高劍峰，黃忠水，張 浩，胡青平

(北京奔馳汽車有限公司,北京 100176)

0 引言

在以鋼材為主的車身結(jié)構(gòu)中，電阻點(diǎn)焊是最重要的連接技術(shù)之一。一個(gè)完整的車身結(jié)構(gòu)所包含的焊點(diǎn)數(shù)量通?？梢赃_(dá)到4 000～6 000個(gè)[1]。根據(jù)功能及作用大小，車身焊點(diǎn)大致可分為關(guān)鍵焊點(diǎn)、普通焊點(diǎn)和工藝焊點(diǎn)：關(guān)鍵焊點(diǎn)通常處于主要載荷的傳遞路徑上，是影響車輛性能(如碰撞安全、結(jié)構(gòu)耐久等)的主要因素之一[2-4]，焊點(diǎn)質(zhì)量不良會(huì)引起較高的性能損失風(fēng)險(xiǎn)；普通焊點(diǎn)主要起連接作用，對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響較小，承受的載荷也較小，強(qiáng)度余量較高；工藝焊點(diǎn)則主要用于保證制造可行，強(qiáng)度要求較低。

在車型開發(fā)前期的樣車試制或小批量生產(chǎn)驗(yàn)證過(guò)程中，焊點(diǎn)漏焊或焊點(diǎn)質(zhì)量不良是人工操作工位上最常見的問(wèn)題類型之一。特別是發(fā)生在關(guān)鍵位置的點(diǎn)焊缺陷，可能對(duì)碰撞、耐久性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，需要盡量按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修復(fù)。在焊點(diǎn)修復(fù)的方法中，二次點(diǎn)焊是最好的處理方法，修復(fù)后的連接區(qū)域性能差別很小[5]，但適用場(chǎng)景有限，只能在具有足夠操作空間的情況下進(jìn)行；當(dāng)焊點(diǎn)缺陷發(fā)現(xiàn)于車身總成甚至成車之后，則可能不再具備點(diǎn)焊操作可行性，只能在以盡量貼近設(shè)計(jì)狀態(tài)和設(shè)計(jì)要求的原則下，以塞焊、抽芯拉鉚等連接方式作為補(bǔ)償措施。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車身點(diǎn)焊接頭的性能表現(xiàn)進(jìn)行了許多研究。有通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析的，例如黃志超等對(duì)比了電阻點(diǎn)焊、自沖鉚接與無(wú)鉚釘鉚接的強(qiáng)度[6]；王華鋒等研究了膠接接頭、膠焊接頭與點(diǎn)焊接頭的剪切拉伸疲勞行為[7]；宇慧平等對(duì)雙相鋼的點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了拉剪試驗(yàn)，討論了高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[8]；高劍峰等對(duì)車身焊點(diǎn)及其修復(fù)替代接頭的剪切拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析[9]；也有許多通過(guò)有限元仿真方法進(jìn)行對(duì)比分析的，如蔣小晴、高書娜等討論了不同目標(biāo)工況下點(diǎn)焊接頭建模方式的仿真結(jié)果差異[10-11]；陳更等對(duì)比研究了膠焊接頭、點(diǎn)焊接頭和膠接接頭在高速、低速碰撞工況下的剛度表現(xiàn)[12]；季鈺榮等在碰撞仿真中添加焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則，提升了仿真模型的準(zhǔn)確度[13]等。此外，隨著結(jié)構(gòu)膠在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)膠所展開的性能研究也不少，如國(guó)外的Silva L.F.M.、Darwish S.M.H., Biswajit Tripathy以及國(guó)內(nèi)的李永兵、周江奇等學(xué)者就對(duì)結(jié)構(gòu)膠在車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞耐久性能方面的作用進(jìn)行了大量的對(duì)比討論[14-19]?？紤]到結(jié)構(gòu)膠在連接強(qiáng)度方面的功能，如果將其與抽芯鉚接組合為膠鉚連接，與現(xiàn)有方式(MIG塞焊或抽芯鉚接)相比可能是車身焊點(diǎn)修復(fù)的更好方案。但這方面的對(duì)比研究及論述尚未見到。

基于以上論述，本研究以雙相鋼CR440Y780T與低合金高強(qiáng)鋼CR340LA為基材，以實(shí)際生產(chǎn)中常用的多鼓型抽芯鉚釘、結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘、環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)膠Betamate 1630及聚氨酯結(jié)構(gòu)膠Teroson PU6700為變量，通過(guò)對(duì)比不同試驗(yàn)組合在剪切拉伸試驗(yàn)下的表現(xiàn)，為車身焊點(diǎn)的修復(fù)方案提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案與試樣準(zhǔn)備

1.1 點(diǎn)焊接頭的受力分析

由于焊點(diǎn)承受拉應(yīng)力載荷時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，點(diǎn)焊接頭抗拉能力明顯低于抗剪能力，因此車身設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)盡量利用焊點(diǎn)的抗剪能力來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷傳遞。

拉剪試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于接頭機(jī)械性能測(cè)試，是評(píng)價(jià)接頭靜態(tài)強(qiáng)度的主要方法之一[20-21]，本研究使用拉剪試驗(yàn)對(duì)比不同連接方式的車身接頭的強(qiáng)度表現(xiàn)。在拉剪工況下，點(diǎn)焊接頭主要承受剪切應(yīng)力，此外還有一部分由于載荷偏心引起的附加拉應(yīng)力，如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)區(qū)域的剪切應(yīng)力分布

1.2 試驗(yàn)方案

以某車型在前期樣車試制中曾經(jīng)發(fā)生的焊點(diǎn)漏焊問(wèn)題為例，漏焊焊點(diǎn)所連接的零件分別為B柱加強(qiáng)板(材料為雙相鋼CR340Y780T，厚度1.6 mm)及安全帶固定支架(材料為低合金高強(qiáng)鋼CR340LA，厚度1.2 mm)。

以上案例中的鋼材同時(shí)也廣泛應(yīng)用在車身的其他關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)上，是車身材料中超高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋼的典型代表，因此本研究以這兩種鋼材的連接作為試驗(yàn)對(duì)比分析的研究對(duì)象。再以生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用的多鼓型抽芯鉚釘、結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘、膠Betamate1630、膠PU6700為變量，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)組：

第1組：點(diǎn)焊連接；

第2組：多鼓型抽芯鉚釘連接；

第3組：多鼓型抽芯鉚釘+Betamate 1630連接；

第4組：多鼓型抽芯鉚釘+Teroson PU6700連接；

第5組：結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘連接；

第6組：結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘+Betamate 1630連接；

第7組：結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘+Teroson PU6700連接。

對(duì)以上7組樣件進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)準(zhǔn)備：

基材選擇，如前所述選擇厚度為1.6 mm的雙相鋼CR440Y780T(屈服強(qiáng)度440 MPa，抗拉強(qiáng)度780 MPa)及1.2 mm的低合金鋼CR340LA(屈服強(qiáng)度340 MPa，抗拉強(qiáng)度410 MPa)為拉伸試樣基材；試樣尺寸，寬度選擇參考焊點(diǎn)設(shè)計(jì)要求(焊點(diǎn)間隔30 mm)，長(zhǎng)度選擇根據(jù)試驗(yàn)機(jī)需要，確定單件試樣尺寸為150 mm×30 mm，兩片試樣的搭接長(zhǎng)度參考實(shí)際車身設(shè)計(jì)狀態(tài)，確定為30 mm，如圖2所示。

圖2 拉剪試驗(yàn)樣件示意圖

此外，為了保證拉伸試驗(yàn)過(guò)程中焊接/鉚接中心點(diǎn)和力的作用線在同一直線上，需在試樣兩端附上墊片。增加墊片后兩端厚度均為2.8 mm(1.6 mm+1.2 mm)，如圖2所示。

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Zwick Roell Z250(見圖3)進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)速率：屈服及屈服前0.000 25/s，屈服后0.006 7/s。

圖3 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)Zwick Roell Z250

1.3 試樣制備

點(diǎn)焊樣件：焊接電流7 700 A，電極壓力3.1 kN，焊接時(shí)間380 ms。在圖2中連接點(diǎn)標(biāo)記處進(jìn)行焊接，焊核直徑5.4 mm。

抽芯鉚接樣件：多鼓型鉚釘如圖4所示，本體直徑6.5 mm，芯軸直徑4.25 mm，夾緊范圍2.0～4.5 mm；結(jié)構(gòu)型鉚釘如圖5所示，本體直徑6.5 mm，芯軸直徑4 mm，夾緊范圍2.0～5.0 mm。鉚接之前，在圖2中連接點(diǎn)標(biāo)記處開孔，孔徑為6.7 mm。鉆孔后，第2、5組試樣直接用對(duì)應(yīng)鉚釘連接，第3，4，6，7組試樣用涂膠后的對(duì)應(yīng)鉚釘(涂膠區(qū)域如圖6所示)連接。鉚接后，鉚釘頭部帶環(huán)氧樹脂基結(jié)構(gòu)膠Betamate 1630的試驗(yàn)件(即第3組及第6組)還需要在烤箱內(nèi)以180 ℃烘烤30 min，使膠完全固化。鉚接組試樣的開孔直徑、涂膠區(qū)域等各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)車應(yīng)用時(shí)保持一致。

圖4 多鼓型鉚釘(單位:mm)

圖5 結(jié)構(gòu)型鉚釘(單位:mm)

圖6 釘頭涂膠區(qū)域

每組試驗(yàn)各制備3件試樣，如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 電阻點(diǎn)焊樣件的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7為拉剪試驗(yàn)的載荷-位移曲線，表2為拉伸試樣的最大拉伸力及破壞形式。如圖表中所示，3個(gè)點(diǎn)焊接頭試樣的最大拉力平均值為12.2 kN；破壞形式上，均在熱影響區(qū)發(fā)生破壞。

圖7 點(diǎn)焊樣件載荷-位移曲線

2.2 鉚接樣件的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為鉚接各組試樣的拉伸載荷-位移曲線，表3～表8為鉚接各組試樣的失效載荷與破壞形式。第2組(多鼓型鉚釘)失效載荷平均值為6.8 kN，拉伸破壞時(shí)鉚釘本體斷裂，CR340LA基材開孔處可見塑性變形；第3組(多鼓型鉚釘+膠Betamate 1630)失效載荷平均值為7.36 kN，拉伸破壞時(shí)鉚釘本體斷裂，基材開孔處只有輕微變形；第4組(多鼓型鉚釘+膠Teroson PU6700)失效載荷平均值為6.8 kN，破壞形式與第1組類似；第5組(結(jié)構(gòu)型鉚釘)失效載荷平均值為7.87kN，拉伸破壞時(shí)鉚釘本體斷裂，基材CR340LA開孔處有明顯變形；第6組(結(jié)構(gòu)型鉚釘+膠Betamate 1630)失效載荷平均值為9.91 kN，發(fā)生破壞時(shí)鉚釘本體斷裂，3根試樣基材的開孔處發(fā)生的變形程度不一；第7組(結(jié)構(gòu)型鉚釘+膠Teroson PU6700)失效載荷平均值為7.61 kN，破壞形式與第5組類似。

表2 點(diǎn)焊接頭試樣載荷峰值與破壞形式

圖8 各組鉚接試樣拉伸曲線

對(duì)比分析各組試樣的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)比圖8(a)及圖8(d)，結(jié)構(gòu)型鉚釘連接的拉剪強(qiáng)度比多鼓型鉚釘連接提升約15%。原因在于多鼓型鉚釘鉚接后鉚芯斷口在釘帽之下且斷口不平，剪切過(guò)程中承載斷面較??；而結(jié)構(gòu)型鉚釘鉚接后鉚釘斷口平整，剪切拉伸過(guò)程中能提供更大的承載斷面，如圖9所示。

(2)圖8(a)與圖8(b)、圖8(d)與圖8(e)

表3 失效載荷與破壞形式(第2組)

兩組對(duì)比說(shuō)明，膠Betamate 1630可以有效提升鉚接接頭強(qiáng)度，但提升效果不穩(wěn)定，受人工涂膠不均勻的影響較大：涂膠量大、鋼板間黏接質(zhì)量好且黏接面大的試樣，失效載荷較高且變形更均勻,反之則失效載荷較低且鉚接孔附近局部變形明顯。

表4 失效載荷與破壞形式(第3組)

(3)圖8(a)與圖8(c)、圖8(d)與圖8(f)兩組對(duì)比說(shuō)明，膠Teroson PU6700對(duì)鉚接接頭強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。這一結(jié)論同樣體現(xiàn)在接頭失效形式上：無(wú)論涂膠,不同涂膠樣件之間的破壞形式基本沒(méi)有變化。

表6 失效載荷與破壞形式(第5組)

表7 失效載荷與破壞形式(第6組)

表8 失效載荷與破壞形式(第7組)

圖9 斷面對(duì)比

3 結(jié)論

本研究以雙相鋼與低合金高強(qiáng)鋼為基材，對(duì)比分析了點(diǎn)焊接頭、抽芯鉚接接頭與膠鉚接頭在拉剪工況下的表現(xiàn)，得出了以下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)型鉚釘強(qiáng)度高于多鼓型鉚釘，但鉚接后鉚釘尾部較長(zhǎng)，對(duì)空間要求高，在空間允許的情況下應(yīng)作為應(yīng)用首選。

(2)各組鉚接接頭試樣中，結(jié)構(gòu)型鉚釘與環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠Betamate 1630的組合強(qiáng)度最高，是修復(fù)或替代失效焊點(diǎn)的最佳選擇，但只適用于未噴漆之前的車身修復(fù)(Betamate 1630需要在180 ℃下烘烤30 min)。

(3)聚氨酯結(jié)構(gòu)膠Teroson PU6700不需要長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤，可以在室溫下速干，但不能明顯提升鉚接接頭強(qiáng)度，應(yīng)用中以密封為主要目的。

(4)膠鉚接頭抗剪強(qiáng)度較點(diǎn)焊接頭稍低，且受人工操作波動(dòng)影響，強(qiáng)度表現(xiàn)也不如點(diǎn)焊接頭穩(wěn)定，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)失效焊點(diǎn)的具體受力情況設(shè)計(jì)焊點(diǎn)替代方案，例如在關(guān)鍵位置附近適當(dāng)增加補(bǔ)充鉚點(diǎn)等。在整車實(shí)際工況下，焊點(diǎn)受力會(huì)比本研究的試驗(yàn)工況更復(fù)雜，因此以上的試驗(yàn)結(jié)論提供的主要是點(diǎn)焊、抽芯鉚接與膠鉚接頭的定性對(duì)比，為實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題快速解決提供試驗(yàn)依據(jù)。進(jìn)一步的研究可考慮建立適合不同工況的點(diǎn)焊與膠鉚接頭有限元模型，通過(guò)計(jì)算整車典型工況下不同類型接頭局部的結(jié)構(gòu)性能差異，為焊點(diǎn)修復(fù)方案的實(shí)際應(yīng)用提供具體量化的參考依據(jù)。