本研究主要基于SORPASR2D.joining軟件，對自沖鉚工藝過程進行數值模擬。軟件采用有限元算法用于機械連接過程的模擬仿真，包括前處理、求解器、后處理以及材料數據庫。

2.1 有限元模型

基于SPR工藝過程中鉚釘、上模、下模、壓邊圈的軸對稱結構，為提升計算速度，僅對其一半進行模擬，模型如圖2a所示；后期顯示仿真結果時，以對稱方式自動補齊另一半。自沖鉚工藝為鋼板在上、鋁板在下，上模壓下速度為100 mm/s，鉚釘為C5.3x5.0H4，模具為M260406，上層為0.8mm厚CR 2+Z鋼板，下層為2.0 mm厚6111鋁合金板。為兼顧計算速度和精度，網格單元數為1 037個，如圖2b所示，其中鉚釘腿部、鉚釘下方板材有限元網格劃分較細，其他部位網格劃分較粗。

圖2 SPR仿真模型及網格劃分

2.2 仿真結果與分析

基于仿真結果，自沖鉚接工藝過程如圖3所示。上模以100 mm/s的速度向下移動，鉚釘隨上模下壓，在壓力作用下，上層鋼板和下層鋁板均發生向下的變形，鉚釘腿部刺入上層鋼板（見圖3a）；在仿真工況下，22 ms時鉚釘刺穿上層鋼板（見圖3b）；隨后鉚釘繼續向下刺入下層鋁合金（見圖3c）；隨著鉚釘繼續下移，鉚釘腿部逐漸張開，并嵌入下層鋁板中（見圖3d）；當鉚釘上表面與鋼板上表面平齊時，仿真過程結束（見圖3e）。

圖3 自沖鉚接過程模擬結果

通過仿真得到的SPR接頭斷面形貌如圖4所示，底切量和底部厚度分別為0.91 mm和0.23 mm。

圖4 鋼鋁自沖鉚接仿真結果

自沖鉚接過程的應力、應變云圖如圖5所示。可以看出，鉚釘腿部應力最高，鉚釘腿部附近下層鋁合金板的應變最大。

鉚釘腿（圖4中的A點）在深度方向的位置變化如圖6所示。可以看出，在0～47 ms，鉚釘角在深度方向的位移隨時間基本呈線性變化，其移動速度與上模移動速度相近，約100 mm/s；在自沖鉚接后期（47～52 ms），鉚釘腿在深度方向的移動速度明顯下降。鉚釘腿在徑向的拓張如圖6所示。可以看出，在 0～30ms，鉚釘腿在徑向的拓張很小；在 30～52ms，鉚釘腿在徑向拓張速度急劇增加，與下層板之間形成互鎖結構。

圖5 鋼鋁自沖鉚接應力應變云圖

圖6 鉚釘腿在深度及徑向位移時間曲線

自沖鉚接過程的載荷-時間曲線如圖7所示。可以看出，在鉚釘腿刺入上層鋼板過程中，載荷快速增加至7 kN；隨后在鉚釘腿刺穿上層鋼板、刺入下層鋁板以及鉚釘角擴張初期，載荷緩慢上升；直至47 ms鉚釘腿向深度方向的移動速度急劇下降后，載荷急劇增加，最終達到最大值34.2 kN。

通過上述模擬分析得出結論：鉚釘隨上模一同向下運動，刺入上層鋼板；至22 ms時，鉚釘刺穿上層鋼板；鉚釘刺入下層鋁板，至30 ms鉚釘形狀無明顯變化；隨后鉚釘腿刺入深度增加的同時，開始沿徑向加速擴張；至47 ms時，鉚釘角深度方向的刺入速度明顯放緩，主要以徑向擴張為主，此時載荷急劇增加。

圖7 鋼鋁自沖鉚接載荷-時間變化曲線

3 試驗結果與分析

為驗證仿真結果的準確性，基于Tucker設備，采用與模擬相同的條件進行工藝試驗，即選用C5.3x 5.0H4鉚釘、M260406模具進行0.8 mm CR2+Z鋼板和2.0 mm 6111鋁合金的連接。對SPR自沖鉚接頭進行斷面分析，測量頭部高度、底切量和底部厚度。

試驗結果如表1所示，底切量最小值0.8 mm，最大值0.885 mm，均值0.83 mm；底部厚度最小值0.26mm，最大值0.38mm，均值0.3mm。與仿真結果對比可知：仿真結果與實測數據的均值差異較小，仿真結果位于試驗數據波動范圍內。仿真與試驗結果差異的主要原因為：試驗過程中設定鉚釘頭部高度為0 mm，而鉚釘頭部高度的實測值為-0.19～－0.28 mm，與設定值和仿真條件存在一定差異。

4 結論

（1）采用SORPAS軟件對DX52D+Z鋼板與6111鋁合金自沖鉚接過程進行數值模擬發現，30 ms前鉚釘形狀無顯著變化、主要刺入鋼鋁材料；30～47ms時，向下刺入鋁合金的同時鉚釘腿加速擴張；47 ms后鉚釘腿迅速擴張、載荷急劇增加。

表1 鋼鋁自沖鉚接試驗結果

（2）模擬計算得到了底切量和底部厚度分別為0.91 mm、0.23 mm，與試驗結果 0.83 mm、0.30 mm 接近，驗證了鋼鋁自沖鉚接仿真的有效性。