無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶的應用研究

摘 要：基于汽車輕量化材料及工藝技術研究的不斷深入，為滿足汽車制造過程中特殊結構、輕質材料連接等場景的連接需求，機械連接工藝被廣泛應用。商用車油箱箍帶傳統采用電阻點焊工藝進行連接，但由于熱輸入及焊點壓痕等因素影響，在承載過程中易沿焊點發生失效。無鉚連接工藝具有高動態連接強度，可提升疲勞壽命的同時降低制造成本。結合CAE仿真、工藝試驗及驗證研究了無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶的應用可行性。

關鍵詞：輕量化；汽車制造；無鉚連接；油箱箍帶

隨著全球汽車工業的快速發展，汽車制造領域在節能減排趨勢的引領下，輕質材料的使用比例大幅提升，對現有的連接工藝也提出了更高的要求和巨大的挑戰[1]。奧迪A8的車身用材鋁合金占比58%[2]，引入了自沖鉚接、無鉚連接、熱熔自攻絲鉚接以及摩擦塞鉚焊等連接工藝以滿足特殊結構、鋼鋁連接等場景的連接需求。輕量化的結構設計、工藝及材料技術正逐步由乘用車領域向商用車領域拓展及應用。

由于商用車的結構設計、服役條件、安全性要求等均與乘用車存在較大差異[3]，商用車的輕量化材料及連接工藝應用相對滯后。近年來，SCANIA、MAN及VOLVO等國際一線商用車品牌已開始加大高強鋼、鋁合金材料的應用比例[4]，汽車制造工藝也引入了激光釬焊、熱熔自攻絲鉚接、無鉚連接等工藝，國內商用車制造廠商在高強鋼材料占比、先進連接工藝應用方面仍存在較大差距。

先進連接工藝中，無鉚連接工藝過程簡單，無需連接介質和加熱，即可實現可塑性薄板的同種材料、異種材料的不可拆卸式連接[5]，連接成本約為電阻點焊的40%～70%，動態連接強度明顯優于點焊，且連接過程無熱量輸入。無鉚連接工藝過程主要包括以下六個階段[6]：定位、初壓入、擠壓、形成上輪廓、形成凸環、形成連接點，如圖1所示。

商用車油箱箍帶傳統采用電阻點焊工藝連接，由于焊接熱輸入及壓痕等因素的影響，在承受交變載荷時易沿焊點邊緣發生開裂。本文通過CAE仿真分析、無鉚連接工藝試驗、實件鉚接及驗證試驗相結合的方式，探究了無鉚連接工藝在商用車油箱箍帶應用的可行性，為無鉚連接的拓展應用提供實踐經驗借鑒及支撐。

試驗條件及方法

連接CAE仿真分析采用Simufact 2023軟件，試板材料參照某商用車油箱箍帶用材進行選擇，本文選取的材料牌號為St52，板厚為2.0mm，板材化學成分見表1，板材力學性能見表2。

接頭形式為搭接結構，在搭接面上進行無鉚連接。

連接工藝試驗采用的鉚接設備為托克斯CEU 015，配備LVDT amp; IPC amp;附加導向裝置，可以顯示并監控力和位移曲線，保證連接質量監控及追溯。連接過程保證待連接板材完全貼合，接合區域無縫隙。連接接頭微觀形貌采用Olympus SZX16體式顯微鏡進行觀察，無鉚連接接頭測量示意圖如圖2所示，其中tu、tb上分別為上板板厚和下板板厚，tn為上板頸部厚度，f為互鎖值，tl為剩余底厚，tul、tbl分別為上板剩余底厚、下板剩余底厚，rd為鉚接點徑。

箍帶實件鉚接尺寸、涂裝工藝條件與現生產一致，采用電動振動臺并依據GB18296-2019標準進行箍帶可靠性驗證，試驗要求見表3。

1.連接CAE仿真

采用連接CAE仿真可對凸模、凹模、鉚接工藝等方案的篩選進行虛擬驗證，大大減少試驗數量，提升工藝方案確定及優化效率。由于無鉚連接接頭具有軸對稱特性，采用二維模擬代替三維模擬可在保證仿真精度的同時，大大縮減仿真時間，單個工藝方案仿真時長約為5min，且在成形過程中板材網格不斷重新劃分以保證網格質量，各階段仿真結果如圖3所示。

仿真結果表明，當鉚接點徑為8mm，剩余底厚為1.0mm，壓裝力為50kN時，無鉚連接接頭成形良好，最大等效塑性應變約為3.03mm，無板材開裂風險，連接接頭的互鎖值可達0.30mm左右，上板頸部厚度約為0.35mm，滿足工藝設計要求。與實際鉚接接頭剖面進行比對可見，仿真結果與實際接頭擬合良好，連接仿真與實際鉚接對比如圖4所示。

2. 連接工藝試驗

連接工藝試驗采用CAE仿真選取的鉚模和工藝為基礎開展，最終確定壓裝力為53.16kN，采用某商用車現生產材料進行成形及無鉚連接，原連接方案為電阻點焊，共6個焊點，呈3+3分布，本試驗采用與現生產相同的連接點數，3+3布置6個鉚接點，鉚接獲得的油箱箍帶及鉚接接頭外觀形貌如圖5所示。鉚接圓點成形外觀良好，無宏觀裂紋、劃傷等外觀缺欠，母材緊密貼合，連接接頭附近無較大壓痕。

對同一參數鉚接獲得的連接接頭隨機抽取4點進行試樣制備及磨拋處理，無鉚連接接頭微觀形貌如圖6所示，測量獲得的接頭鉚接尺寸見表4。對比發現，各剖面的鉚接尺寸相差不大，無鉚連接的內在質量一致性較好，上板頸部厚度（tn）約為0.40mm，互鎖值（f）約為0.29mm，上板剩余底厚（tul）約為0.38mm，下板剩余底厚（tbl）約為0.57mm，上板與下板互鎖緊密，無裂紋、板材穿透等微觀鉚接缺欠。

采用鉚接拉伸試板的方式對無鉚連接接頭的力學性能進行試驗，無鉚連接接頭的拉剪強度約為4.33kN，十字拉伸強度約為3.36kN，連接接頭拉剪失效模式為鉚扣剪切失效，未發生鉚扣脫出現象，失效接頭形貌如圖7所示。無鉚連接接頭的連接強度雖低于電阻點焊，但滿足油箱箍帶對連接點的靜態強度要求。

3.驗證試驗

為探究無鉚連接油箱箍帶是否具備良好的涂裝工藝性及動態承載能力，按現生產工藝開展涂裝驗證試驗，參照GB18296-2019標準進行箍帶振動試驗驗證。

（1）涂裝驗證試驗" 經電泳、噴涂，無鉚連接油箱箍帶形貌如圖8所示。表面漆膜平整均勻，在凸模側無明顯流痕，整體無露底、針孔、縮孔等涂裝缺欠。試驗表明，無鉚連接接頭具有良好的涂裝工藝可行性，表面漆面質量良好。

（2）可靠性驗證試驗" 采用無鉚連接油箱箍帶將燃油箱模擬裝車形式固定在振動試驗臺上，注入規定容量的水開展振動試驗，振動試驗過程如圖9所示。

經左右、前后、上下各2h的振動，油箱箍帶張緊狀態良好，無開裂現象，且無鉚連接點均未發生鉚扣脫出或剪切失效現象。試驗表明，無鉚連接接頭具備足夠的動態連接強度，滿足油箱箍帶的產品設計要求。

結語

（1）連接工藝CAE仿真可對鉚模選取、工藝優化、鉚接接頭成形進行虛擬驗證和分析，可有效減少試驗數量，降低人力、資源成本，提高工藝方案優化效率，為實際鉚接基礎模具、工藝參數選取提供高精度借鑒數據；

（2） 商用車油箱箍帶采用無鉚連接工藝代替電阻點焊，可實現連接接頭的冷連接，經試驗，無鉚連接工藝對2.0mm厚油箱箍帶材料能實現可靠、一致的連接，無宏觀和微觀連接質量缺欠，鉚接接頭形成有效互鎖，接頭拉剪強度約為4.33kN，十字拉伸強度約為3.36kN，接頭拉剪失效模式為鉚扣剪切失效，滿足油箱箍帶對連接點的靜態強度要求。

（3） 驗證試驗表明，無鉚連接箍帶具有良好的涂裝工藝可行性，連接接頭表面漆膜平整均勻；標準振動試驗后連接接頭無失效現象，無鉚連接接頭的動態連接強度滿足產品服役要求。

（4） 基于以上連接工藝試驗、涂裝試驗、可靠性試驗的結果，無鉚連接工藝在油箱箍帶連接場景下具有較好的應用可行性，無鉚連接可充分發揮其無熱量輸入、高動態連接強度的優勢，應對電阻點焊箍帶疲勞開裂的問題。

參考文獻：

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[2] 李文忠，劉春柏等. 淺析大眾和豐田鋁件連接技術路線[J]. 汽車工藝與材料，2023（2）：53-57.

[3] 孫然. 基于材料輕量化的商用汽車駕駛室CAE分析與建模[J]. 紅河學院學報，2021（5）：147-150.

[4] 王曉偉等. 輕量化材料在商用車駕駛室上的應用[J]. 重型汽車， 2019（1）：31-33.

[5] 李永兵等. 輕量化薄壁結構點連接技術研究進展[J]. 機械工程學報， 2020（6）：125-146.

[6] 王子國，蔡金生. 電阻點焊與TOX連接技術的對比試驗[J]. 電焊機，2010（5）：65-69.