摘 "要：以厚度為1 mm的DC04鋼板和2 mm的AA6061-T6鋁合金為鉚接對象，通過有限元模擬、靜力學(xué)測試、金相、掃描電鏡、硬度測試等方法研究了3種凹模對鋼/鋁自沖鉚接接頭力學(xué)性能和組織性能的影響。結(jié)果表明： 3種凹模鉚接試樣的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變發(fā)生的位置大致相同；凸臺凹模鉚接試樣的頭部高度、最小底部厚度、內(nèi)鎖值分別為0.18 mm、0.59 mm、1.09 mm，與模擬準(zhǔn)確度一致；3種凹模由拉伸試驗測得的最大載荷力分別為2.89 kN、3.14 kN、3.37 kN，凸臺凹模鉚接試樣擁有更高的強度和承載能力；凹模鉚接接頭宏觀失效形式為上基板撕裂失效，凸臺凹模接頭處的硬度值略高于母材本身的硬度，在鉚釘管腳處更加明顯。

關(guān)鍵詞：自沖鉚接；數(shù)值模擬；靜力學(xué)試驗；硬度測試

中圖分類號：TH131 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-5483（2024）02-0029-05

Effect of Die on Forming and Microstructure of

Steel/Aluminum Self-piercing Riveting

Qin Yu， Li Bing， Xie Haodong

（School of Materials Science amp; Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract： The DC04 steel plate with a thickness of 1 mm and the AA6061-T6 aluminum alloy with a thickness of 2 mm were used as riveting objects. The effects of three types of die on the mechanical properties and microstructure of steel/aluminum self-piercing riveting joints were studied by means of finite element simulation， statics test， metallographic phase， scanning electron microscopy， and hardness test. The experimental results show that the positions of equivalent stress and equivalent plastic strain of the three types of die riveting samples are roughly the same. The head height， minimum bottom thickness， and internal locking value of boss die riveting sample are 0.18 mm， 0.59 mm， and 1.09 mm， respectively， highly consistent with the simulation accuracy. The maximum load force of the three types of die measured by tensile test is 2.89 kN， 3.14 kN， and 3.37 kN， respectively. The boss die riveting sample has higher strength and load carrying capacity. The macroscopic failure mode of the die riveting joint is the tearing failure of the upper substrate. The hardness value of boss die joints is slightly higher than that of the base metal itself， and it is more obvious at the rivet pin.

Key words： self-piercing riveting; numerical simulation; statics test; hardness test

鋁合金材料因其強度高、高低溫性能及抗腐蝕性強等特點，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。由于異種材料、非金屬材料等難焊接，而自沖鉚接技術(shù)因其可連接同種、異種或者多層板材［4］，同時具有性能優(yōu)異、綠色高效的特點，在連接技術(shù)中廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者做了一系列相關(guān)研究，Zhan peng D等［5］研究得出板材流動應(yīng)力比為0.27～1.84、板材厚度為0.77～1.78 mm時SPR的接頭性能和成形質(zhì)量較好。Jiang H等［6］研究了鉚釘結(jié)構(gòu)對E-SPR接頭的截面質(zhì)量和力學(xué)性能影響。劉佳沐等［7］探究了泡沫銅夾層對單搭自沖鉚接頭力學(xué)性能的影響，得出泡沫銅夾層優(yōu)化成形質(zhì)量，0.5 mm泡沫銅夾層能防止接頭瞬間失效。劉洋［8］等研究了不同泡沫金屬對自沖鉚接接頭成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)泡沫金屬夾層的自沖鉚接頭的靜力學(xué)性能得到提升。郭子鑫等［9］以2A12和6061異種材料的自沖鉚接為研究對象，進行了靜力學(xué)性能測試和斷口失效微觀分析。YunWu M等［10］研究了鉚釘硬度、長度和寬度以及鉚釘和下模的體積比對鋁合金AA6061-T6和軟鋼CR4自沖鉚接相關(guān)性能的影響，發(fā)現(xiàn)軟鉚釘和大體積比能改善鉚接質(zhì)量、減少鉚接強度。目前鮮有針對DC04鋼和6061鋁合金自沖鉚接的研究。文中通過研究不同凹模形狀對鉚接的最大沖壓力、成形質(zhì)量和硬度的影響，并以試驗驗證模擬的準(zhǔn)確性，通過靜態(tài)拉伸試驗來進行力學(xué)性能測試，分析宏觀失效形式及微觀機理。

1 SPR數(shù)值模擬

試驗時選用平底凹模鉚接試樣（A1）、平臺凹模鉚接試樣（A2）、凸臺凹模鉚接試樣（A3）3種不同形狀的凹模鉚接試樣進行數(shù)值分析。由于自沖鉚接模型是對稱的，采用二維軸對稱模型來提高仿真的計算速度和精度［11］，借助SolidWorks建立自沖鉚接的幾何模型，并導(dǎo)入 Simufact Forming軟件。設(shè)置鉚接模型的鉚釘和上下板為塑性體，凹模、沖頭和壓邊圈為剛體，其中鉚釘長度為5 mm、鉚釘和上下板的網(wǎng)格單元尺寸為0.1 mm，軟件中選擇網(wǎng)格重劃分功能來優(yōu)化模擬過程中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。模型中各組件的接觸類型為一般接觸，摩擦類型為庫倫-剪切摩擦，其摩擦系數(shù)都為0.1。采用液壓機作為動力源，沖頭速度為20 mm·s?1。當(dāng)鉚釘上表面與上板表面平齊時或者是到達設(shè)定的鉚接行程時，鉚接過程結(jié)束。

凹模形狀是影響自沖鉚接接頭成形的關(guān)鍵因素，圖1所示為不同組合的等效應(yīng)力圖和等效塑形應(yīng)變圖。從圖1可以看出：鉚釘應(yīng)力集中在鉚釘脛管中上端，上基板應(yīng)力集中在鉚釘頭部與上基板的接觸部位以及上板被鉚釘切下來的部位，下基板應(yīng)力主要集中在鉚釘管腳與下基板相接觸區(qū)域以及凹模中間凸臺與下基板接觸部位；等效應(yīng)變主要集中在鉚釘與基板所發(fā)生接觸部位，這是因為在鉚接過程中，鉚釘鉚入基板后，鉚釘頭部緊扣上基板，鉚釘尾部擴張緊扣下基板，鉚釘和凹模的共同作用下，下板發(fā)生嚴(yán)重塑性拉伸變形，凹模將材料和鉚釘擠壓在一起形成了機械結(jié)構(gòu)內(nèi)鎖。

2 試驗部分

2.1 母材

試驗采用的DC04鋼尺寸為110.0 mm×30.0 mm×1.0 mm、AA6061鋁合金板尺寸為110.0 mm×30.0 mm×2.0 mm，鉚釘長度為5 mm，板材的性能參數(shù)見表1。制備不同凹模形狀的鉚接試樣為靜態(tài)拉伸試樣，采用鋼板在上鋁板在下的搭接方式（圖2），搭接尺寸為30.0 mm×30.0 mm，鉚接點中心到基板長、短邊的距離均為15.0 mm。

2.2 試驗方案

采用ＲV300023型液壓機進行DC04鋼/AA6061鋁合金鉚接，鉚接設(shè)備如圖3a所示，設(shè)置行程為13.0 mm、下壓速度為5 mm·min?1、壓邊力為4000 N。將鉚接完成的鉚接件沿鉚釘中心子午線剖切，采用體視顯微鏡對剖面進行放大并拍照，用測量軟件對剖面進行尺寸測量，平底凹模、平臺凹模、凸臺凹模的尺寸如圖4所示。根據(jù)鉚接接頭截面的幾何參數(shù)評價自沖鉚接接頭的成形質(zhì)量，然后在維氏硬度設(shè)備上測試鉚接接頭截面的硬度。采用CMT5205型拉伸試驗機對鉚接完成的鉚接件進行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗，拉伸設(shè)備如圖3b所示，速度設(shè)定為2.0 mm·min?1，其他設(shè)定和金屬靜力學(xué)拉伸試驗保持一致，得到試樣的最大靜載荷和失效位移。

3 接頭成形分析

3.1 自沖鉚接過程分析

自沖鉚接試驗過程總共分為4個階段：第一階段，壓邊圈、沖頭、鉚釘、模具對齊壓緊；第二階段，在鉚釘腿刺入上基板過程中，載荷快速增加，加載力變大；第三階段，鉚釘腿刺入下基板時鉚釘角開始向四周擴張，載荷緩慢上升；第四階段，鉚釘腿完全徑向擴張，載荷急劇增加，最終達到最大載荷力，形成機械互鎖。沖頭形成的載荷-位移曲線如圖5所示，可以看出試驗與仿真過程對應(yīng)，驗證了仿真的準(zhǔn)確性。

3.2 成形質(zhì)量分析

鉚接接頭如圖6所示，內(nèi)鎖值u和最小底部厚度s大于等于0.2 mm、釘頭高度h取-0.3～0.3 mm。不同凹模鉚接試樣的截面如圖7所示。從圖7可以看出，鉚接接頭截面完好、左右對稱，但是A1試樣在成形過程中鉚釘出現(xiàn)明顯的墩粗現(xiàn)象，貼合度和成形完好性較差，可見不同形狀的凹模對鉚接成形有很大的影響。

由表2中SPR接頭截面幾何尺寸參數(shù)可知凸臺凹模的成形優(yōu)于平頂凹模，A1、A2、A3組接頭釘頭高度相差不大，但A2和A3鉚釘向外擴張變形較好，其接頭內(nèi)鎖值和最小底部厚度明顯優(yōu)于A1，因此機械內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)更好，接頭強度更高。對比仿真與試驗截面圖可知，在相同的條件下，自沖鉚接試驗結(jié)果與仿真結(jié)果差異較小，處于允許范圍內(nèi)，有效驗證了仿真結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

3.3 靜態(tài)拉伸分析

對3組試樣進行靜態(tài)拉伸試驗，拉伸數(shù)據(jù)如表3所示，載荷-位移曲線如圖8所示。圖8中的試樣載荷-位移曲線總體呈先快速上升后逐漸下降的趨勢，且變化趨勢基本接近。在載荷達到3370 N之前，曲線急速上升，這反映了材料在受到外力作用時首先經(jīng)歷的彈性變形過程。當(dāng)載荷達到峰值后，曲線開始下降，這標(biāo)志著材料開始進入塑性變形階段，，載荷和位移的變化速率起初保持一致，隨后出現(xiàn)明顯不同，上板前端向上翹曲，同時鉚釘頭與板材連接處的鉚釘頭邊緣對板材產(chǎn)生撕拉作用。A1和A3鉚接接頭的載荷在位移2.0 mm處達到峰值，而A2試樣在位移約2.5 mm處達到峰值。這些峰值載荷反映了試樣在拉伸過程中的最大承載能力。在載荷達到約2700 N時，曲線出現(xiàn)了小范圍的驟降。這是由于在某個時刻，試樣中的鉚釘從上板中瞬間脫落，導(dǎo)致試樣的承載能力突然降低。從表3可知，A1和A2的最大失效位移相差不大，A3的最大失效位移最小，A1和A2的最大靜載荷低于A3，說明凸臺凹模的鉚接接頭強度和力學(xué)性能更優(yōu)秀。原因是凸臺凹模結(jié)構(gòu)增加了垂直載荷阻力同時減弱了橫向載荷阻力，增大了鉚接接頭內(nèi)鎖值，提高了接頭整體強度。能量吸收值是衡量接頭吸收能量和緩沖吸振能力的重要指標(biāo)。通過MATLAB計算得到A1、A2、A3接頭的能力吸收值分別為45.1 J、46.8 J、48 J，A2組接頭與A3組接頭較A1組接頭分別提高4%和6%。

3.4 失效形式與機理分析

為了確保接頭更加安全可靠，對接頭的失效形式進行分析，找出接頭失效的根本原因，優(yōu)化失效過程，提出避免接頭失效的方法［12］。圖9為3種鉚接接頭宏觀失效形式。由圖9a可知，A1、A2和A3的接頭宏觀失效模式差異不大，都為上板材料在鉚接位置發(fā)生撕裂失效，導(dǎo)致鉚釘與上板分離。此過程中，鉚釘幾乎未從下板中拔出，其頭部端面清晰可見受拉痕跡，但鉚釘本身絲毫未動，這主要是因為鉚接接頭內(nèi)鎖強度大于上下基板強度，接頭從強度較弱的上板處發(fā)生撕裂，而內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)本身并未完全破壞。觀察圖9b中每組試樣拉伸后上板的彎曲程度可知，A3的上板彎曲程度明顯大于A2和A1，且A2大于A1。主要原因是鉚釘緊扣上基板，在拉伸過程中鉚釘發(fā)生傾斜，受到拉伸載荷和鉚釘與上基板間鎖緊力的綜合作用，上板發(fā)生翹曲變形。彎曲程度出現(xiàn)差異的主要原因是3種鉚接接頭的內(nèi)鎖值大小不同，A3的內(nèi)鎖值高，因此其抗拉強度更好，彎曲程度更大。

圖10為鉚接接頭撕裂損傷區(qū)域的SEM圖。圖10a和圖10b為上基板與鉚釘連接位置撕裂處邊緣SEM形貌，可以看出鋼板撕裂處有明顯的剮蹭痕跡，鉚接接頭承受了較大的失效抵抗力。圖10c為鋼板與鉚釘管部連接處的SEM形貌，可以看出鋼板撕裂處微觀組織出現(xiàn)大小不一的撕裂韌窩形貌，這些韌窩分布均勻，底部有明顯的空洞，大韌窩中有小且淺的韌窩，說明此處為鉚接接頭受拉載荷產(chǎn)生的應(yīng)力最大的區(qū)域。

3.5 硬度分析

對不同模具進行硬度測試，測試部位見圖11，測試時按照參考線從測試部位的起點到終點。

鉚接接頭位置硬度變化趨勢見圖12。從圖12可知，A1、A2、A3的位置1計算所得平均維氏硬度分別為400.03 HV、398.74 HV、403.26 HV，測量中出現(xiàn)的最高值為448.90 HV、最低值為362.3 HV；A1、A2、A3的位置2計算所得的平均維氏硬度分別為186.26 HV、183.21 HV、192.49 HV，測量中出現(xiàn)的最高值為220.30 HV、最低值為167.30 HV；A1、A2、A3位置3計算所得的平均維氏硬度分別為125.77 HV、131.28 HV、133.49 HV，測量中出現(xiàn)的最高值為155.30 HV、最低值為114.60 HV。分析可知A1、A2、A3的3個位置的平均維氏硬度值差異不大，在硬度上具有一定的相似性，不同部位的材料硬度存在差異，也呈現(xiàn)了材料在不同位置硬度的梯度變化，表明其抵抗表面形成印痕的能力相近。在每個部位的測量中，都出現(xiàn)了最高值和最低值，表明即使在相同部位，由于材料的不均勻性、晶界和亞晶界的影響，硬度值也存在較大的波動。A3組在下基板變形部位的硬度值略高于A1和A2組，這可能是由于A3組在鉚接過程中產(chǎn)生了更大的塑性變形，導(dǎo)致其硬度明顯增加，進一步證實了塑性變形對材料硬度的影響。

4 結(jié)論

綜合數(shù)值模擬、成形質(zhì)量分析、靜拉伸試驗和硬度測試的結(jié)果，不同凹模的接頭成形質(zhì)量和力學(xué)性能有所區(qū)別。A3組鉚接件在等效應(yīng)力和等效應(yīng)變集中部位表現(xiàn)出與A1和A2組相似的趨勢，但其等效應(yīng)力的最大值顯著較低，表明其具有更優(yōu)的力學(xué)性能。此外，A3組的成形質(zhì)量、接頭強度以及接頭截面的幾何尺寸參數(shù)均優(yōu)于其他2組，且在靜拉伸試驗中展現(xiàn)了更高的最大力和能量吸收值，以及更佳的延展性和韌性。硬度測試進一步證實了A3組在材料硬度和塑性變形方面的優(yōu)越性。

參考文獻：

［1］ "劉洋，何曉聰，鄧聰，等. 鈦合金異質(zhì)自沖鉚接頭力學(xué)性能及失效機理分析［J］. 實驗力學(xué)，2018（1）：119-126.

［2］ "鄧云飛，李兵，張鵬，等. 6061鋁合金高溫拉伸性能的研究［J］. 熱加工工藝，2023，52（13）：24-27.

［3］ "鄧云飛，李兵，張鵬，等. 時效處理對6061-T6鋁合金板組織和力學(xué)性能的影響［J］. 熱加工工藝，2023，52（10）：134-137.

［4］ "杜愛民，陳垚伊，韓業(yè)揚. 三層板自沖鉚接各層厚度組合對鉚接質(zhì)量的影響［J］. 機械，2022，49（4）：1-6.

［5］ "Du Z P，Duan L B，Jing L J，et al. Numerical Simulation and Parametric Study on Self-piercing Riveting Process of Aluminium-Steel Hybrid Sheets［J］. Thin-Walled Structures，2021，164：107872.

［6］ "Jiang H，Gao S，Li G Y，et al. Structural Design of Half Hollow Rivet for Electromagnetic Self-piercing Riveting Process of Dissimilar Materials［J］. Materials amp; Design，2019，183：108141.

［7］ "劉佳沐，何曉聰，劉洋，等. 泡沫銅夾層對單搭自沖鉚接頭力學(xué)性能的影響［J］. 塑性工程學(xué)報，2018，25（4）：199-205.

［8］ "劉洋，何曉聰，趙得鎖，等. 鋁合金泡沫金屬夾層板自沖鉚接頭力學(xué)性能研究［J］. 實驗力學(xué)，2018，33（3）：461-468.

［9］ "郭子鑫，趙倫，郭媛媛，等. 航空鋁合金薄板自沖鉚接頭靜力學(xué)性能的研究［J］.熱加工工藝，2024，53（9）：39-44.

［10］ "Ma Y W，Lou M，Li Y B，et al. Effect of Rivet and Die on Self-piercing Rivetability of AA6061-T6 and Mild Steel CR4 of Different Gauges［J］. Journal of Materials Processing Technology，2018，251：282-294.

［11］ "周琦. 基于數(shù)值模擬的鋁合金板料自沖鉚接成形［J］. 鍛壓技術(shù)，2019，44（7）：47-51.

［12］ "郭子鑫，趙倫，郭媛媛，等. TA1/5A06同質(zhì)自沖鉚接頭的力學(xué)性能［J］. 鍛壓技術(shù)，2022，47（12）：135-141.