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【关键词】SPR;自冲铆接;钢铝接头;“十”字拉伸强度;剪切强度;自锁量
【中图分类号】TG938 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）07-0037-03
0 引言
以铝代钢是车身轻量化发展的趋势，但铝合金焊接存在局部应力集中、金属变脆、微裂纹、热变形等缺陷，传统车身点焊难以直接移植到铝合金零件的连接，因此铝合金薄板的连接问题一直是制约其大批量应用的重要因素。汽车行业铝车身的连接技术一般采用自冲铆接（SPR）、流钻螺钉（FDS）、无铆铆接（TOX）、胶接、磁脉冲焊接等，其中SPR具有连接强度高、速度快、无污染、无预冲孔、成本低的优点，被大量应用于“奥迪”A8、“宝马”5系、“特斯拉”Model S&X、“蔚来”ES8、“奇瑞”蚂蚁eQ5等铝合金车身的连接。
目前，SPR研究主要集中在成型过程和仿真技术方面。例如，文献[1]以铝合金AA6111-T4和高强钢HSLA340的SPR连接为研究对象，建立了考虑铆钉穿刺、机械回弹、冷却回弹的铆接仿真方法。文献[2]研究了两层AA5052铝合金SPR接头铆接材料变形和应力应变分布情况，给出了成型过程中的危险部位。文献[3]通过试验研究了不同铆接压力对接头成型的影响。文献[4]研究不同长度铆钉，不同厚度板材对高强钢与A5052铝合金SPR接头质量和“十”字拉伸强度的影响。实际上，不同材料会对接头的连接强度产生影响，车身开发过程中不仅要考虑成型工艺控制，还要考虑连接强度是否满足整车耐久、碰撞要求，并确定是否需要更换材料，而不同的材料对SPR接头强度性能的影响研究鲜见报道。
本文以两层钢铝SPR接头为研究对象，上层板采用不同钢板材料，通过试验获得上层板料厚度和抗拉强度对SPR自锁量、“十”字拉伸强度、剪切强度的影响。
1 试验方案
仅考虑两层板的SPR连接（如图1所示）。上层采用冲压钢板，各方案冲压钢板的牌号、厚度、实测抗拉强度见表1，下层采用6061铝合金板，T6热处理。钢板化学成分见“宝钢”标准《冷成形用低碳软钢》（BQB408—2014）、《结构钢》（BQB410—2014）、《冷轧普通高强钢》（BQB419—2014）、《冷轧先进高强钢》（BQB418—2014），6061铝板化学成分和力学性能见表1、表2。
试验包含常用的软钢、高强钢，但并未考虑更高强度的DP钢（例如HC420/780DP、HC650/980DP）、马氏体钢（例如HC700/980MS）、热成型钢（例如HC950/1300HS）等，原因如下：一是这些材料在车身上使用相对较少，二是这些材料难以用SPR铆接，这是SPR铆接技术的局限，由于上层钢板强度太高，硬度太大，所以SPR铆接过程中会产生铆钉镦粗甚至铆钉无法穿透上层板的问题，导致鉚接失效。关于超高强钢的SPR铆接问题，行业内业也有一些解决方案，但尚未成熟，未在量产车型上应用，因此本研究不予考虑。
铆接选用Epress公司的φ5.3 mm×6.0 mm铆钉和1018.300.D18型号凹模（如图1所示），同时采用Epress铆接设备进行连接，铆接压力为220 bar。制作“十”字拉伸和剪切两种试件（如图2所示），试件数量见表3。一般来说，铆接工艺中最重要的是铆钉规格和凹模这两个要素，行业内铆钉的直径一般只有3 mm和5 mm两种规格，3 mm铆钉用在薄板及连接强度不高的场合，5 mm铆钉则相反，铆钉长度根据具体连接材料的情况，并在企业规定系列中选择，本研究试片总厚度较大，因此选用直径为5 mm的铆钉，铆钉长度按母材总厚度加2 mm原则进行初选，并在铆钉长度系列中选择最接近理论长度的值，本研究选择6 mm长度的铆钉。凹模对接头成型有重要影响，一般来说，紧固件供应商会对凹模进行系列化，减少凹模种类，适应车身批量生产方便管理的需求，本研究采用1018.300.D18凹模，通过试验结果可以看到，铆接后母材没有开裂，铆钉获得了足够的自锁量，说明选择此型号的凹模是恰当的。
铆接完成后，各方案取1个剪切试件，沿纵向切割，获得试件的横截面，测量自锁量，试验典型横截面和自锁量如图3所示。取剩余5个“十”字拉伸试件、5个剪切试件分别进行“十”字拉伸强度测试和剪切强度测试，测试速度为2 mm/min，获得试验过程的力-位移曲线（如图4所示），曲线峰值即“十”字拉伸强度或剪切强度，取5个试件的平均值作为每个方案的“十”字拉伸强度、剪切强度。
2 试验结果
2.1 自锁量
自锁量结果见表4，采用一次方程拟合，可得自锁量与上层板厚度、抗拉强度的关系：
z=0.586 7-0.042 73x+0.000 428 4y
上式中，x为上层板厚度，y为上层板抗拉强度，z为SPR接头自锁量。
因此，自锁量与上层板料厚成反比，与抗拉强度成正比。分析成型过程和接头横截面可知，上层板抗拉强度越大，材料的硬度也越大，铆钉穿刺上层板时遇到的阻力也越大，铆钉腿向母材穿透越难，相对的就倾向于向外张开变形，因此自锁量越大。同时，上层板厚度越大，铆钉腿穿出上层板的长度就越短，因此自锁量越小。 2.2 “十”字拉伸强度
“十”字拉伸强度和失效模式见表5和图5，采用一次方程拟合，可得接头“十”字拉伸强度与上层板厚度、抗拉强度的关系：
Fs=-1 609+3 944x+2.067y
上式中，Fs为“十”字拉伸强度。
从失效模式看，5个方案均为上层板拉脱失效。可见，上层板是接头的薄弱点，主要原因是上层板厚度远小于下层板厚度，上层板更容易变形，导致上层板从铆钉中脱出。从拟合出的公式可以看出，“十”字拉伸强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比，提高上层板的母材厚度、强度，可提高接头的拉伸性能，这也与上层板是接头薄弱点的结论一致。
2.3 剪切强度
剪切强度结果见表6和图6，采用一次方程拟合，可得接头剪切强度与上层板厚度、抗拉强度的关系：
Ft=-2 279+3 829x+6.749y
上式中，Ft为剪切强度。
从失效模式看，方案1到方案3均为上层板撕裂，说明上层板是接头薄弱点，受载后，上层板发生屈服并破坏，方案5为下层板拉脱，说明下层板是接头薄弱点，受载后下层板与铆钉自锁失效，导致下层板被拉脱，而方案4则为临界状态，即上层材料强度足以抵抗屈服，而不发生撕裂失效，同时铆钉与上层板、下层板的自锁强度非常接近，受载后自锁同时失效，铆钉从母材中脱出。从拟合出的公式可以看出，剪切强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比，即提高上层板的强度、厚度，能提高接头的剪切强度。我们注意到虽然方案4、方案5的上层板并不是接头的最薄弱点，但是增加上层板的厚度、强度仍可以提高接头强度，笔者认为增强上层板，可以提高接头的整体刚性，抑制接头的变形，进而抑制自锁失效。
3 结论
本文对两层钢铝SPR接头强度进行试驗研究，获得上层板材料对SPR自锁量、“十”字拉伸强度、剪切强度的影响，具体为自锁量与上层板的料厚成反比，与抗拉强度成正比;“十”字拉伸强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比;剪切强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比。
参 考 文 献
[1]黄理.自冲铆接头成型仿真、疲劳失效与寿命预测方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.
[2]自冲铆连接机理及力学性能研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.
[3]E Atzeni，R Ippolito，L Settineri.Experimental a-
nd numerical appraisal of self-piercing riveting[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2009，58（1）：17-20.
[4]Y Abe，T Kato，K Mori.Self-piercing riveting of high tensile strength steel and aluminum alloy sheets using conventional rivet and die[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（8）：3914-3922.
【中图分类号】TG938 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）07-0037-03
0 引言
以铝代钢是车身轻量化发展的趋势，但铝合金焊接存在局部应力集中、金属变脆、微裂纹、热变形等缺陷，传统车身点焊难以直接移植到铝合金零件的连接，因此铝合金薄板的连接问题一直是制约其大批量应用的重要因素。汽车行业铝车身的连接技术一般采用自冲铆接（SPR）、流钻螺钉（FDS）、无铆铆接（TOX）、胶接、磁脉冲焊接等，其中SPR具有连接强度高、速度快、无污染、无预冲孔、成本低的优点，被大量应用于“奥迪”A8、“宝马”5系、“特斯拉”Model S&X、“蔚来”ES8、“奇瑞”蚂蚁eQ5等铝合金车身的连接。
目前，SPR研究主要集中在成型过程和仿真技术方面。例如，文献[1]以铝合金AA6111-T4和高强钢HSLA340的SPR连接为研究对象，建立了考虑铆钉穿刺、机械回弹、冷却回弹的铆接仿真方法。文献[2]研究了两层AA5052铝合金SPR接头铆接材料变形和应力应变分布情况，给出了成型过程中的危险部位。文献[3]通过试验研究了不同铆接压力对接头成型的影响。文献[4]研究不同长度铆钉，不同厚度板材对高强钢与A5052铝合金SPR接头质量和“十”字拉伸强度的影响。实际上，不同材料会对接头的连接强度产生影响，车身开发过程中不仅要考虑成型工艺控制，还要考虑连接强度是否满足整车耐久、碰撞要求，并确定是否需要更换材料，而不同的材料对SPR接头强度性能的影响研究鲜见报道。
本文以两层钢铝SPR接头为研究对象，上层板采用不同钢板材料，通过试验获得上层板料厚度和抗拉强度对SPR自锁量、“十”字拉伸强度、剪切强度的影响。
1 试验方案
仅考虑两层板的SPR连接（如图1所示）。上层采用冲压钢板，各方案冲压钢板的牌号、厚度、实测抗拉强度见表1，下层采用6061铝合金板，T6热处理。钢板化学成分见“宝钢”标准《冷成形用低碳软钢》（BQB408—2014）、《结构钢》（BQB410—2014）、《冷轧普通高强钢》（BQB419—2014）、《冷轧先进高强钢》（BQB418—2014），6061铝板化学成分和力学性能见表1、表2。
试验包含常用的软钢、高强钢，但并未考虑更高强度的DP钢（例如HC420/780DP、HC650/980DP）、马氏体钢（例如HC700/980MS）、热成型钢（例如HC950/1300HS）等，原因如下：一是这些材料在车身上使用相对较少，二是这些材料难以用SPR铆接，这是SPR铆接技术的局限，由于上层钢板强度太高，硬度太大，所以SPR铆接过程中会产生铆钉镦粗甚至铆钉无法穿透上层板的问题，导致鉚接失效。关于超高强钢的SPR铆接问题，行业内业也有一些解决方案，但尚未成熟，未在量产车型上应用，因此本研究不予考虑。
铆接选用Epress公司的φ5.3 mm×6.0 mm铆钉和1018.300.D18型号凹模（如图1所示），同时采用Epress铆接设备进行连接，铆接压力为220 bar。制作“十”字拉伸和剪切两种试件（如图2所示），试件数量见表3。一般来说，铆接工艺中最重要的是铆钉规格和凹模这两个要素，行业内铆钉的直径一般只有3 mm和5 mm两种规格，3 mm铆钉用在薄板及连接强度不高的场合，5 mm铆钉则相反，铆钉长度根据具体连接材料的情况，并在企业规定系列中选择，本研究试片总厚度较大，因此选用直径为5 mm的铆钉，铆钉长度按母材总厚度加2 mm原则进行初选，并在铆钉长度系列中选择最接近理论长度的值，本研究选择6 mm长度的铆钉。凹模对接头成型有重要影响，一般来说，紧固件供应商会对凹模进行系列化，减少凹模种类，适应车身批量生产方便管理的需求，本研究采用1018.300.D18凹模，通过试验结果可以看到，铆接后母材没有开裂，铆钉获得了足够的自锁量，说明选择此型号的凹模是恰当的。
铆接完成后，各方案取1个剪切试件，沿纵向切割，获得试件的横截面，测量自锁量，试验典型横截面和自锁量如图3所示。取剩余5个“十”字拉伸试件、5个剪切试件分别进行“十”字拉伸强度测试和剪切强度测试，测试速度为2 mm/min，获得试验过程的力-位移曲线（如图4所示），曲线峰值即“十”字拉伸强度或剪切强度，取5个试件的平均值作为每个方案的“十”字拉伸强度、剪切强度。
2 试验结果
2.1 自锁量
自锁量结果见表4，采用一次方程拟合，可得自锁量与上层板厚度、抗拉强度的关系：
z=0.586 7-0.042 73x+0.000 428 4y
上式中，x为上层板厚度，y为上层板抗拉强度，z为SPR接头自锁量。
因此，自锁量与上层板料厚成反比，与抗拉强度成正比。分析成型过程和接头横截面可知，上层板抗拉强度越大，材料的硬度也越大，铆钉穿刺上层板时遇到的阻力也越大，铆钉腿向母材穿透越难，相对的就倾向于向外张开变形，因此自锁量越大。同时，上层板厚度越大，铆钉腿穿出上层板的长度就越短，因此自锁量越小。 2.2 “十”字拉伸强度
“十”字拉伸强度和失效模式见表5和图5，采用一次方程拟合，可得接头“十”字拉伸强度与上层板厚度、抗拉强度的关系：
Fs=-1 609+3 944x+2.067y
上式中，Fs为“十”字拉伸强度。
从失效模式看，5个方案均为上层板拉脱失效。可见，上层板是接头的薄弱点，主要原因是上层板厚度远小于下层板厚度，上层板更容易变形，导致上层板从铆钉中脱出。从拟合出的公式可以看出，“十”字拉伸强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比，提高上层板的母材厚度、强度，可提高接头的拉伸性能，这也与上层板是接头薄弱点的结论一致。
2.3 剪切强度
剪切强度结果见表6和图6，采用一次方程拟合，可得接头剪切强度与上层板厚度、抗拉强度的关系：
Ft=-2 279+3 829x+6.749y
上式中，Ft为剪切强度。
从失效模式看，方案1到方案3均为上层板撕裂，说明上层板是接头薄弱点，受载后，上层板发生屈服并破坏，方案5为下层板拉脱，说明下层板是接头薄弱点，受载后下层板与铆钉自锁失效，导致下层板被拉脱，而方案4则为临界状态，即上层材料强度足以抵抗屈服，而不发生撕裂失效，同时铆钉与上层板、下层板的自锁强度非常接近，受载后自锁同时失效，铆钉从母材中脱出。从拟合出的公式可以看出，剪切强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比，即提高上层板的强度、厚度，能提高接头的剪切强度。我们注意到虽然方案4、方案5的上层板并不是接头的最薄弱点，但是增加上层板的厚度、强度仍可以提高接头强度，笔者认为增强上层板，可以提高接头的整体刚性，抑制接头的变形，进而抑制自锁失效。
3 结论
本文对两层钢铝SPR接头强度进行试驗研究，获得上层板材料对SPR自锁量、“十”字拉伸强度、剪切强度的影响，具体为自锁量与上层板的料厚成反比，与抗拉强度成正比;“十”字拉伸强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比;剪切强度与上层板的料厚、抗拉强度成正比。
参 考 文 献
[1]黄理.自冲铆接头成型仿真、疲劳失效与寿命预测方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2016.
[2]自冲铆连接机理及力学性能研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.
[3]E Atzeni，R Ippolito，L Settineri.Experimental a-
nd numerical appraisal of self-piercing riveting[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2009，58（1）：17-20.
[4]Y Abe，T Kato，K Mori.Self-piercing riveting of high tensile strength steel and aluminum alloy sheets using conventional rivet and die[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209（8）：3914-3922.