【技术帖】超高强钢板与铝合金薄板自冲铆连接工艺研究

【技术帖】超高强钢板与铝合金薄板自冲铆连接工艺研究摘要：钢铝异种金属连接技术是钢铝混合车身轻量化开发难点之一，特别是超高强钢板与铝合金薄板自冲铆连接技术。通过对接头剖面底厚量和自锁量的分析，研究自冲铆工艺参数对接头质量的影响。通过剪切和剥离拉伸实验研究自冲铆接头失效载荷和能量吸收，分析结构失效形式和应用条件。实验研究和生产现场调试，获得超高强钢板与铝合金薄板自冲铆可靠连接，实现料厚均为1.2mm的BR1500HS与铝合金薄板自冲铆技术首次应用于量产车型。关键词：自冲铆钢铝混合车身底厚量自锁量1前言车身轻量化是各大汽车生产制造商实现节能环保的重要战略性措施之一，主要技术路线包括优化车身结构设计、轻质材料选用以及先进制造技术应用。铝合金是一种非常优秀的轻质材料，在轻量化车身开发中不可或缺，蔚来ES8铝合金材料应用比例高达96.4%，车身质量仅335kg。钢虽然有密度大的缺点，但综合安全性高，成本低，易维修及环保等优点，先进高强钢仍然是最适合用在车身上的材料之一。全新一代奥迪A8已经摒弃全铝车身，在影响车身安全的关键零部件采用先进超高强钢，虽然车身质量有所增加，但大幅提高车身性能。综合性能、成本和轻量化等多方面因素，钢铝混合车身成为今后轻量化车身开发的重要趋势之一。钢铝异种材料的可靠连接是车身开发中难点之一。钢和铝在多个方面差异显著，常规车身连接工艺无法获得可靠的连接强度和疲劳强度。自冲铆（SPR）是钢铝异种材料的理想连接工艺之一。K.Mori实现SPFC980与5052铝合金的自冲铆连接。而对于1500MPa级别的热成形钢，多采用局部加热退火处理后自冲铆连接，或使用实心铆钉冲穿上、下两层板材后，利用下模挤压铝板发生塑性变形形成铆接结构，但因以上2种工艺均处于研究阶段，短时间很难实现量产应用。本文结合国内某款新能源汽车在车身开发中遇到的自冲铆连接问题，通过料片连接实验及生产车间现场调试，研究连接工艺参数对超高强钢板和铝合金薄板自冲铆连接的影响。2实验材料与方法2.1实验材料超高强钢材料牌号是BR1500HS，料片淬火方法：加热炉中升温至930℃，保温5min，从加热炉中取出后迅速放入料片制备模具，合模冷却淬火，模具中保压30s后取出。铝合金板材牌号是5182-O，原始料片直接取样，材料厚度规格分别为1.2mm和1.5mm。材料力学参数如表1所示。表1BR1500HS与5182-O的力学参数2.2连接实验设备实验使用自冲铆连接设备是AtlasCopco旗下的Henrob品牌设备，如图1a所示。拉伸力学实验设备是MTS万能实验机，如图1b所示。图1连接实验用设备和力学实验设备2.3自冲铆钉和凹模自冲铆钉采用Atlas提供适用于超高强钢板型号，剖面如图2a所示。凹模分为两种，图2b为平底凹模，图2c为带圆锥凸起的凹模。图2自冲铆钉和凹模结构3实验结果与讨论3.1凹模的选用凹模分为平底和圆锥凸起两种形式。对上层1.2mmBR1500HS与下层1.5mm5182-O铝板连接组合进行实验，在相同铆接力，不同凹模结构下，两种连接剖面如图3所示。平底凹模实验接头底厚量约为0.2mm，而圆锥凸起凹模实验接头发生了刺穿现象，虽然前者互锁量明显低于后者，但满足自冲铆连接最小互锁量要求。综合判断平底结构铆接质量优于带圆锥凸起结构。带圆锥凸起的凹模在自冲铆过程中，由于底面凸起结构可以促使钉腿张开，增加自锁量，但会加大对下层板的挤压，降低底厚量。因上层超高强钢板强度太高，铆接力大，也会造成底厚量降低。为防止底厚量不足或底部刺穿等缺陷，在超高强度钢板自冲铆连接时一般选用平底凹模。图3自冲铆接头剖面（1.2mm+1.5mm）3.2冲模力的影响随着冲模力增加，接头的底厚量呈下降趋势，而自锁量呈上升趋势，如图4、图5所示。随着冲模力增加，铆钉下压量加大，铆钉对下层铝板挤压严重，钉腿张开量加大，所以接头的底厚量降低，互锁量提升。量产工艺调试时，在满足互锁量要求的前提下，尽可能减小冲模力，可以降低枪身强度要求、作业震动和噪音，提高设备使用寿命。图4冲模力对自冲铆连接性能的影响（1.2mm+1.2mm）图5冲模力对接头底厚量和自锁量的影响3.3超高强钢板厚度的影响对料厚均为1.2mm和1.5mm的BR1500HS钢板与5182铝合金板材自冲铆连接实验，如图6、图7所示。通过分析接头剖面可以得出，随着上层超高强钢板厚度的增加，底厚量和自锁量都明显下降，如图8所示。上层超高强钢板厚度增加会造成以下3个缺点。a.冲穿上层板需要较大的冲模力，造成接头底厚量变小；b.高强度料豆的弯曲变形困难，钉腿的外张变形量变小，造成接头自锁量降低；c.铆钉镦粗变形加大。自冲铆尽可能避免1.5mm厚度以上的BR1500HS钢板与铝合金薄板的连接组合。图6料厚均为1.2mm组合接头剖面（1.2mm+1.2mm）4自冲铆接头力学性能测试通过反复实验，确定料厚均为1.2mm的BR1500HS与5182板材连接工艺参数，接头底厚量和自锁量均符合生产要求。通过拉伸力学测试接头不同应力状态下最大失效载荷和能量吸收等关键性能参数。主要包括拉伸剪切实验、拉伸剥离实验。4.1拉伸剪切实验拉伸剪切实验主要研究接头在剪切力作用下失效模式和能量吸收性能。5182铝合金强度远低于超高强钢板和铆钉强度，所以拉伸剪切失效模式是铝板在接头区域的撕裂失效，超高强钢板和铆钉都没有发生破损或明显变形，如图9所示。四组试样的最大加载力和和能量吸收值如表2所示。最大拉伸载荷平均为5.59kN，能量吸收平均为21.5J，能够满足车身连接强度要求。图7料厚均为1.5mm组合接头剖面（1.5mm+1.5mm）图8试样接头的底厚量和自锁量分布图9剪切拉伸实验照片和拉伸力曲线4.2拉伸剥离实验拉伸剥离实验主要研究接头在板材法向拉力作用下失效模式和能量吸收性能。拉伸试样结果和力学曲线如图10所示。因为自冲铆接头的自锁量相对较低，在法向拉力作用下容易发生失效，能量吸收值也较低，最大拉伸载荷平均为1.06KN，能量吸收平均为9.7J，如表3所示。自冲铆连接承受板材法向拉力载荷能力相对较差，且超过最大载荷后，铝板在接头自锁区域发生塑性变形后脱落，载荷迅速下降为零。这要求自冲铆尽可能避免应用在板材法向较大拉力和碰撞时容易发生剥离变形的区域。表2剪切实验最大加载力和能量吸收值图10剥离拉伸实验照片和拉伸力曲线表3剥离实验最大加载力和能量吸收值5生产线现场问题和解决方案在焊装车间生产调试阶段，料厚均为1.2mmBR1500HS与5182铝板的连接组合偶发接头下层“纽扣”区域铝板开裂的缺陷，如图11a所示，在腐蚀实验时开裂点白锈严重，如图11b所示，该总成的连接和防腐均失效，这种缺陷不可接受。对零件和自冲铆工艺的检测和分析，发现主要有以下几个原因造成了连接开裂.图11现场连接时一定比例钉子的铝合金开裂a.生产使用热成形零件的局部硬度略高于实验室实验使用的料片，造成自冲铆底厚量减小，个别连接点发生开裂失效；b.下层铝板因加工硬化造成塑性低于实验室使用的原始状态铝板，塑性降低也会造成连接开裂的概率增加；c.为增加连接强度，零件连接区域应用车身结构胶，也对连接产生一定的不利影响。综合以上分析判断，通过适当降低冲模力，调整凹模形状，调整车身结构胶涂布等措施，彻底解决连接点开裂问题，在后序调试和量产阶段再没发生过连接点开裂失效。6结论a.超高强钢板和铝合