車身點焊、抽芯鉚接及膠鉚接頭的拉剪強度對比分析

高劍峰，黃忠水，張 浩，胡青平

(北京奔馳汽車有限公司,北京 100176)

0 引言

在以鋼材為主的車身結構中，電阻點焊是最重要的連接技術之一。一個完整的車身結構所包含的焊點數量通?？梢赃_到4 000～6 000個[1]。根據功能及作用大小，車身焊點大致可分為關鍵焊點、普通焊點和工藝焊點：關鍵焊點通常處于主要載荷的傳遞路徑上，是影響車輛性能(如碰撞安全、結構耐久等)的主要因素之一[2-4]，焊點質量不良會引起較高的性能損失風險；普通焊點主要起連接作用，對結構性能的影響較小，承受的載荷也較小，強度余量較高；工藝焊點則主要用于保證制造可行，強度要求較低。

在車型開發前期的樣車試制或小批量生產驗證過程中，焊點漏焊或焊點質量不良是人工操作工位上最常見的問題類型之一。特別是發生在關鍵位置的點焊缺陷，可能對碰撞、耐久性能評價的準確性產生影響，需要盡量按照設計要求進行修復。在焊點修復的方法中，二次點焊是最好的處理方法，修復后的連接區域性能差別很小[5]，但適用場景有限，只能在具有足夠操作空間的情況下進行；當焊點缺陷發現于車身總成甚至成車之后，則可能不再具備點焊操作可行性，只能在以盡量貼近設計狀態和設計要求的原則下，以塞焊、抽芯拉鉚等連接方式作為補償措施。

國內外學者對車身點焊接頭的性能表現進行了許多研究。有通過試驗方法進行對比分析的，例如黃志超等對比了電阻點焊、自沖鉚接與無鉚釘鉚接的強度[6]；王華鋒等研究了膠接接頭、膠焊接頭與點焊接頭的剪切拉伸疲勞行為[7]；宇慧平等對雙相鋼的點焊接頭進行了拉剪試驗，討論了高強鋼點焊接頭的結構特點[8]；高劍峰等對車身焊點及其修復替代接頭的剪切拉伸強度進行了對比分析[9]；也有許多通過有限元仿真方法進行對比分析的，如蔣小晴、高書娜等討論了不同目標工況下點焊接頭建模方式的仿真結果差異[10-11]；陳更等對比研究了膠焊接頭、點焊接頭和膠接接頭在高速、低速碰撞工況下的剛度表現[12]；季鈺榮等在碰撞仿真中添加焊點失效準則，提升了仿真模型的準確度[13]等。此外，隨著結構膠在車身設計中的應用，國內外對結構膠所展開的性能研究也不少，如國外的Silva L.F.M.、Darwish S.M.H., Biswajit Tripathy以及國內的李永兵、周江奇等學者就對結構膠在車身結構強度及疲勞耐久性能方面的作用進行了大量的對比討論[14-19]?？紤]到結構膠在連接強度方面的功能，如果將其與抽芯鉚接組合為膠鉚連接，與現有方式(MIG塞焊或抽芯鉚接)相比可能是車身焊點修復的更好方案。但這方面的對比研究及論述尚未見到。

基于以上論述，本研究以雙相鋼CR440Y780T與低合金高強鋼CR340LA為基材，以實際生產中常用的多鼓型抽芯鉚釘、結構型抽芯鉚釘、環氧樹脂基結構膠Betamate 1630及聚氨酯結構膠Teroson PU6700為變量，通過對比不同試驗組合在剪切拉伸試驗下的表現，為車身焊點的修復方案提供試驗和理論依據。

1 試驗方案與試樣準備

1.1 點焊接頭的受力分析

由于焊點承受拉應力載荷時會引起嚴重的應力集中現象，點焊接頭抗拉能力明顯低于抗剪能力，因此車身設計時通常會盡量利用焊點的抗剪能力來實現載荷傳遞。

拉剪試驗被廣泛應用于接頭機械性能測試，是評價接頭靜態強度的主要方法之一[20-21]，本研究使用拉剪試驗對比不同連接方式的車身接頭的強度表現。在拉剪工況下，點焊接頭主要承受剪切應力，此外還有一部分由于載荷偏心引起的附加拉應力，如圖1所示。

圖1 焊點區域的剪切應力分布

1.2 試驗方案

以某車型在前期樣車試制中曾經發生的焊點漏焊問題為例，漏焊焊點所連接的零件分別為B柱加強板(材料為雙相鋼CR340Y780T，厚度1.6 mm)及安全帶固定支架(材料為低合金高強鋼CR340LA，厚度1.2 mm)。

以上案例中的鋼材同時也廣泛應用在車身的其他關鍵受力結構上，是車身材料中超高強鋼和高強鋼的典型代表，因此本研究以這兩種鋼材的連接作為試驗對比分析的研究對象。再以生產中實際應用的多鼓型抽芯鉚釘、結構型抽芯鉚釘、膠Betamate1630、膠PU6700為變量，設計如下試驗組：

第1組：點焊連接；

第2組：多鼓型抽芯鉚釘連接；

第3組：多鼓型抽芯鉚釘+Betamate 1630連接；

第4組：多鼓型抽芯鉚釘+Teroson PU6700連接；

第5組：結構型抽芯鉚釘連接；

第6組：結構型抽芯鉚釘+Betamate 1630連接；

第7組：結構型抽芯鉚釘+Teroson PU6700連接。

對以上7組樣件進行剪切拉伸試驗準備：

基材選擇，如前所述選擇厚度為1.6 mm的雙相鋼CR440Y780T(屈服強度440 MPa，抗拉強度780 MPa)及1.2 mm的低合金鋼CR340LA(屈服強度340 MPa，抗拉強度410 MPa)為拉伸試樣基材；試樣尺寸，寬度選擇參考焊點設計要求(焊點間隔30 mm)，長度選擇根據試驗機需要，確定單件試樣尺寸為150 mm×30 mm，兩片試樣的搭接長度參考實際車身設計狀態，確定為30 mm，如圖2所示。

圖2 拉剪試驗樣件示意圖

此外，為了保證拉伸試驗過程中焊接/鉚接中心點和力的作用線在同一直線上，需在試樣兩端附上墊片。增加墊片后兩端厚度均為2.8 mm(1.6 mm+1.2 mm)，如圖2所示。

使用萬能試驗機Zwick Roell Z250(見圖3)進行剪切拉伸試驗，拉伸試驗速率：屈服及屈服前0.000 25/s，屈服后0.006 7/s。

圖3 萬能材料試驗機Zwick Roell Z250

1.3 試樣制備

點焊樣件：焊接電流7 700 A，電極壓力3.1 kN，焊接時間380 ms。在圖2中連接點標記處進行焊接，焊核直徑5.4 mm。

抽芯鉚接樣件：多鼓型鉚釘如圖4所示，本體直徑6.5 mm，芯軸直徑4.25 mm，夾緊范圍2.0～4.5 mm；結構型鉚釘如圖5所示，本體直徑6.5 mm，芯軸直徑4 mm，夾緊范圍2.0～5.0 mm。鉚接之前，在圖2中連接點標記處開孔，孔徑為6.7 mm。鉆孔后，第2、5組試樣直接用對應鉚釘連接，第3，4，6，7組試樣用涂膠后的對應鉚釘(涂膠區域如圖6所示)連接。鉚接后，鉚釘頭部帶環氧樹脂基結構膠Betamate 1630的試驗件(即第3組及第6組)還需要在烤箱內以180 ℃烘烤30 min，使膠完全固化。鉚接組試樣的開孔直徑、涂膠區域等各項參數與實車應用時保持一致。

圖4 多鼓型鉚釘(單位:mm)

圖5 結構型鉚釘(單位:mm)

圖6 釘頭涂膠區域

每組試驗各制備3件試樣，如表1所示。

表1 試驗方案

2 試驗結果及對比分析

2.1 電阻點焊樣件的試驗結果與分析

圖7為拉剪試驗的載荷-位移曲線，表2為拉伸試樣的最大拉伸力及破壞形式。如圖表中所示，3個點焊接頭試樣的最大拉力平均值為12.2 kN；破壞形式上，均在熱影響區發生破壞。

圖7 點焊樣件載荷-位移曲線

2.2 鉚接樣件的試驗結果與分析

圖8為鉚接各組試樣的拉伸載荷-位移曲線，表3～表8為鉚接各組試樣的失效載荷與破壞形式。第2組(多鼓型鉚釘)失效載荷平均值為6.8 kN，拉伸破壞時鉚釘本體斷裂，CR340LA基材開孔處可見塑性變形；第3組(多鼓型鉚釘+膠Betamate 1630)失效載荷平均值為7.36 kN，拉伸破壞時鉚釘本體斷裂，基材開孔處只有輕微變形；第4組(多鼓型鉚釘+膠Teroson PU6700)失效載荷平均值為6.8 kN，破壞形式與第1組類似；第5組(結構型鉚釘)失效載荷平均值為7.87kN，拉伸破壞時鉚釘本體斷裂，基材CR340LA開孔處有明顯變形；第6組(結構型鉚釘+膠Betamate 1630)失效載荷平均值為9.91 kN，發生破壞時鉚釘本體斷裂，3根試樣基材的開孔處發生的變形程度不一；第7組(結構型鉚釘+膠Teroson PU6700)失效載荷平均值為7.61 kN，破壞形式與第5組類似。

表2 點焊接頭試樣載荷峰值與破壞形式

圖8 各組鉚接試樣拉伸曲線

對比分析各組試樣的試驗結果，可以得出以下結論：

(1)對比圖8(a)及圖8(d)，結構型鉚釘連接的拉剪強度比多鼓型鉚釘連接提升約15%。原因在于多鼓型鉚釘鉚接后鉚芯斷口在釘帽之下且斷口不平，剪切過程中承載斷面較小；而結構型鉚釘鉚接后鉚釘斷口平整，剪切拉伸過程中能提供更大的承載斷面，如圖9所示。

(2)圖8(a)與圖8(b)、圖8(d)與圖8(e)

表3 失效載荷與破壞形式(第2組)

兩組對比說明，膠Betamate 1630可以有效提升鉚接接頭強度，但提升效果不穩定，受人工涂膠不均勻的影響較大：涂膠量大、鋼板間黏接質量好且黏接面大的試樣，失效載荷較高且變形更均勻,反之則失效載荷較低且鉚接孔附近局部變形明顯。

表4 失效載荷與破壞形式(第3組)

(3)圖8(a)與圖8(c)、圖8(d)與圖8(f)兩組對比說明，膠Teroson PU6700對鉚接接頭強度沒有明顯影響。這一結論同樣體現在接頭失效形式上：無論涂膠,不同涂膠樣件之間的破壞形式基本沒有變化。

表6 失效載荷與破壞形式(第5組)

表7 失效載荷與破壞形式(第6組)

表8 失效載荷與破壞形式(第7組)

圖9 斷面對比

3 結論

本研究以雙相鋼與低合金高強鋼為基材，對比分析了點焊接頭、抽芯鉚接接頭與膠鉚接頭在拉剪工況下的表現，得出了以下結論：

(1)結構型鉚釘強度高于多鼓型鉚釘，但鉚接后鉚釘尾部較長，對空間要求高，在空間允許的情況下應作為應用首選。

(2)各組鉚接接頭試樣中，結構型鉚釘與環氧樹脂結構膠Betamate 1630的組合強度最高，是修復或替代失效焊點的最佳選擇，但只適用于未噴漆之前的車身修復(Betamate 1630需要在180 ℃下烘烤30 min)。

(3)聚氨酯結構膠Teroson PU6700不需要長時間高溫烘烤，可以在室溫下速干，但不能明顯提升鉚接接頭強度，應用中以密封為主要目的。

(4)膠鉚接頭抗剪強度較點焊接頭稍低，且受人工操作波動影響，強度表現也不如點焊接頭穩定，因此在實際應用中，應根據失效焊點的具體受力情況設計焊點替代方案，例如在關鍵位置附近適當增加補充鉚點等。在整車實際工況下，焊點受力會比本研究的試驗工況更復雜，因此以上的試驗結論提供的主要是點焊、抽芯鉚接與膠鉚接頭的定性對比，為實際生產中的問題快速解決提供試驗依據。進一步的研究可考慮建立適合不同工況的點焊與膠鉚接頭有限元模型，通過計算整車典型工況下不同類型接頭局部的結構性能差異，為焊點修復方案的實際應用提供具體量化的參考依據。