FDS在鋼鋁混合連接中的應(yīng)用

張?zhí)K偉Zhang Suwei

FDS在鋼鋁混合連接中的應(yīng)用

張?zhí)K偉
Zhang Suwei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

闡明FDS（Flow Drill Screw，流鉆螺釘，別稱熱熔自攻絲/熱熔緊固系統(tǒng)）工藝開發(fā)流程；明確FDS連接點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)方法。設(shè)置不同的、熱熔穿透階段的下壓力與轉(zhuǎn)速，針對(duì)不同材料組合開展多組試驗(yàn)，驗(yàn)證連接參數(shù)、材料組合對(duì)FDS連接點(diǎn)性能的影響。

FDS；下壓力；轉(zhuǎn)速；扭矩；剪切力；剝離力；十字拉伸力

0 引 言

目前FDS（Flow Drill Screw，流鉆螺釘）已在鋼鋁混合白車身生產(chǎn)制造中得到廣泛應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)單面連接，在連接過(guò)程中會(huì)有強(qiáng)大下壓力作用于板材表面，同時(shí)FDS連接后螺釘?shù)募舛瞬糠謺?huì)裸露在下層零部件外，因此FDS連接更多用于板材與空腔型材、板材與鑄件的連接。在FDS連接過(guò)程中，下壓力、下旋速度、轉(zhuǎn)速、緊固扭矩等參數(shù)及選用的螺釘規(guī)格需要通過(guò)連接試驗(yàn)確定，以保證連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，滿足車身力學(xué)性能要求。

通過(guò)明確FDS工藝開發(fā)流程，明確FDS連接點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)方法，選擇典型的板材與空腔型材的試驗(yàn)組合，并通過(guò)設(shè)置不同的、對(duì)螺紋成型影響最大的下壓力及轉(zhuǎn)速值，對(duì)比FDS連接點(diǎn)力學(xué)性能，挖掘優(yōu)化零部件搭接組合及優(yōu)選連接參數(shù)。

1 FDS工藝介紹

1.1 FDS連接原理

FDS連接工藝是一種通過(guò)設(shè)備中心擰緊軸將電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)至待連接板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變后，自攻絲并螺接的冷成型工藝。通過(guò)螺釘高速旋轉(zhuǎn)軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，最終在板材與螺釘之間形成螺紋連接，中心孔處的母材則被擠出并在下層板的底部形成一個(gè)環(huán)狀的套管。 FDS連接工藝過(guò)程包括6個(gè)階段：定位加熱→熱熔穿透→翻邊形成→螺紋成型→螺紋嚙合→緊固，如圖1所示。

圖1 FDS工藝過(guò)程示意圖

1.2 FDS工藝開發(fā)流程

為確保FDS連接點(diǎn)的性能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，在FDS工藝開發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)每種零部件組合單獨(dú)進(jìn)行連接試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2所示。

圖2 FDS工藝開發(fā)流程圖

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試驗(yàn)組合

為驗(yàn)證不同搭接組合、不同連接參數(shù)，對(duì)FDS連接點(diǎn)共制定8種試驗(yàn)組合。其中前7組試驗(yàn)的零部件板材相同；前6組進(jìn)行預(yù)開孔處理，僅對(duì)熱熔穿透階段的轉(zhuǎn)速及下壓力進(jìn)行區(qū)別設(shè)置，見表1。

表1 試驗(yàn)組合

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)全部采用規(guī)格為M5×20的FDS螺釘，具體試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

表2 試驗(yàn)內(nèi)容

3 試驗(yàn)開展及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)開展

在試驗(yàn)開展前，先對(duì)每種試驗(yàn)組合進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)組合配合試驗(yàn)設(shè)定連接參數(shù)的可行性。在熱熔穿透階段，轉(zhuǎn)速能夠加熱、軟化板材，板材越厚、越軟，要求轉(zhuǎn)速越高；下壓力是使螺釘在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，能夠穿進(jìn)板材，板材越厚、越硬，要求下壓力越大。但在預(yù)試驗(yàn)過(guò)程中，A7組合通過(guò)嘗試各種連接參數(shù)，均未得到有效連接接頭，排除了A7組合的連接可行性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

連接完成的試驗(yàn)樣品在目視合格后，再進(jìn)行金相試驗(yàn)、靜態(tài)扭矩試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)。

3.2.1 金相試驗(yàn)

樣品切割時(shí)必須使螺釘被從中間切開，不能與螺釘中心線產(chǎn)生角度偏移，金相試驗(yàn)剖面如圖3所示。其質(zhì)量要求為：螺釘頭下間隙各對(duì)角檢測(cè)時(shí)，只允許1個(gè)點(diǎn)存在間隙，且間隙≤0.2 mm；兩層板間隙在距螺釘中心9 mm以內(nèi)，其間隙應(yīng)≤0.2 mm；嚙合長(zhǎng)度的長(zhǎng)度應(yīng)大于下層板厚度，且在長(zhǎng)度范圍內(nèi)，螺紋飽滿度95%以上的螺牙數(shù)量占總牙數(shù)的70%以上，同時(shí)左右兩邊的材料填充均勻；板材與螺釘不存在開裂現(xiàn)象；螺帽完全遮蓋預(yù)開孔。

7組試驗(yàn)的金相結(jié)果均滿足上述質(zhì)量要求。在熱熔穿透階段，轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min升到8 000 r/min，下壓力從600 N升到1 200 N，均得到金相效果合格的連接件，F(xiàn)DS連接對(duì)工藝參數(shù)的容錯(cuò)性較高。

圖3 金相試驗(yàn)剖面示意圖

3.2.2 靜態(tài)扭矩試驗(yàn)

按照相應(yīng)參數(shù)安裝完成的FDS接頭目視合格后，進(jìn)行扭矩破壞試驗(yàn)。靜態(tài)扭矩試驗(yàn)值及趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 靜態(tài)扭矩試驗(yàn)值趨勢(shì)圖

在熱熔穿透階段，隨著轉(zhuǎn)速降低及下壓力增大，靜態(tài)失效扭矩呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。但對(duì)比剪切力（圖6）、剝離力（圖8）、十字拉伸力（圖10）趨勢(shì)圖，靜態(tài)失效扭矩與剪切力、剝離力及十字拉伸力不存在正比關(guān)系，因此扭矩在滿足設(shè)計(jì)要求后，不直接影響FDS連接點(diǎn)的最終連接強(qiáng)度，常規(guī)靜態(tài)扭矩僅用來(lái)檢測(cè)FDS連接的穩(wěn)定性及一致性。

3.2.3 剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時(shí)，螺釘應(yīng)位于自由夾持長(zhǎng)度的中心，螺釘應(yīng)設(shè)置在重疊部分的中心，如圖5所示。

圖5 剪切試驗(yàn)示意圖

剪切力試驗(yàn)結(jié)果及趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 剪切力趨勢(shì)圖

3.2.4 剝離試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時(shí)，螺釘應(yīng)位于自由夾持長(zhǎng)度的中心，螺釘應(yīng)設(shè)置在重疊部分的中心，如圖7所示，剝離力試驗(yàn)結(jié)果及趨勢(shì)如圖8所示。

圖7 剝離試驗(yàn)示意圖

圖8 剝離力趨勢(shì)圖

3.2.5 十字拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時(shí)，螺釘應(yīng)位于自由夾持長(zhǎng)度的中心，螺釘應(yīng)設(shè)置在重疊部分的中心，如圖9所示，十字拉伸力試驗(yàn)結(jié)果及趨勢(shì)如圖10所示。

圖9 十字拉伸試驗(yàn)示意圖

圖10 十字拉伸力值趨勢(shì)圖

觀察剪切力、剝離力、十字拉伸力趨勢(shì)圖，前6組試驗(yàn)的剪切力為9.598～10.204 kN，第7組為7.367 kN；前6組試驗(yàn)的剝離力為3.983～4.156 kN，第7組為1.716 kN；前6組試驗(yàn)的十字拉伸力為6.588～7.051 kN，第7組為4.726 kN。

對(duì)比這7組試驗(yàn)數(shù)值，在設(shè)計(jì)鋼鋁混合連接接頭時(shí)，為得到高強(qiáng)度的連接接頭，應(yīng)優(yōu)先選擇FDS連接點(diǎn)承受剪切力，其次為十字拉伸力，最后為剝離力。

將前6組試驗(yàn)數(shù)值與第7組數(shù)值做對(duì)比，前6組試驗(yàn)的剪切力、剝離力、十字拉伸力相差分別為0.606 kN、0.173 kN、0.463 kN，第7組試驗(yàn)與前6組試驗(yàn)平均數(shù)值相差分別為2.50 kN、2.40 kN、2.05 kN。可見，材料組合對(duì)FDS連接點(diǎn)的力學(xué)性能具有決定性影響，而連接參數(shù)的影響相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

（1）在熱熔穿透階段，板材越厚、越軟，要求轉(zhuǎn)速越高；板材越厚、越硬，要求下壓力越大。

（2）在熱熔穿透階段，隨著轉(zhuǎn)速降低及下壓力增大，靜態(tài)扭矩呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；靜態(tài)扭矩在滿足設(shè)計(jì)要求后，不直接影響FDS連接點(diǎn)的最終連接強(qiáng)度；通常靜態(tài)扭矩僅用來(lái)檢測(cè)FDS連接的穩(wěn)定性及一致性。

（3）在設(shè)計(jì)鋼鋁混合連接接頭時(shí)，為得到高強(qiáng)度的連接接頭，應(yīng)優(yōu)先選擇FDS連接點(diǎn)承受剪切力。

（4）材料組合對(duì)FDS連接點(diǎn)的力學(xué)性能具有決定性影響，連接工藝參數(shù)的影響相對(duì)較小；在實(shí)際操作中，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況可以對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，不會(huì)影響產(chǎn)品最終性能。

2021-05-10

U468.2+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.012

1002-4581（2021）04-0048-04