不同高强钢板对自冲铆接接头成形性和性能的影响

刘营凯沈波 AI汽车制造业 2024-08-13

本文研究了不同高强度钢板对自冲铆接接头成形性和力学性能的影响。研究表明，在不改变铆钉的前提下，可以通过增大凹模的容积来改善接头的成形性。实验研究获得不同超高强钢板与铝合金自冲铆接接头的性能数据，可指导产品设计开发出满足力学性能需求的最优汽车产品。

随着“新四化”和“软件定义汽车”浪潮的涌来，近几年新能源汽车的渗透率持续增长，发展新能源汽车成为各大汽车制造厂商的重点战略。虽然随着电池技术的不断革新，市场陆续推出的纯电动汽车产品续驶里程得以提升，但里程焦虑仍是消费者的心理阵痛。数据表明，新能源汽车每减重10%可提升续驶里程5%；此外，汽车轻量化还可以减少加速时间，带来更加灵活的车身动态响应，提升驾乘体验，汽车减重10%，其0～100km/h加速性能可提升0.5s，制动距离缩短3m，有效负载和牵引增加130kg。先进高强度钢板和铝合金材料的应用是目前车辆轻量化的重要发展方向之一，但这些轻质材料的应用也给连接工艺带来了巨大的挑战。

自冲铆接是一种在铆钉与板料之间形成牢固互锁的冷成形工艺，其操作简单，无须前期预冲孔，无须表面预处理，易于实现自动化，非常适合异种材料之间的连接。目前国内对于超高强度的钢板对自冲铆接接头的影响研究较少，缺乏指导生产的相关数据，本文将采用抗拉强度在410～780MPa范围的高强钢及超高强钢与铸铝合金形成合格自冲铆接接头，研究上层钢板强度对接头成形性和拉剪性能的影响，为汽车产品的最优设计提供参考。

试验

1. 试验材料

试验用高强度钢板分别为GMW3032M-ST-S-340LA-HD60G60G-U、GMW3032M-ST-S-420LAHD60G60G-U、GMW3399M-ST-S-CR780T/420YDP-HD60G60G-U，试验用铝合金为GMW5M-ALC-D-SI10MNMG-T7-T7（SI10MNMG-T7），表1为试验材料性能数据。板材尺寸为110mmx40mm，连接板材组合见表2。

2. 连接试验

采用Atalas公司生产的伺服自冲铆接系统，分别对3种板材组合进行铆接试验，试验使用铆钉尺寸φ5.3mm×5.5mm，铆钉表面机械镀锌，硬度等级为450～510HV。试验使用铆模A（空腔直径10mm，模深1.0mm）和铆模B（空腔直径10mm，模深1.4mm）。使用ZEISSStemi508光学显微镜对连接剖面进行几何形貌观察和测量记录。

3. 静态拉剪试验

使用英斯特朗3367U4474万能拉伸试验机进行静态剪切力学测试，剪切试样的制样标准如图1所示。室温拉伸，拉伸速度10mm/min，每组试验进行5组平行样测试。

图1 静态拉剪试验试样标准

结果与分析

1. 模钉体积比对接头成形性的影响

图2为三种钢–铝板材组合的接头几何形貌图。由图2a、图2b和图2c可知，相同的铆模条件下，由于CR780T钢板抗拉强度较高，当铆钉向下试图刺穿该板时，铆钉本身将会发生较大的塑性变形，而无法形成有效连接。

以组合C分别在铆模A和铆模B的结果为例探讨模钉体积比对接头成形性的影响，从图2c和2d可知，在不提高铆钉硬度等级的条件下，可以通过改变铆模型号来改善自冲铆接接头的可行性，这是因为铆钉B相较于铆模A的模深更大，增大了凹模/铆钉的容积比，提高了钣金材料在凹模腔内的可流动性，铆钉及板材在模具内流动所受到的阻力减小。这为自冲铆接系统在实际生产制造过程中实现共用铆钉型号、减少物料类型提供了新的思路。

2. 钢板强度对接头成形性的影响

自冲铆接最重要的阶段为铆钉扩张阶段，在该阶段铆钉腿部逐渐张开，下层板材发生塑性变形逐渐填充入凹模。在冲头和凹模的共同作用下，铆钉腿部向周围扩张，嵌入下层板从而形成了铆钉与板材间的机械互锁结构。底切量和剩余厚度成为评价接头性能的重要参数，底切量定义为铆接完成后，铆钉腿部外边缘到被铆钉剪断的上层板的下边缘点的水平距离；剩余厚度则为接头底部板材在铆接最薄处的厚度。

表3为三种板材组合在形成合格接头下的底切量和剩余厚度，从表中可知，340LA的平均底切量为0.56mm，420LA的平均底切量为340LA的1.05倍，CR780T的平均底切量为340LA的1.34倍。可见420LA的底切量相较340LA无明显变化，这是因为两者的抗拉强度相近，而CR780T相较于340LA和420LA的底切量显著增大，这是因为铆钉向下刺穿板材时，上层板本身会发生较大的塑性变形，被铆钉截断的上层板则卡嵌在铆钉壁，从而使铆钉腿部受到一个侧向力。随着上层板抗拉强度的提高，材料延伸率的下降，铆钉刺穿上层钢板时所截下的板材直径变大，铆钉腿部所受的侧向力增加，因此CR780T的底切量更大。

剩余厚度的变化趋势与底切量相同，随着上层钢板的强度增加，剩余厚度逐渐增大，可以看到420LA的剩余厚度为340LA的1.62倍，CR780T的剩余厚度为340LA的1.98倍，这同样是因为随着钢板强度增加，铆钉越容易在底层板材中向外部扩张，剩余厚度越大。

接头紧密度是一个容易被忽略的可以表征接头性能的参数，接头越紧密，接头强度越高。接头紧密度可以用铆钉内壁顶部到被铆钉截断的上层板之间的间距表示，见图2。上海交通大学的楼铭等人在引入模钉体积比的概念研究模钉体积比对SPR接头成形性能及其准静态强度的影响时，也讨论了上层板材强度对接头紧密度的影响。

从图2a、图2b和图2d中可知，340LA的接头间距为0.21mm，组合B的接头间距为0.44mm，CR780T的接头间距分别为340LA和420LA的5倍和2.4倍。这是因为上层高强板被铆钉刺穿时，被截下的板料直径远大于铆钉内壁的直径，因此即使铆接完成后，在铆钉内壁顶部与被截下的上层钢板表面之间仍会存在一定的接头间隙，使得接头不紧密。340LA的屈服强度和抗拉强度均低于420LA和CR780T，铆钉刺穿上层板所截下的板料直径小，且上层材料在铆钉内部的流动能力强，故铆钉内壁顶部与被铆钉截断的上层板之间的间距更小，接头紧密度更好。

图2 铆接接头几何形貌

3. 钢板强度对接头力学性能的影响

（1）静失效载荷分析

各组接头拉剪试验的静失效载荷均值如图3所示。CR780T接头的平均静失效载荷为7.522kN，明显大于420LA接头6.135kN和340LA接头5.509kN，分别为后者的122.6%和136.5%，这主要是下层板料相同时，CR780T的屈服强度最高，上板屈服强度越大，接头的静失效载荷表现越大。虽然420LA的屈服强度与CR780T相近，但是CR780较高的抗拉强度使得接头的底切量和剩余厚度大于420LA接头，故CR780T的接头强度更高。

图3 接头平均失效载荷

（2）接头失效模式分析

3组接头的拉伸剪切试样失效模式如图4所示。340LA和420LA接头的失效模式均表现为铆钉从下层板脱出，位于下板内部的机械互锁遭到破坏，铆钉在拉伸剪切过程中被从下板中拉出。由图4a和图4b可以看到，两个接头在上下板铆钉连接区域的损坏程度未表现出明显差异，这是由于两种板材的抗拉强度相近。CR780T接头出现了铆钉从下层板脱出和下层板断裂两种失效模式，这是因为CR780T的抗拉强度较高，铆钉在对其铆接过程中钉脚横向刺穿下层板材严重，导致铆钉钉脚与下层板接触区域的板厚较小，下层板断裂始于该区域。