钢铝无钉铆接技术的工艺参数及静力学性能研究

鲍立曾忠信卓长龙

（泛亚汽车技术中心有限公司）

1 前言

随着《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030)年》政策的发布，汽车轻量化已成必然趋势。车身轻质铝合金和先进高强度钢等材料通过合理的应用和分布，可实现车身结构更安全的同时，又平衡了全铝车身的生产成本以及日后的维修成本，是最有效的汽车轻量化手段。

无钉铆接和自冲铆接（Self-Piercing Riveting,SPR）是可实现钢铝异种金属连接的有效方式，尤其是无钉铆接，无需外加铆钉，连接点质量无增加，连接综合成本比SPR 低，是更精益的轻量化连接工艺，但在国内尚处于工艺与试验研究阶段，还未大量应用在车身结构[1-4]。本研究通过不同料厚的钢铝料片组合对无钉铆接技术进行工艺参数及静力学性能对比研究，为实现车身结构应用无钉铆接技术提供材料选择和连接设计参考。

2 工艺过程

无钉铆接是一种冲压机械连接工艺，利用两层或多层钣金的局部塑形变形，完成拉深、挤压复合加工的工艺过程，在挤压接头处形成一个互锁咬边的圆形或矩形连接点，使其具有一定的抗拉强度和抗剪强度，连接工艺过程见图1，工艺过程主要有预紧、咬合、冲挤、保压和退模。无钉铆接可用于有涂胶、有涂层、粘结剂有密封要求的同种或异种板料间的连接。

图1 无钉铆接技术工艺过程

无钉铆接在成形过程中存在加工硬化，提高了材料的屈服强度，提高了铆接接头承载能力，无钉铆接接头剖视图形貌参数见图2，主要参数有上层板料颈部厚度S1，上下板料互锁深度C1，连接点处上下板料底部厚度之和（底厚）ST。

图2 无钉铆接接头剖视图形貌参数

3 工艺参数及静力学性能

无钉铆接连接的工艺参数研究主要采用田口方法和正交试验，评估接头剖视图颈部厚度、互锁深度等形貌参数，确定铆接方向及最优工艺参数组合；静力学性能研究主要通过不同钢铝料片组合的静载荷破坏试验，对比无钉铆接连接与SPR连接的力学性能，同时分析材料等级、铆接方向、材料料厚对无钉铆接连接力学性能的影响。

3.1 试验材料和方法

试验材料选取牌号为5000 系铝合金，料厚选用车身结构常用的1.0 mm 和1.4 mm；钢板选用牌号为CR3、CR340，厚度为0.7 mm、0.8 mm、1 mm 和1.3 mm；板材性能见表1。

表1 板材性能

无钉铆接接头通过静载荷破坏试验测定接头抗剪和抗拉强度。因为单搭接头是车身结构中常见的接头形式，试样规格见图3，剪切试样尺寸85 mm×35 mm，搭接量为30 mm；十字拉伸试样尺寸为120 mm×35 mm，定位孔直径10 mm。铆接试样在万能试验机CMT4304 上进行静载荷破坏试验，整个试验过程控制速度为10 mm/min。

图3 试样规格

无钉铆接接头剖视图是试样接头经过线切割加工获得，并对其进行镶嵌、抛光打磨、腐蚀处理，在光学显微镜下观察获取剖视图相应形貌参数数据。

3.2 工艺参数选择

3.2.1 无钉铆接铆接方向确定

为了确定铆接方向，选取CR3 钢板和5000 系铝合金，分别选取不同料厚和铆接方向，评估无钉铆接接头剖视图形貌参数，其中互锁深度值作为评判铆接质量的重要依据。

从上表2可以得知，针对钢铝无钉铆接连接，同等料厚不同铆接方向均可以形成较好的互锁，互锁状态对于材料敏感度不大；不同料厚，铆接方向从薄到厚时，互锁深度明显下降。因此，料厚是无钉铆接连接互锁的主要影响因素，无钉铆接连接方向首选从厚板到薄板。

表2 无钉铆接铆接方向组合

3.2.2 无钉铆接铆接工艺参数确定

无钉铆接模具工艺参数影响铆接互锁深度和铆接质量，为了获取最优工艺参数，采用田口方法对模具进行选型[5]，如图4所示，试样料片组合选取0.8 mm 的CR3 钢板和1.4 mm 的5000 系铝板。

图4 田口响应参数

控制因子分别选取冲头直径，凹模深度和底厚值，每个控制因子3 水平，见表3。

表3 控制因子水平

互锁深度作为响应结果，噪音因子为润滑剂，症状为接头突起或板料出现裂纹。运用正交列表工具进行优化，建立望大特性正交实验L9。

正交试验组合及试验结果见表4。

表4 正交试验组合

从表4可以看出，试验5 的互锁深度最大，从而确定无钉铆接最优工艺参数为冲头直径5.5 mm，凹模深度1.2 mm，底厚值为0.8 mm。

3.3 力学性能对比

由于行业内尚未有判断钢铝连接接头的力学性能的合适标准，鉴于SPR 已经在钢铝混合车身结构中广泛应用，因此以SPR 接头的力学性能为基准来判断无钉铆接接头的力学性能。在相同料厚和材料种类的条件下，设计了试样级别的接头剪切和十字拉伸静载荷破坏试验，测量无钉铆接和SPR 2 种连接方式的抗剪和抗拉失效载荷。

试验试样钢板牌号为CR3，料厚为0.8 mm；铝合金牌号为5000 系，料厚为1.4 mm。2 种连接方式分别选取最优铆接方向，其中无钉铆接为由厚到薄，SPR 为由薄到厚，由硬到软。每组试验有5个样本，每组试样拉伸、剪切载荷破坏的载荷-位移曲线及失效模式如图5～图8所示。

3.3.1 剪切静载荷破坏试验分析

从图5和图6可知，在剪切载荷状态下，无钉铆接连接失效模式为上层板颈部断裂，最大失效载荷为1 620 N，失效平均位移0.46 mm；SPR 连接失效模式为上层板撕裂，最大失效载荷为2 364 N，失效平均位移4.95 mm。