王健強(qiáng)，顧延鞏，高 朗,楊 棟

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,合肥 230009；2.上海蔚來(lái)汽車有限公司,上海 201805)

0 引言

汽車輕量化的趨勢(shì)下，鋁合金薄板材料被廣泛應(yīng)用于車身制造。目前，越來(lái)越多的汽車公司應(yīng)用鋼鋁混合車身，使用鋁合金材料以及高強(qiáng)度的鋼件薄板替代傳統(tǒng)鋼件和組件，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化和高強(qiáng)度[1-2]。然而，鋼鋁接頭由于電位差較大，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[3]。在鋼鋁接頭中引入結(jié)構(gòu)膠，既能有效阻隔異質(zhì)板材直接接觸，又能獲得更好的連接強(qiáng)度。

在車身連接工藝中，對(duì)于鈑金與型材等空腔封閉結(jié)構(gòu)，由于空間限制，自沖鉚接、電阻點(diǎn)焊等常用雙邊連接工藝不能達(dá)到連接目的。目前車身連接廣泛應(yīng)用的單邊連接工藝是熱融自攻絲工藝(Flow Drill Screw簡(jiǎn)稱FDS)。FDS是一種較為新型的連接工藝，依靠下壓高速旋轉(zhuǎn)的螺釘，刺穿板件，形成自攻絲螺紋的螺紋連接工藝，具有連接板材多樣、螺釘可拆卸等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)上汽通用、蔚來(lái)等多家汽車制造商已應(yīng)用該工藝。

Miller等[4]研究了不同材料FDS連接后的材料組織變化。Szlosarek等[5]研究了碳纖維與鋁板通過(guò)FDS連接后的接頭力學(xué)性能。S?nstab?等[6]對(duì)FDS接頭進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試并建立仿真模型。國(guó)內(nèi)對(duì)FDS的研究處于起步階段，趙一鳴等[7]對(duì)SPR、FDS和IW接頭力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比。洪意飛等[8]對(duì)FDS連接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，林巨廣[9]等研究了FDS工藝參數(shù)對(duì)接頭質(zhì)量的影響。

然而，結(jié)構(gòu)膠引入FDS對(duì)接頭的影響還未見(jiàn)相關(guān)研究。因此本文擬以DC56D+Z軟鋼和6082-T6鋁合金為研究對(duì)象，研究結(jié)構(gòu)膠對(duì)FDS工藝成型過(guò)程，接頭晶相幾何特征及連接質(zhì)量的影響規(guī)律，為FDS工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

1.1 FDS設(shè)備

本研究采用Deprag公司的FDS連接設(shè)備，其基本配置包括鉆體、送釘系統(tǒng)、控制器、顯示器和緊固螺釘，見(jiàn)圖1。該設(shè)備有獨(dú)立的電動(dòng)伺服擰緊系統(tǒng)和壓力進(jìn)給系統(tǒng)，擁有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)反饋連接質(zhì)量，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，最大扭矩15N·m，進(jìn)給壓力最高3500N。

設(shè)備所用的緊固螺釘由Arnold公司提供，見(jiàn)圖1b，它由5個(gè)部分組成：螺釘頭部、凹槽、緊固螺紋、攻絲螺紋和螺釘尖部。螺釘頭部設(shè)計(jì)較為寬厚，可承受較大的下壓力和扭矩。尖部涂有專用涂層，硬度高耐高溫，保證螺釘在工藝過(guò)程中不產(chǎn)生變形。本試驗(yàn)選用的螺釘型號(hào)為M5x22。

(a) FDS連接設(shè)備 (b) FDS緊固螺釘 圖1 FDS連接設(shè)備及緊固螺釘

1.2 試驗(yàn)用膠、板件和工藝參數(shù)

試驗(yàn)所用結(jié)構(gòu)膠為漢高1840C汽車結(jié)構(gòu)膠，搭接上層板為DC56D+Z，下層板為6082-T6，板件力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)板件的力學(xué)性能

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)膠涂膠均勻連續(xù)且直徑保持在3mm，熱融自攻絲工藝完成后，將試片放置180℃保溫箱中，保溫30min固化。試驗(yàn)所用烘箱型號(hào)為DGH-9030A。

在FDS工藝試驗(yàn)過(guò)程中，主要考慮軸向下壓力、螺釘轉(zhuǎn)速和擰緊扭矩這三個(gè)工藝因素對(duì)接頭質(zhì)量的影響。通過(guò)工藝試驗(yàn)確定了試驗(yàn)板材最佳工藝參數(shù)為：軸向下壓力：1100N；螺釘轉(zhuǎn)速：6500rpm；擰緊扭矩：11N.m。

1.3 接頭晶相檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

FDS接頭連接質(zhì)量主要通過(guò)外觀檢查、晶相檢測(cè)和力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)價(jià)其連接質(zhì)量。本文主要通過(guò)晶相檢測(cè)和強(qiáng)度檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)接頭連接質(zhì)量，見(jiàn)圖2，晶相檢測(cè)主要測(cè)量板間間隙S和螺紋深度D。

圖2 FDS接頭晶相檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

板間間隙指接頭上層板和下層板的間隙。一般情況下，汽車制造商會(huì)依據(jù)板材規(guī)定上限，間隙過(guò)大不僅影響美觀，也會(huì)影響接頭抗腐蝕性能和力學(xué)性能。螺紋深度指板件下層板被攻絲形成的螺紋深度，影響接頭的應(yīng)力分布情況，螺紋越深，應(yīng)力分布越均勻，表現(xiàn)出的力學(xué)性能也就更好。測(cè)量螺牙深度時(shí)，只測(cè)量下層板件的前三個(gè)螺紋深度。

1.4 剪切強(qiáng)度測(cè)試

本文的剪切試驗(yàn)在中路昌WDW-50M設(shè)備上進(jìn)行，設(shè)備最大拉力50kN，拉伸速度均為5mm/min。拉伸試樣見(jiàn)圖3，試樣規(guī)格為40mm×100mm，夾持部分長(zhǎng)度為40mm(圖中涂色部分)，重合部分長(zhǎng)度是40mm。在制作接頭前，先用酒精擦拭板件表面，去除油污。為了對(duì)比結(jié)構(gòu)膠加入FDS對(duì)其影響，本文對(duì)FDS(純FDS接頭)、AB(純膠接接頭)、FDS-A(FDS和結(jié)構(gòu)膠的混合接頭)三種接頭進(jìn)行對(duì)比研究。

圖3 剪切強(qiáng)度測(cè)試試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 結(jié)構(gòu)膠對(duì)FDS過(guò)程中扭矩和下壓力影響

FDS加入結(jié)構(gòu)膠使得板間間隙變大，改變了上層板和下層板、螺釘和下層板件的摩擦因數(shù)，對(duì)連接過(guò)程中的扭矩及下壓力曲線產(chǎn)生一定的影響，并最終影響接頭的連接質(zhì)量。在使用Deprag連接設(shè)備制作接頭的過(guò)程中，其監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄下壓力-時(shí)間和扭矩-時(shí)間的變化曲線，如圖4所示,可以看出如下特征：

(1)與傳統(tǒng)FDS工藝一樣，引入結(jié)構(gòu)膠后，工藝成型過(guò)程中下壓力和扭矩隨時(shí)間變化曲線分為5個(gè)階段，見(jiàn)圖5，即定位階段，孔成型階段，螺紋成型階段，攻入階段，夾緊階段(圖中以FDS曲線進(jìn)行階段劃分)。

(2)在定位階段，螺釘與設(shè)備嚙合，壓板下壓，夾緊板件。板件間結(jié)構(gòu)膠阻礙了壓板下壓，延長(zhǎng)了夾緊時(shí)間，使得整個(gè)過(guò)程滯后了約200ms。

(3)孔成型階段下壓力有所減小。高轉(zhuǎn)速螺釘下壓板件進(jìn)行鉆孔，結(jié)構(gòu)膠被進(jìn)一步擠壓，朝四周流動(dòng)，緩沖掉部分壓力。螺釘刺穿板件時(shí)，結(jié)構(gòu)膠發(fā)揮潤(rùn)滑作用，降低螺釘與下層板之間的摩擦，降低下壓力和扭矩。

(4)螺紋成型階段，攻絲螺紋開(kāi)始進(jìn)入下層板，粘附的結(jié)構(gòu)膠繼續(xù)發(fā)揮潤(rùn)滑作用，降低扭矩。

(5)攻入階段和夾緊階段，螺釘與板件緊密連接，已再無(wú)空間發(fā)揮結(jié)構(gòu)膠的緩沖潤(rùn)滑作用，這兩個(gè)階段的曲線差異不大。

圖4 FDS過(guò)程壓力-時(shí)間和扭矩-時(shí)間變化曲線

圖5 FDS工藝過(guò)程

2.2 結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭幾何質(zhì)量的影響

為研究結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭幾何質(zhì)量的影響，試驗(yàn)分別制作1組FDS和混合接頭晶相，如圖6所示，并測(cè)量接頭的板間間隙和有效螺牙深度，結(jié)果見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)混合接頭的板間間隙明顯大于FDS接頭，螺紋深度相差不大。

結(jié)合圖6中力矩、下壓力的變化曲線，總結(jié)出結(jié)構(gòu)膠對(duì)FDS接頭幾何質(zhì)量的影響規(guī)律：

(1)在定位階段，下壓力較低，無(wú)法完全消除結(jié)構(gòu)膠帶來(lái)的間隙增大。進(jìn)入孔成型階段，下壓力較大，此時(shí)高轉(zhuǎn)速的螺釘使上層板發(fā)生塑形變形，形成穿刺批鋒填充到連接點(diǎn)四周的板間間隙中，使得板件間隙很難再被減小，導(dǎo)致混合搭接接頭的板件間隙大于FDS。

(2)進(jìn)入螺紋成型階段，攻絲螺紋進(jìn)入下層板，板材隨螺釘擠壓變形，在孔內(nèi)壁重新分布形成螺紋，形成的螺紋深度主要與材料屬性有關(guān)，因此混合搭接和FDS接頭螺牙深度均值相差不大，并且由于螺紋嚙合的關(guān)系，此階段以后的板間間隙不會(huì)再發(fā)生變化。

(a) FDS接頭晶相 (b) FDS-A接頭晶相 圖6 接頭晶相

表2 接頭幾何質(zhì)量測(cè)量結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響

剪切強(qiáng)度是檢驗(yàn)接頭準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的重要參考指標(biāo)，反映接頭抗剪性能。制作三種接頭，測(cè)其剪切力-位移曲線和強(qiáng)度，分別見(jiàn)圖7和圖8，結(jié)果顯示混合接頭和純膠接頭剪切強(qiáng)度相近，均比FDS接頭強(qiáng)度高。呈現(xiàn)以下特征：

(1)純膠接頭在拉伸初期急劇上升，處在彈性變形階段，塑形變形的屈服階段不明顯，屈服之后有一段緩慢下降階段，然后曲線突然急劇下降。接頭失效模式為內(nèi)聚破壞。觀察失效過(guò)程，接頭最先發(fā)生失效的是搭接末端粘接劑的內(nèi)聚破壞，因此判斷搭接末端產(chǎn)生了應(yīng)力集中。加之固化后的結(jié)構(gòu)膠剛度較大，一旦達(dá)到接頭最大剪切強(qiáng)度，搭接膠層開(kāi)始從一端斷裂，迅速蔓延至另一端，觀察到的過(guò)程也與圖7中純膠接頭拉伸力-位移曲線相符。

(2)FDS接頭接頭的失效過(guò)程，是螺釘從下層板中被拉出的過(guò)程，該過(guò)程中螺釘與上、下板件的摩擦力及上、下板之間的摩擦力均起到了延長(zhǎng)變形位移的作用。拉伸過(guò)程中，上、下板件螺紋孔朝一端變形，直至螺紋附近板件完全剪切斷裂。拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出良好的靜態(tài)承載能力和失效變形能力使FDS接頭具有良好的吸能特性。

(3)混合接頭剪切強(qiáng)度是FDS的1.62倍?；旌辖宇^失效模式分為兩段：失效過(guò)程前半段表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)膠的內(nèi)聚破壞，此時(shí)剪切力峰值與純膠接近；后半段表現(xiàn)為螺釘周圍下層板撕裂，失效曲線與FDS相近。這說(shuō)明在結(jié)構(gòu)膠內(nèi)聚破壞之前，結(jié)構(gòu)膠承受了絕大部分載荷，內(nèi)聚破壞之后，螺釘連接才開(kāi)始承受載荷，混合連接接頭剪切峰值性能完全取決于結(jié)構(gòu)膠。

圖7 FDS、FDS-A、AB接頭剪切力-位移曲線

圖8 FDS、FDS-A、AB接頭剪切強(qiáng)度對(duì)比

3 結(jié)論

本文研究了結(jié)構(gòu)膠引入鋼鋁混合FDS接頭對(duì)過(guò)程曲線及成型過(guò)程的影響，分析結(jié)構(gòu)膠對(duì)接頭幾何參數(shù)的及準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)膠在FDS工藝過(guò)程中可發(fā)揮良好的緩沖潤(rùn)滑作用，降低工藝過(guò)程中的扭矩和下壓力。尤其在孔成型階段和螺紋成型階段，結(jié)構(gòu)膠降低上層板和下層板、螺釘和下層板之間的摩擦因數(shù)，有效降低兩階段中的峰值扭矩和峰值壓力。

(2)結(jié)構(gòu)膠增大了FDS接頭的板間間隙。在定位階段，初始下壓力較小，不足以大幅減小板間間隙，使較大的板間間隙保存至孔成型階段。接頭上層板在穿刺時(shí)形成的披鋒填充至板間間隙，以及螺紋嚙合的關(guān)系，使板間間隙再也無(wú)法減小。

(3)同F(xiàn)DS接頭相比，混合接頭擁有良好的抗剪性能和吸能特性，剪切強(qiáng)度提升了62.6%?；旌辖宇^在剪切拉伸過(guò)程中，結(jié)構(gòu)膠先承受載荷，在結(jié)構(gòu)膠失效后，接頭仍能繼續(xù)承受載荷。