鋼鋁異種材料自沖鉚接模擬及工藝研究

宋慶軍 張林陽 李軍 鄭虹

（中國第一汽車股份有限公司材料與輕量化研究院，長春 130011）

1 前言

輕量化作為汽車行業普遍關注的話題，可有效降低油耗、節約能源、減少尾氣排放，提高駕駛操控性[1]，材料替代可顯著提升汽車輕量化水平，采用高強鋼和鋁合金等材料代替傳統鋼制材料已成為汽車車身用材的主要方向。傳統車身由于多為同種鋼制材料連接，采用點焊及弧焊的方式即可滿足車身各零件的組裝，然而對于目前廣泛研究的鋼鋁混合材料車身，由于鋼、鋁物理性能的差異及鋼鋁焊接易產生脆性金屬間化合物的缺點，傳統點焊及弧焊連接方式已不再適用[2]，新型的機械連接特別是自沖鉚接、無鉚鉚接和熱融自攻絲鉚接等已成為鋼鋁混合車身的主流連接方式，而其中自沖鉚接由于連接強度高、鉚接質量穩定[3]，成為車身重要承力構件連接的首選，但目前自沖鉚接技術面臨的一個缺點是工藝適應性較差，即不同材質、厚度、硬度的接頭組合需要不同的鉚釘和鉚模，因而對于不同材料的自沖鉚接，需進行多輪的鉚接工藝試驗才能優選出最佳的鉚釘鉚模組合，造成其工藝開發成本較高，這在一定程度上阻礙了自沖鉚接技術的應用。

近年來，自沖鉚接工藝仿真技術越來越受到各廠家的青睞，其采用模擬仿真的方式，對某種特定材料分析不同鉚釘鉚模組合對其鉚接質量的影響，從而初步優選出鉚接質量較好的組合，然后再進一步對優選的鉚接組合進行實際工藝分析，最終獲得最佳的鉚接組合。這種工藝仿真與實際工藝分析相結合的方式，可有效減少自沖鉚接工藝開發過程中原材料的消耗、降低開發成本、縮短開發周期，快速并可靠地獲得最佳鉚接組合[4]。

以Simufact 有限元分析軟件為平臺，模擬DP590 高強鋼和6016-T6 鋁合金板材自沖鉚接過程，分析了鉚模深度、鉚釘長度及板材搭接順序對鉚接接頭成形質量和力學性能的影響，并結合實際樣件的自沖鉚接工藝試驗，最終優選出了針對1.8 mm 厚 DP590 高強鋼和 1.2 mm 厚 6016-T6 鋁合金的最佳自沖鉚接組合，為乘用車鋼鋁混合發動機罩自沖鉚接提供理論及試驗支持。

2 鉚接模型建立

乘用車發動機罩內板總成幾何模型如圖1所示，由發動機罩內板、鉸鏈加強板、氣彈簧加強板等部件組成，其中內板為厚度1.2 mm 的6016-T6 鋁合金，鉸鏈加強板和氣彈簧加強板為厚度1.8 mm 的DP590 高強鋼，基于發動機罩內板總成的自沖鉚接連接形式，建立了如圖2 所示的鋼鋁異種材料平板鉚接模型，由上板、下板、鉚釘、沖頭、鉚模和壓邊圈六部分組成，其中上、下板的材料性能參數如表1。

表1 材料性能參數

圖1 發動機罩內板總成幾何模型

圖2 平板鉚接模型

本研究自沖鉚接仿真試驗選用“鋼上鋁下”和“鋼下鋁上”兩種基板疊放順序，鉚釘型號為Henrob_H4 系列，表面覆蓋達克羅涂層，釘腿直徑5.3 mm，鉚釘長度分別選用4.5 mm、5 mm、5.5 mm 和6 mm 四種規格，鉚模選用平底凹模，直徑為9 mm，深度分別選用 1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm 和 2 mm 四種規格，總計8 種不同的鉚接組合方式。結合自沖鉚接的工藝特點，選用二維軸對稱模擬方式，計算速度快且精度高。鉚接模型中，鉚釘和上下板為變形體，鉚模、沖頭和壓邊圈為剛體，其中鉚釘的網格單元尺寸為0.05 mm，上下板的網格單元尺寸為0.1 mm，由于自沖鉚接過程組件變形量較大，模擬過程中應用網格重劃分功能來提高計算精度。模型中各組件的接觸類型為“單元-單元”接觸，摩擦類型為庫倫-剪切摩擦，其中庫倫摩擦系數為0.1，剪切摩擦系數為0.2。鉚接過程中采用機械液壓機作為動力源，沖頭速度為20 mm/s，當鉚釘上表面與上板表面平齊時，鉚接過程結束。

3 鉚接接頭質量評價方法

3.1 接頭表面質量及幾何形狀評價

自沖鉚接完成后通常可通過目視方式觀察鉚接接頭的表面質量，查看接頭是否出現裂紋、穿透、鉚釘斷裂、板件間隙過大及板材彎曲嚴重等鉚接缺陷，即可大致評判出自沖鉚接的連接質量。

鉚接接頭幾何形狀通常包含底切量、底部厚度和釘頭高度3 個評價參數，如圖3。底切量為鉚釘腿部外邊緣到被鉚釘剪斷的上層板下邊緣點的水平距離，底切量越大，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，通常取底切量u≥0.2 mm。底部厚度指鉚釘腿部尖端到下層板底部的軸向厚度，通常取底部厚度t≥0.2 mm，如底部厚度過小則會導致鉚穿現象發生。釘頭高度指鉚釘上表面與上板表面的垂向距離，通常釘頭高度-0.3 mm≤h≤0.3 mm，當釘頭高度過高時，鉚接點外觀質量較差；當釘頭高度過低時，易在釘頭與上表面接觸位置產生應力集中，因此，釘頭高度須控制在合理范圍內。

圖3 鉚接接頭幾何形狀參數

3.2 接頭力學性能評價

力學性能試驗可直觀地評價接頭鉚接質量，通常自沖鉚接接頭的力學性能包括剪切力、正拉力和剝離力3 個評價參數，如圖4 所示，圖中箭頭方向表示評價接頭性能時的施力方向。

圖4 鉚接接頭力學性能試驗

4 鉚接接頭幾何形狀模擬分析

4.1 鉚模深度對接頭幾何形狀的影響

選取鉚釘長度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑 9 mm、DP590 高強鋼為上板、6016-T6 鋁合金為下板，鉚模深度分別設置為1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm和2.0 mm，研究不同鉚模深度對自沖鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖5 所示，可見隨著鉚模深度增加，上下板與鉚釘之間的間隙逐漸增大，而鉚釘變形量逐漸減小。對4 種組合鉚接接頭形狀參數進行測量，結果如表2 所示，隨著鉚模深度增加，底切量和底部厚度呈先增大后減小趨勢，釘頭高度逐漸增大。

表2 鉚模深度對接頭形狀參數的影響

圖5 不同鉚模深度的接頭幾何形狀

綜合分析4 種組合鉚接接頭幾何形狀云圖和形狀參數變化，可以看出鉚模深度為1.5 mm 和1.8 mm 時，接頭截面成形良好，底切量和底部厚度較大，接頭互鎖程度高，截面形狀參數均滿足前述接頭質量評價標準要求；鉚模深度為1.2 mm 時，雖然底切量和底部厚度較大，但鉚釘殘余應力值很大，存在屈服風險，會降低接頭承載能力；鉚模深度為2.0 mm 時，上下板與鉚釘之間的間隙很大，底切量和底部厚度值均較小，接頭承受靜載荷和疲勞載荷的能力很低。

4.2 鉚釘長度對接頭幾何形狀的影響

選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度 1.5 mm、DP590 高強鋼為上板、6016-T6 鋁合金為下板，鉚釘長度分別設置為4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm 和6.0 mm，研究不同鉚釘長度對自沖鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖6 所示，可見隨著鉚釘長度增加，鉚釘腿部張角逐漸增大，鉚釘刺入下層鋁板的深度增大。對4 種組合鉚接接頭形狀參數進行測量，結果如表3 所示，隨著鉚釘長度增加，底切量逐漸增大，底部厚度和釘頭高度逐漸減小。

表3 鉚釘長度對接頭形狀參數的影響

圖6 不同鉚釘長度的接頭幾何形狀

綜合分析4 種組合鉚接接頭幾何形狀云圖和形狀參數變化，可以看出鉚釘長度為5.0 mm 和5.5 mm 時，接頭截面成形良好，上下板與鉚釘之間連接緊密無間隙，底切量較大，接頭互鎖程度高、承載能力強，其中鉚釘長度為5.5 mm 時，接頭底部厚度為0.210 mm，僅略大于接頭質量評價標準規定值0.200 mm，因而下層鋁板存在開裂風險，需后續進行實際樣板的鉚接試驗驗證；鉚釘長度為4.5 mm 時，底切量最小，互鎖程度低，接頭承載能力相對較低；鉚釘長度為6.0 mm 時，底部厚度僅為0.110 mm，遠小于接頭質量評價標準規定值0.200 mm，因而鉚釘極易將下層鋁板刺穿，接頭承載能力很低。

4.3 板材搭接順序對接頭幾何形狀的影響

選擇上述接頭質量較好的鉚接組合，即鉚釘長度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm，同時改變板材的搭接順序，即“鋼上鋁下”和“鋼下鋁上”兩種形式，研究板材搭接順序對自沖鉚接接頭幾何形狀的影響。鉚接模擬完成后的接頭幾何形狀如圖7 所示，接頭形狀參數如表4 所示，當鋼板作為上板時，接頭截面成形良好，板材完全填充鉚模且各部位變形均勻，而鋁板作為上板時，雖然底切量顯著增加，但底部厚度只有0.220 mm，板料未能充分填充鉚模，并且下層鋼板變形很不均勻，在釘腿尖端處下層鋼板產生嚴重扭曲，因而極易產生應力集中和板材開裂，造成接頭使用壽命顯著降低。綜上，DP590 鋼板作為上板、6016-T6 鋁板作為下板時，鉚接質量更佳。

圖7 不同板材搭接順序的接頭幾何形狀

表4 板材搭接順序對接頭形狀參數的影響

綜合上述分析，選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、“鋼上鋁下”搭接形式及如下3 種鉚接組合（組合①：鉚釘長度5 mm、鉚模深度1.5 mm；組合②：鉚釘長度5 mm、鉚模深度1.8 mm；組合③：鉚釘長度5.5 mm、鉚模深度1.5 mm），所得自沖鉚接接頭質量更好，截面形狀參數和成形狀態更佳，以下對這三種組合鉚接接頭進行力學性能模擬分析，進一步優化鉚接參數。

5 鉚接接頭力學性能模擬分析

針對上述3 種鉚接組合，利用Simufact 仿真軟件分別進行剪切力、正拉力和剝離力性能模擬試驗，模擬中以Johnson-Cook 本構模型及斷裂準則預測材料的斷裂失效行為，拉伸速率設置為3 mm/min。利用組合①所得鉚接接頭的力學性能模擬過程如圖8 所示，其余2 種組合的接頭失效形式與其相近，可以看出，剪切性能試驗的接頭失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉性能試驗的接頭失效形式為釘腿從下層鋁板軸向均勻拉脫，剝離性能試驗的接頭失效形式為鉚釘從下層鋁板單側逐漸向另一側拉脫，同時由于鉚釘和上層高強鋼板的強度及剛度遠大于下層鋁板，因而鉚釘和鋼板的變形量很小，主要由下層鋁板的形變引起鉚接接頭的失效。

圖8 鉚接接頭力學性能模擬過程

上述3 種組合鉚接接頭進行剪切、正拉和剝離性能試驗后，所得接頭載荷-位移曲線見圖9，最大承載力見表5。

圖9 3種組合鉚接接頭載荷-位移曲線

表5 3種組合鉚接接頭最大承載力

可以看出3 種組合下鉚接接頭的剪切、正拉和剝離承載能力均為組合③最大，組合①次之，組合②最小，其中利用組合③所得接頭能承受的最大剪切力、最大正拉力和最大剝離力分別達到5.56 kN、2.45 kN 和0.86 kN，而相比之下組合②所得接頭的承載能力遠小于組合①和組合③，這與其截面底切量明顯小于另兩種組合的結果相吻合。

綜合上述分析，采用組合①和組合③所得的鉚接接頭質量更好，承載能力更高，以下利用這兩種組合進行實際樣板的自沖鉚接試驗，進而優選出針對1.8 mm 厚DP590 高強鋼和1.2 mm 厚6016-T6 鋁合金的最佳鉚接組合。

6 鋼鋁自沖鉚接工藝分析

選取釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、“鋼上鋁下”搭接形式及如下兩種鉚接組合，即組合①鉚釘長度5 mm、鉚模深度1.5 mm；組合③鉚釘長度5.5 mm、鉚模深度1.5 mm，利用Henrob 自沖鉚接試驗機進行DP590 高強鋼和6016-T6 鋁合金自沖鉚接試驗，利用體視顯微鏡對所得鉚接接頭的截面形貌進行觀察，結果如圖10。可以看出，采用組合①所得鉚接接頭的截面成形良好，上下板與鉚釘之間連接緊密無間隙，板材變形均勻，底切量和底部厚度分別達到0.48 mm 和0.27 mm，與前述模擬結果相當，完全滿足接頭質量評價標準要求，且無裂紋、穿透和鉚釘屈服等缺陷；采用組合③所得的鉚接接頭雖然承載能力更高，但截面底部厚度僅為0.18 mm，小于接頭質量評價標準規定值0.2 mm，因而當采用此組合進行大批量鉚接生產時，很容易由于設備參數波動等因素造成下層鋁板開裂或被鉚釘刺穿，使連接失效。綜上，鉚釘長度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm、“鋼上鋁下”搭接方式為1.8 mm 厚DP590高強鋼和1.2 mm 厚6016-T6 鋁合金的最佳自沖鉚接組合。

圖10 2種組合鉚接接頭截面形貌

采用Instron 3309 拉伸試驗機對上述最佳鉚接組合所得接頭進行剪切力、正拉力和剝離力試驗，拉斷后的試樣如圖11 所示，可見剪切力試驗的接頭失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉力試驗和剝離力試驗的接頭失效形式為釘腿從下層鋁板拉脫，這與前述模擬試驗結果相吻合。鉚接接頭力學性能如表6 所示，最大剪切力、最大正拉力和最大剝離力實測值分別為5.36 kN、2.24 kN 和0.84 kN，同樣與模擬結果相當，可見采用Simufact 仿真軟件進行鋼鋁異種材料自沖鉚接模擬的準確度較高。

圖11 組合①鉚接接頭力學性能試驗斷裂試樣

表6 組合①鉚接接頭力學性能

7 結論

利用Simufact 有限元分析軟件，對DP590 高強鋼和6016-T6 鋁合金異種材料自沖鉚接進行模擬分析，并結合實際板件的工藝試驗，優選出了最佳的鉚接組合，得出如下結論。

a.隨鉚模深度增加，底切量和底部厚度呈先增大后減小趨勢；隨鉚釘長度增加，底切量逐漸增大，底部厚度逐漸減小。

b.對于鋼鋁異種材料，采用“鋼上鋁下”的板材搭接方式，獲得的自沖鉚接接頭成形質量和力學性能更佳。

c.接頭力學性能與截面底切量密切相關，底切量越大，鉚接接頭承載能力越強。

d.對于鋼鋁自沖鉚接接頭，剪切失效形式為下層鋁板拉延開裂，正拉和剝離失效形式為釘腿從下層鋁板拉脫。

e.對于 1.8 mm 厚的 DP590 高強鋼和 1.2 mm 厚的6016-T6 鋁合金自沖鉚接，最佳的鉚接組合參數為鉚釘長度5 mm、釘腿直徑5.3 mm、鉚模直徑9 mm、鉚模深度1.5 mm、“鋼上鋁下”搭接方式。