胡光山，顧時(shí)茂，賀麗麗，張明珠，程 云，張 毅

（1.眾泰汽車工程研究院，杭州 310018；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益加劇，世界各國(guó)對(duì)汽車節(jié)能減排的要求越來(lái)越高。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》要求乘用車的平均能耗由2015 年的6.9 L/100 km 降低至2020 年的5.0 L/100 km，這給各大汽車廠商帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而輕量化是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一[1-2]。輕量化是在兼顧成本與性能的前提下，實(shí)現(xiàn)合適的材料用在合適的部位，充分發(fā)揮不同材料的特性，從而降低整車質(zhì)量[3]。鋼鋁混合車身已經(jīng)成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，凱迪拉克CT6、奧迪Q7、寶馬7 系等均為鋼鋁混合車身，車身輕量化效果顯著[4]。然而鋼鋁材料的性能差異大，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)車身的焊裝，因此，需要新型連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼鋁混合車身的連接[5]。

自沖鉚接（Self-Piercing Riveting，SPR）作為機(jī)械連接技術(shù)，連接過(guò)程沒(méi)有熱量輸入，綠色環(huán)保，且鉚點(diǎn)強(qiáng)度高于焊點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)異種材料的可靠連接，在鋼鋁車身中應(yīng)用廣泛，如凱迪拉克車身有357 個(gè)鉚點(diǎn)，寶馬7 系車身有564 個(gè)鉚點(diǎn)，奧迪Q7 車身鉚點(diǎn)達(dá)到2 855 個(gè)[6-7]。眾泰汽車工程研究院自主設(shè)計(jì)研發(fā)的某款鋼鋁混合車型后地板總成，如圖1 所示，其中，后地板、后地板延伸板、后地板橫梁等均由不同型號(hào)的鋼板沖壓而成，后地板縱梁為鋁合金高壓鑄件，鋼鋁零部件之間采用SPR 連接。本文將對(duì)后地板總成中不同零部件間SPR 連接的可行性和可靠性進(jìn)行研究，為多材料車身設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 某鋼鋁混合車型后地板總成

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的鋼板試片和高壓鑄鋁試片均與相應(yīng)零部件的制備工藝相同，試片長(zhǎng)度為100 mm，寬度為40 mm，不同零部件的材料牌號(hào)及厚度見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。鉚接試驗(yàn)在HENROB 公司生產(chǎn)的自沖鉚接設(shè)備（設(shè)備型號(hào)：RE250032XXBB）上進(jìn)行，其中，用于兩層板材搭接的鉚釘尺寸為3 mm×4 mm（鉚釘腿部外直徑×鉚釘長(zhǎng)度），用于3 層板搭接的鉚釘尺寸為3 mm×6 mm，鉚釘不同鉚接組合及編號(hào)見(jiàn)表1。采用子午線剖面視覺(jué)法檢測(cè)對(duì)鉚點(diǎn)的釘頭高度（k）、殘余底厚（tmin）以及底層互鎖長(zhǎng)度（a）進(jìn)行分析，并分別以最優(yōu)剖面所用的工藝參數(shù)制備相應(yīng)的拉伸-剪切單搭接接頭。釘頭高度（k）影響接頭的平整性和腐蝕性能，殘余底厚（tmin）影響接頭的外觀、密封性能和腐蝕性能，底層互鎖長(zhǎng)度（a）是接頭強(qiáng)度的重要指標(biāo)，a值越大，接頭強(qiáng)度越高。采用TS E45.305 電子萬(wàn)材料牌號(hào) 屈服強(qiáng)度Re/MPa 抗拉強(qiáng)度Rm/MPa 延伸率/%AlSi10Mg 145 206 15.7 DC04 158 294 43.4 HC340/590 369 638 25.5 HC220Y 241 406 36.5能試驗(yàn)機(jī)對(duì)單搭接接頭進(jìn)行拉伸-剪切試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。為了防止拉伸過(guò)程中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，加持部分加入相應(yīng)厚度的墊片。

表1 某車型后地板總成的鉚接組合及編號(hào)

圖2 SPR 接頭子午線剖面特征參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭成型質(zhì)量分析

SPR 的連接原理是鉚釘在外力的作用下，壓入被連接板內(nèi)部發(fā)生塑性變形，鉚釘與底層板材形成機(jī)械互鎖從而實(shí)現(xiàn)連接，因此通過(guò)外觀較難判定鉚接質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，主要通過(guò)檢測(cè)鉚點(diǎn)子午線剖面的釘頭高度（k）、殘余底厚（tmin）以及底層互鎖長(zhǎng)度（其中，左側(cè)互鎖長(zhǎng)度為aL，右側(cè)互鎖長(zhǎng)度為aR）來(lái)判定鉚接質(zhì)量是否符合要求，其中a和tmin對(duì)鉚點(diǎn)強(qiáng)度影響較大[8]。

圖3 和表3 分別為A-H 組接頭的剖面組織以及關(guān)鍵特征值。由圖3 可知，所有接頭的鉚釘腿部未出現(xiàn)明顯的裂紋及不均勻變形等缺陷，鉚釘呈軸對(duì)稱，鉚釘與被鉚接材料之間未出現(xiàn)間隙。所有釘頭高度值k在-0.3 ～0.3 mm 之間，殘余厚度tmin值均大于0.1 mm，底層左右互鎖長(zhǎng)度a值均大于0.1 mm，滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（-0.3 ≤k≤0.3，tmin≥0.1，a≥0.1，mm）。表3 為不同接頭的k、tmin和a值的統(tǒng)計(jì)，由表可知，F(xiàn) 組接頭的a值顯著小于其它組接頭，該組接頭與其它組的區(qū)別在于底層材料不同，即當(dāng)AlSi10Mg 高壓鑄鋁為接頭的底層材料，接頭的tmin和a值較大。這是因?yàn)門(mén)6 態(tài)AlSi10Mg 高壓鑄鋁的抗拉強(qiáng)度為206 MPa，屈服強(qiáng)度為145 MPa，遠(yuǎn)低于HC340/590 高強(qiáng)度鋼，在鉚接過(guò)程中，上層強(qiáng)度較低的AlSi10Mg 使釘腿擴(kuò)張變形較小，底層的HC340/590 高強(qiáng)度鋼使鉚釘腿刺入的阻力增加，從而減小接頭的互鎖長(zhǎng)度。G 組的搭接組合與F 組相反，上層為HC340/590 高強(qiáng)度鋼，下層為AlSi10Mg 高壓鑄鋁，其殘余底厚約為F 組接頭的2 倍，底層互鎖長(zhǎng)度超過(guò)F 組接頭的3 倍。A、B、C、D 和E 組接頭的k、tmin和a值均超過(guò)0.5 mm，遠(yuǎn)大于F 組接頭。H 組為3 層搭接接頭，上兩層板厚為2.2 mm，大于其它接頭上層板厚度，其次，在頂層DC04 鋼板的作用下，中間層的HC340/590 高強(qiáng)度鋼被剪斷部分變形較小，降低底層板的互鎖長(zhǎng)度，增加底層板的殘余厚度。因此，為了降低鉚接風(fēng)險(xiǎn)，提高鉚接質(zhì)量，在多材料車身連接設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先將強(qiáng)度較低、塑性較好、厚度較大的材料作為接頭的底層，應(yīng)減少或避免超過(guò)3 層材料的接頭設(shè)計(jì)。

圖3 不同SPR 接頭的幾何形貌

表3 不同SPR 接頭剖面的關(guān)鍵特征值

2.2 接頭力學(xué)性能分析

汽車車身接頭的剪切強(qiáng)度是評(píng)估車輛可靠性的重要指標(biāo)[9]。圖4 為不同組SPR 接頭的剪切載荷-位移曲線。由圖可知，E 組接頭峰值剪切力的位移超過(guò)14 mm，遠(yuǎn)大于其它組接頭，但E 組接頭的峰值剪切力低于10 kN，顯著小于其它組接頭，這表明E 組接頭的剪切變形方式與其它接頭不同。此外，H 組接頭為3 層板材鉚接組合，其峰值剪切力的位移最小。

圖4 不同組SPR 接頭的剪切載荷-位移曲線

對(duì)于自沖鉚接頭，峰值載荷時(shí)鉚點(diǎn)所吸收能量的多少對(duì)于車輛發(fā)生碰撞時(shí)維持車身剛度、保護(hù)乘員具有非常重要的影響[10]。圖5 為不同組SPR 接頭峰值剪切力以及對(duì)應(yīng)的能量吸收值。其中，E 組接頭的峰值剪切力最小，為9 kN，C 組接頭的峰值剪切力最大，為21.5 kN，但是E 組接頭的能量吸收值為73 J，大于C 組接頭的68.5 J。此外，對(duì)于3 層板材組合的H 組接頭，其峰值剪切力高達(dá)19.1 kN，能量吸收值僅為21.2 J。以上表明，對(duì)于SPR 接頭，峰值剪切力與能量吸收之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，被鉚接材料的強(qiáng)度、底層互鎖長(zhǎng)度等都對(duì)能量吸收產(chǎn)生影響。AlSi10Mg 高壓鑄鋁為底層材料的接頭具有較優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖5 不同組SPR 接頭的拉伸-剪切峰值載荷和能量吸收值

2.3 接頭失效模式分析

自沖鉚接頭的失效模式主要包括鉚釘腿與下板分離、鉚釘頭與上板分離、被鉚接材料斷裂以及鉚釘斷裂等幾類，其中鉚釘斷裂屬于無(wú)效連接，不滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖6 為不同組SPR 接頭的拉伸-剪切失效模式，所有接頭的失效模式均未出現(xiàn)鉚釘斷裂，因此都是有效鉚點(diǎn)。由圖可知，A 組與B 組接頭的失效模式為上層板與釘頭分離，C、D、F、G 和H組接頭的失效模式為鉚釘腿與下板分離，E 組接頭的失效模式為上層板斷裂。對(duì)于A 組和B 組接頭，在拉伸過(guò)程中，上板鉚接點(diǎn)承載的作用力超過(guò)板材的抗拉強(qiáng)度，上層板材發(fā)生變形撕裂，導(dǎo)致板材從鉚釘頭部分離。對(duì)于E 組接頭，峰值拉力為9 kN，上板DC04 的尺寸為100 mm×40 mm×0.7 mm，在峰值拉力作用下，上板最小的抗拉強(qiáng)度為9/（40×0.7）×1 000 MPa=321 MPa，明顯大于DC04 的抗拉強(qiáng)度，因此，接頭的失效模式為上層板斷裂。此外，由于DC04 具有優(yōu)良的塑性，在拉伸過(guò)程中，接頭的位移明顯大于其它接頭，接頭的能量吸收值明顯增加，達(dá)到73 J。對(duì)于A、C 和G 組接頭，其底層板材均為3.0 mm 厚的AlSi10Mg 高壓鑄鋁，上層板材為HC340/590超高強(qiáng)度鋼，厚度分別為1.0 mm、1.2 mm 和1.5 mm，對(duì)于簡(jiǎn)單的截面承受應(yīng)力變形，假定其它條件不變，以材料發(fā)生塑性變形為失效模式，則材料承載的極限載荷σ與板材厚度t之間存在如下關(guān)系[11]：

式中：C 為常數(shù)。因此，隨著上層板材厚度的增加，其承載的極限載荷降低，則板材抵抗變形的能力增加，接頭的失效模式由釘頭與上板分離變?yōu)獒斖扰c下板分離。

圖6 不同組SPR 接頭的拉伸-剪切失效模式

綜合上述分析，所有鋼鋁混合搭接接頭的子午線剖面特征、拉伸-剪切性能均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于鋼鋁混合車型后地板總成的焊裝，采用SPR 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同零部件之間的可靠連接。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)鋼鋁混合自沖鉚接頭的子午線剖面分析，接頭的釘頭高度（k）、殘余底厚（tmin）以及底層互鎖長(zhǎng)度（a）均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)AlSi10Mg 高壓鑄鋁作為接頭的底層材料，接頭的tmin和a值較大，當(dāng)HC340/590DP 為底層材料，接頭的tmin和a值較小。AlSi10Mg+ HC340/590DP 接頭的tmin和a值最小，tmin為0.7 mm，a為0.31 mm。

（2）接頭的峰值剪切力、被鉚接材料的強(qiáng)度、底層互鎖值和失效模式均對(duì)接頭的能量吸收產(chǎn)生影響。DC04+AlSi10Mg 接頭的峰值剪切力最小，僅為9 kN，能量吸收為73 J；HC340/590DP+AlSi10Mg 接頭的剪切載荷最大，達(dá)到21.5 kN，能量吸收為68.5 J。

（3）不同的搭接組合接頭具有不同的失效模式，HC340/590DP+AlSi10Mg 和HC220Y+ AlSi10Mg 接頭的失效模式為鉚釘與上板分離，DC04+AlSi10Mg接頭的失效模式為上層板材斷裂，其它接頭的失效模式均為鉚釘腿與下板分離。

（4）采用SPR 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼鋁混合車身后地板不同零部件的可靠連接。