膠鉚復合連接接頭成形質量研究

摘要：以汽車車身異種金屬板料的膠鉚復合連接為研究對象，利用Simufact Forming軟件建立膠接與自沖鉚接復合連接的有限元模型，上板采用1 mm DC04鋼板、下板采用2 mm 5052鋁合金板，對采用環氧樹脂結構膠的膠鉚復合連接過程進行有限元仿真。通過改變鉚釘高度、凹模深度、凸臺高度及下壓速度分析膠鉚復合接頭的內鎖值、釘頭高度、剩余厚度的具體參數，得出鉚釘高度5 mm、凹模直徑10 mm、凹模深度1.9 mm、凸臺高度0.9 mm、下壓速度為45 mm/s時成形最佳。通過鉚接設備對仿真結果進行驗證，兩者結果中鉚接力變化趨勢與剪切拉伸失效模式相同，接頭表征參數誤差均在10%以內，進而驗證了Simufact Forming軟件的可靠性較高。

關鍵詞：數值模擬 膠鉚復合連接 接頭成形

中圖分類號：TH131 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230332

Research on Forming Quality of Adhesive-Rivet Composite Joint

Xie Haodong， Zhang Hongxia， Li Bing， Zhang Peng， Qin Yu

（Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002）

Abstract： This study focuses on the adhesive-rivet composite connection of automotive body dissimilar metal sheets. A finite element model of adhesive riveting and self-piercing riveting composite connection "established using Simufact Forming software. The upper plate "made of 1mm DC04 steel plate， and the lower plate "made of 2 mm 5052 aluminum alloy plate. The adhesive-rivet composite connection process using epoxy resin structural adhesive "simulated using finite element analysis. By analyzing the specific parameters of the internal locking value， nail head height， and remaining thickness of the adhesive-rivet composite joint by changing the height of the rivet， the depth of the concave mold， the height of the convex platform， and the pressing speed， it "found that the optimal forming process achieved when the rivet height 5 mm， the diameter of the concave mold "10 mm， the depth of the concave mold "1.9 mm， the height of the convex platform "0.9 mm， and the pressing speed "45 mm/s. And the simulation results are verified through riveting equipment， and the trend of riveting force change in both results "the same as the shear tensile failure mode. The error of joint characterization parameters "within 10%， which further verified the high reliability of Simufact Forming software.

Key words： Numerical simulation， Adhesive-rivet， composite connection， Joint forming

1 前言

汽車輕量化技術是提高汽車動力性的重要措施[1-2]，在車身結構中采用鋼與鋁合金連接的方式，可以充分發揮材料的性能優勢并實現車身輕量化，提高車輛的綜合性能[3]。而自沖鉚接作為一種新型板材連接技術，具有無熱輻射、無火花、無廢料、低能耗、低噪聲以及能與粘合劑和潤滑劑相容等諸多優點[4]。自沖鉚接連接技術越來越受到重視[5]，且高效的機械連接和膠接連接技術相結合的需求越來越急迫[6]，但自沖鉚接技術對于不同材質、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[7]。因此，采用模擬仿真的方式分析不同鉚釘及凹模對自沖鉚接接頭的影響選取最優的組合進行試驗分析，可以大幅降低成本。

近年來，學者對自沖鉚接技術的模擬仿真進行了大量研究。解宇等[8]采用有限元方法對自沖鉚接工藝過程和接頭拉伸剪切過程進行數值模擬，并與試驗結果進行對比分析，模擬結果和試驗結果吻合較好。扶文生等[9]基于有限元及力學試驗結果分析了接頭的成形機理、力學性能及失效行為。結果表明，采用36MnB4硼鋼鉚釘和平模制備的接頭成形質量更高。蔡昌友等[10]通過分析多個鉚點的不同鉚接路徑對鋁鋼薄板連接變形的影響得到多個鉚點作用下的變形量大于單鉚點的結論。陳貴坤等[11]以Simufact Forming 16.0軟件建立鋁合金自沖鉚接的仿真模型，發現釘腳張開度、鉚釘材料徑向流速和鉚接的最大沖壓載荷均隨著鉚釘高度的增加而增大。祁愛萍[12]通過Simufact建立了壓縮成形數值仿真模型，驗證了仿真軟件的可靠性。伊日貴等[13]基于仿真軟件研究5754鋁合金與雙相鋼的自沖鉚接過程，發現最大剪切力互鎖值與和底部最小厚度有關。周澤杰[14]利用Deform-2D有限元軟件建立半空心鉚釘自沖鉚接有限元模型，對鋁/鋼自沖鉚接成形工藝過程及應力分布情況進行分析，發現鉚釘應力集中在鉚釘脛上端，下板應力集中在鉚釘腳與下板接觸區域。張啟森[15]利用Deform-2D數值模擬軟件及自沖鉚接設備進行試驗，驗證了正交試驗及有限元模擬應用于鋁鋼異種板材自沖鉚接成形工藝參數優化的正確性。

通過建立膠鉚復合連接仿真模型，研究所需鉚釘及凹模的最佳參數，為異種金屬膠鉚復合連接工藝提供參考。

2 膠鉚復合連接有限元模型的建立

2.1 工藝參數的選定

為研究半空心鉚釘不同高度及凹模不同參數對添加結構膠自沖鉚接接頭成形的影響，探索出適合膠鉚復合連接的鉚釘與凹模尺寸。上板選用1 mm厚的DC04鋼板，下層選用2 mm厚的5052鋁合金板，粘接劑為3M-DP460環氧樹脂結構膠。首先確定鉚釘的參數，如圖1a所示，凹模參數如圖1b所示，圖中H為鉚釘高度，h為凸臺高度，L為凹模深度。在仿真軟件中改變鉚釘與凹模的不同參數如表1所示，最后探索出鉚釘與凹模最佳的適配工藝參數。

2.2 模型選用

Simufact Forming軟件中有自沖鉚接模塊，用于自沖鉚接工藝模擬，本次模擬選用Simufact Forming 14.0進行模擬。考慮自沖鉚接工藝的特殊性，可以采用2D軸對稱的方法模擬，本次仿真對其一半的沖頭、壓邊圈、鉚釘、膠層、凹模、上板和下板進行模擬，模擬完成后可以在顯示結果中補齊另一半。

Simufact中自帶材料庫，因此上、下層板材材料所采用的DC04鋼、5052鋁合金以及膠層和鉚釘可以從材料庫中直接導入。運動模型采用機械液壓機進行自沖鉚接，沖頭運行速度設置為5 mm/s。彈簧模具模型設置在壓邊圈上，彈簧為釋放狀態，方向z軸，剛度500 N/mm，初始力2 kN。摩擦模型選用庫倫-剪切摩擦，庫侖摩擦系數設定為0.1，剪切摩擦設定系數為0.1。溫度模型默認模具和工件傳熱溫度都為20 ℃。網格劃分的質量會影響仿真結果的準確性，為減少計算時間，對上、下板材與膠層待鉚接區域進行局部細化。鉚釘的網格劃分選擇Quadtree網格，并設定網格的大小為0.09 mm，由于鉚釘比板材的硬度大，與板材接觸時只有邊緣會發生較小形變，所以僅細化鉚釘邊緣網格即可，設置最大粗化值為2 mm。膠層和板材的網格劃分選用Advancing Front Quad網格，設定網格大小為0.15 mm。膠層網格大小設置為0.03 mm。細化后的材料網格如圖2所示，考慮上板和膠層在鉚釘受力刺入發生塑性變形后會斷裂，所以設置上板分離距離0.1 mm，膠層分離距離0.03 mm。主要接觸關系設定膠層與上、下板為粘接，與鉚釘為接觸，其余部位均為接觸。

3 有限元仿真結果分析

自沖鉚接仿真結果如圖3所示，在液壓機的作用下沖頭向下運動，推動鉚釘依次刺穿上板、膠層，最后嵌入下板形成互鎖，最后沖頭下壓至預定的行程后撤回。在結果中的測量中可以看到如圖4所示的自動測量接頭的內鎖值、釘頭高度和剩余厚度。

3.1 不同高度鉚釘對鉚接成形質量的影響

為比較不同鉚釘高度對異種金屬膠鉚復合連接接頭的適配度，選取高度分別為4 mm、5 mm和6 mm的鉚釘進行仿真，得出鉚釘高度與內鎖值、釘頭高度及剩余厚度之間的關系如圖5所示，可以看出：4 mm高的鉚釘高度過小，內鎖值僅有0.151 mm；釘頭高度保持在0.2 mm附近，而剩余厚度隨著釘頭高度的增加逐漸減小，6 mm高的鉚釘高度過高，剩余厚度僅有0.073 mm，即將刺穿下板。在凹模固定不變時，鉚接接頭的內鎖值隨著鉚釘高度的增加而增加。從仿真結果分析可得，5 mm的鉚釘內鎖值和剩余厚度在3種高度鉚釘中形成的接頭成形最佳，所以選取5 mm高鉚釘繼續進行仿真研究。

3.2 不同凹模深度對鉚接成形質量的影響

首先分析凹模深度對膠鉚復合接頭成形質量的影響。選取凹模深度為1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm、2.0 mm、2.1 mm的凹模進行仿真分析，其結果如圖6所示。內鎖值隨著凹模深度的增加而逐漸減小，這是因為凹模容納體積的增大，在鉚接過程中，沖頭下壓距離一定，下板與凹模底部的距離增加，鉚釘形成內鎖需要的距離變長，內鎖值會越來越小。釘頭高度和剩余厚度隨凹模深度增加而增加，凸臺會減小凹模的容納體積，為繼續分析凸臺高度對接頭成形的影響，后續選擇凹模深度為1.9 mm繼續進行仿真分析。

3.3 不同凸臺高度對鉚接成形質量的影響

為繼續分析凹模凸臺高度對膠鉚復合接頭成形的影響，本次模擬使用凸臺高度為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm的凹模進行仿真。凸臺高度對接頭成形的影響如圖7所示。由于增加了凹模的凸臺，使得鉚釘在鉚接過程中更容易張開，相較于使用不增加凸臺的凹模，接頭的內鎖值都顯著提高。且隨著內鎖值的增大，釘頭高度與剩余厚度均減小，內鎖值在凸臺高度為0.9 mm時最大，這是由于凸臺高度增加至2.0 mm時，凹模所容納的體積比上下板、膠層和鉚釘占據的體積更小，下板提前與凹模側壁接觸，導致內鎖值反而變小。綜合比較可得，凸臺高度為0.9 mm時，接頭的成形質量最佳。

3.4 不同下壓速度對鉚接成形質量的影響

分別將下壓速度設置為5 mm/s、15 mm/s、25 mm/s、35 mm/s、45 mm/s進行仿真分析，下壓速度與接頭質量成形的關系如圖8所示。當下壓速度增大時，釘頭高度與剩余厚度呈逐漸減小的趨勢，內鎖值呈逐漸增大的趨勢。在后處理中結果顯示，下壓速度5 mm/s、15 mm/s、25 mm/s、35 mm/s、45 mm/s所對應的最大沖壓力分別為16.02 kN、16.12 kN、16.24 kN、16.37 kN、16.44 kN。最大沖壓力隨著下壓速度的增加而增加，隨著沖壓力的增加，鉚釘腿部的擴張程度增大，腿部的變形更加充分，更容易形成良好的內鎖結構。

各組件在鉚接過程中的等效應力分布如圖9所示，鉚釘的最大等效應力為820.97 MPa，應力主要集中在鉚釘的頸部，凹模凸臺的存在會將材料向外擠壓，鉚釘腿部即明顯張開。上板的應力主要集中在鉚釘刺入上板時的接觸部位，另外被鉚釘切下一部分存在于鉚釘型腔內也存在應力集中。下板的應力主要集中在與鉚釘接觸的部位，由于鉚釘在下板中擴張使下板變薄，應力隨之增大。膠層在整個成形過程中被鉚釘刺穿時產生應力，所受到的最大應力僅為0.63 MPa，這是環氧樹脂結構膠容易被刺穿導致的。

4 試驗結果與數值模擬結果對比

為驗證膠鉚復合連接有限元仿真的準確性，采用自沖鉚接設備進行鉚接試驗，并用線切割設備對接頭進行切割，與仿真模擬結果進行對比。接頭的制作由清理、涂膠、固化及鉚接4個步驟完成。鉚接試驗板材選用與仿真中相同的上、下板材料，鉚釘與凹模選用仿真結果中最優的一組參數，選擇頭部直徑為7.45 mm、鉚釘腿部直徑為5.3 mm、高度為5 mm的鉚釘，選用直徑10 mm、深度1.9 mm、凸臺高度0.9 mm的凹模，沖壓速度設為45 mm/s。

圖10所示為仿真過程與試驗過程載荷-時間曲線的對比結果，從圖10中可以看出，兩曲線變化的趨勢和數值都較為接近，開始時鉚釘刺入上板，載荷開始逐漸提高，當鉚釘接觸到膠層時，受膠層的潤滑作用影響，仿真和試樣均存在一段短暫的載荷減小過程。在鉚釘刺穿膠層接觸下板時，載荷又逐漸上升，在鉚接的最后階段上下板與膠層完全充滿凹模，載荷急劇上升。仿真中的峰值載荷為17 015 N，試驗的峰值載荷為18 821 N，誤差率為9.5%。

圖11所示為相同條件下仿真接頭與鉚接試驗接頭的截面對比，仿真結果中膠鉚復合接頭的內鎖值為0.482 mm，釘頭高度為0.119 mm，剩余厚度為0.423 mm。試驗接頭的內鎖值為0.451 mm，釘頭高度為0.108 mm，剩余厚度為0.415 mm。誤差分別為6.6%、9.2%、7.9%，各特征參數的誤差都在10%以內，屬于合理范圍。

圖12所示為剪切拉伸仿真與試驗的對比結果，接頭在剪切拉伸試驗過程中均為初期膠鉚接頭膠層承擔大部分力，板料受到剝離力，下板料發生變形。膠層開始失效，上板也發生變形，此時鉚接承擔小部分載荷。隨后，膠層開始從鋼板端失效，鉚釘周圍膠層幾乎全部失效，膠層完全失效后，鉚釘承受接頭全部載荷，鉚釘徹底脫離下板，最后接頭徹底失效。

5 結論

a.鉚釘高度、凹模凸臺高度的增加及下壓速度對接頭的影響為增大接頭的內鎖值，減小接頭的剩余厚度；凹模深度的增加對接頭的影響為減小接頭的內鎖值，增大接頭的剩余厚度。

b.1 mm的DC04鋼板與2 mm的5052鋁板之間添加1 mm的環氧樹脂結構膠的膠鉚復合連接方式，與之適配的鉚釘為5 mm高鉚釘，凹模深度1.7 mm、凸臺高度0.9 mm，下壓速度為45 mm/s。

c.通過自沖鉚接設備進行驗證，得到鉚接力變化趨勢與仿真變化趨勢大致相同，試驗與仿真接頭表征參數誤差不超過10%，二者剪切拉伸失效模式相同，驗證了仿真軟件的可靠性。

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作者簡介：謝昊東（1996—），男，碩士學位，研究方向為汽車輕量化板料先進成形技術。

基金項目：湖北省重點研發計劃項目（2022AAA001）；湖北省重點研發計劃項目（2021BAB019）。

參考文獻引用格式：

謝昊東， 張紅霞， 李兵， 等. 膠鉚復合連接接頭成形質量研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 27-32.

XIE H D， ZHANG H X， LI B， et al. Research on Forming Quality of Adhesive-Rivet Composite Joint[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 27-32.