王維，丁華，馮波，張杰

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315000)

0 引言

目前車身輕量化已成為節(jié)能減排的重要手段。隨著汽車總量不斷增加，節(jié)能減排性能正在逐漸成為世界汽車制造商保持競爭力的重要指標(biāo)。研究表明，車身輕量化對降低汽車油耗、減少尾氣排放有顯著作用，是近年來汽車制造技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一[1]。

鋼鐵行業(yè)的發(fā)展為汽車工業(yè)的不斷創(chuàng)新提供了強(qiáng)勁的材料后盾，但隨著世界各國對節(jié)能減排的要求越來越迫切，汽車行業(yè)迎來了輕質(zhì)鋁合金逐步替代全鋼鐵車身的大趨勢。汽車每減重10%，油耗可降低6%～80%[2]。隨著鋁質(zhì)材料被引進(jìn)汽車制造行業(yè)，制造連接技術(shù)也隨之發(fā)生了轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的高效、廉價、性能優(yōu)越的電阻點(diǎn)焊已不能完全滿足鋼鋁混合車身的連接應(yīng)用。隨著越來越多的鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)件在制造業(yè)中的應(yīng)用, 鋁與鋼的連接成了人們所關(guān)心的問題[3]。FDS(Flow Drill Screw)連接技術(shù)以及SPR(Self-piercing Rivet)等適用于鋼鋁等不同材質(zhì)的冷連接技術(shù)廣泛應(yīng)用于白車身制造行業(yè)。相應(yīng)地，傳統(tǒng)連接技術(shù)如電阻點(diǎn)焊、結(jié)構(gòu)膠接技術(shù)與這些新的連接技術(shù)的融合使用成為車身制造的一個重點(diǎn)研究領(lǐng)域。周江齊等[4]在其研究中指出，膠鉚復(fù)合有利于結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮抗剪強(qiáng)度高的優(yōu)勢，使連接接頭抗剪性能提高到純自沖鉚接(Self-Piercing Rivet，SPR)接頭的2倍以上。但對于FDS連接技術(shù)，國內(nèi)研究較少。本文作者基于FDS連接技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)對比的方法，以1.2 mm厚的HC420/DP780雙相鋼與3 mm厚的6082鋁合金板連接為例，進(jìn)行兩層及三層鉚接實(shí)驗(yàn)，研究增加結(jié)構(gòu)膠與無結(jié)構(gòu)膠情況下FDS接頭的抗剪切性能差異，為后續(xù)車身制造及設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料和方案

1.1 FDS設(shè)備

研究采用的是德國Deprag公司生產(chǎn)的ADFS自適應(yīng)緊固系統(tǒng)設(shè)備。主要組成部分有主機(jī)、電氣柜、擰緊單元、通信及動力電纜、送釘機(jī)構(gòu)，如圖1所示。圖2是此次實(shí)驗(yàn)用的集成好機(jī)械手臂的FDS鉚接設(shè)備，實(shí)驗(yàn)條件與量產(chǎn)生產(chǎn)線上一致。

FDS技術(shù)是以伺服電機(jī)通過高速旋轉(zhuǎn)，帶動螺釘自行在鋁板或是鋼板上經(jīng)過定位、鉆孔、攻絲、擰緊、落座等步驟自動完成鋼板及鋁板連接的一種自攻絲旋轉(zhuǎn)鉚接技術(shù)。此實(shí)驗(yàn)研究中采用的螺釘是由德國Arnold制造的M5×22外蘑菇頭螺釘，如圖3所示，它也是汽車制造行業(yè)廣泛應(yīng)用的一種釘子。

圖2 機(jī)器人鉚接工作站實(shí)驗(yàn)臺

圖3 FDS實(shí)驗(yàn)釘子(旋轉(zhuǎn)鉆螺釘)M5×22

1.2 實(shí)驗(yàn)FDS接頭板材及結(jié)構(gòu)膠

實(shí)驗(yàn)中，采用1.2 mm厚的150 mm×40 mm的DP780高強(qiáng)鋼板，以及相同尺寸的3 mm厚的6082鋁合金板，具體實(shí)驗(yàn)搭接尺寸如圖4所示。

圖4 試片幾何尺寸

目前主流的車身FDS連接工藝主要采用鋼板預(yù)開孔，將螺釘擰緊至鋁板的連接方式。 故此次實(shí)驗(yàn)接頭的板材條件模擬實(shí)際連接特點(diǎn)，針對二層板1.2 mm DP780高強(qiáng)鋼板+3 mm 6082鋁合金板搭接，鋼板開孔φ7 mm;針對三層板1.2 mm DP780高強(qiáng)鋼板+1.2 mm DP780高強(qiáng)鋼板+3 mm 6082鋁合金板搭接，與鋁板搭接的第一層鋼板開孔φ10 mm，最上層鋼板開孔φ7 mm。板材的力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料主要力學(xué)性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所使用的結(jié)構(gòu)膠為Sika Power-496，技術(shù)參數(shù)如表2所示，膠接的烘烤條件為175 ℃、20 min。

表2 結(jié)構(gòu)膠的技術(shù)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)研究主要進(jìn)行兩層板和三層板的純FDS釘連接、純結(jié)構(gòu)膠連接、釘加膠復(fù)合連接測試。具體實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)方案

因FDS連接是一種螺釘擰緊連接，需要考慮到扭矩衰減，故FDS連接后，放置12 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。關(guān)鍵連接參數(shù)主要為最終擰緊力矩，兩層板最終擰緊力矩為10.5 N·m；三層板最終擰緊力矩為11 N·m。每種連接各選5—7組進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸測試條件：拉伸速度為12 mm/min,金屬室溫拉伸。

2 拉伸結(jié)果對比及分析

因拉伸試驗(yàn)機(jī)設(shè)置的原因，文中每種組合試驗(yàn)的拉伸曲線最多顯示5條。

2.1 兩層板純結(jié)構(gòu)膠鉚接拉伸測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖5所示，最大拉伸力均值為28 129 N，失效類型為鋁板斷裂。

圖5 兩層板純結(jié)構(gòu)膠的拉伸結(jié)果

2.2 兩層板無膠FDS鉚接拉伸測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖6所示，最大拉伸力均值為8 921 N，失效形式為鋁板拉脫及鉚釘斷裂兩種。

圖6 兩層板無膠FDS連接的拉伸結(jié)果

2.3 兩層板加膠FDS鉚接拉伸測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖7所示，最大拉伸力均值為26 787 N，失效形式為鋁板拉脫及結(jié)構(gòu)膠撕開及鉚釘斷裂。

圖7 兩層板加膠FDS連接的拉伸結(jié)果

2.4 三層板純FDS鉚接拉伸測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖8所示，最大拉伸力在9 234 N左右，失效形式為鉚釘斷裂。

圖8 三層板無膠FDS連接的拉伸結(jié)果

2.5 三層板加結(jié)構(gòu)膠的FDS鉚接拉伸測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖9所示，最大拉伸力均值為25 928 N左右，失效形式為結(jié)構(gòu)膠先失效鋁板鉚釘斷裂和結(jié)構(gòu)膠未破壞、鉚釘斷裂兩類。

圖9 三層板加結(jié)構(gòu)膠FDS鉚接測試

最大拉伸力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)如表4所示。

表4 最大拉伸力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1)純FDS連接抗剪切強(qiáng)度低于增加結(jié)構(gòu)膠的FDS連接；鋼板材料相同的兩層板帶預(yù)開孔的FDS連接抗剪切強(qiáng)度與三層板FDS連接抗剪切強(qiáng)度相差不大。

(2)增加結(jié)構(gòu)膠使用會提高FDS接頭的抗剪切強(qiáng)度，同種搭接抗剪切強(qiáng)度會提高到無結(jié)構(gòu)膠狀態(tài)的3倍左右。