摘要：通過剪切拉伸試驗(yàn)研究了HC420/780DP鋼與AA6063擠壓鋁合金膠接、自沖鉚接、螺栓連接、膠鉚連接及膠螺連接接頭的剪切拉伸性能，結(jié)果表明：自沖鉚接和螺栓連接會(huì)破壞板材的完整性，剪切拉伸過程中鉚釘或螺栓與板材接觸位置發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展，最終鉚釘拉脫或AA6063擠壓鋁合金撕裂；結(jié)構(gòu)膠增大了鋼/鋁接頭的受力面積，剪切拉伸過程中強(qiáng)度較低的AA6063擠壓鋁合金發(fā)生斷裂；膠接、膠鉚連接、膠螺連接接頭最大剪切載荷基本一致，但膠鉚連接、膠螺連接接頭吸收的能量與膠接接頭相比分別增大了11.8%和8%；當(dāng)鋼/鋁接頭處于僅受剪切拉伸載荷的服役環(huán)境時(shí)，可考慮單獨(dú)使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行連接，無需額外使用自沖鉚接或螺栓連接。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)膠 自沖鉚接 螺栓連接 復(fù)合連接 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG306 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240032

Effect of Joining Method on Shear-Tensile Properties of HC420/780DP-AA6063 Joint

Qin Qingyu1， Wei Chaozhong1， Tang Bowei1， Zhang Fahui1， Liao Zuyu1，2

（1. SAIC-GM-Wuling Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545007; 2. Hunan University Aisn Automobile Technology Development Co.， Ltd.， Liuzhou Branch， Liuzhou 545007）

Abstract： The shear-tensile properties of bonded joint， self-piercing riveted joint， bolted joint， self-piercing riveted-bonded joint， bolted-bonded joint of HC420/780DP steel and AA6063 extruded aluminum alloy are studied by shear tensile experiments. The results show that self-piercing riveting and bolting can damage the integrity of the plate， and stress concentration occurs in the contact position between the rivets or bolts with the plate during shear tensile process， leading to crack initiation and propagation， and eventually rivet pulling or tearing of AA6063 extrusion aluminum alloy. The structural adhesive increases the stress area of the steel/aluminum joint， and the AA6063 extrusion aluminum alloy with lower strength is broken during shear tensile process. The maximum shear load of bonded joint， self-piercing riveted-bonded joint， bolted-bonded joint are basically the same， but the energy absorption value of self-piercing riveted-bonded joint and bolted-bonded joint increases by 11.8% and 8% respectively compared to adhesive joint. When the steel/aluminum joint is in service under shear tensile load only， it may be considered to use structural adhesive alone for connection without the additional use of self-piercing rivet or bolt.

Key words： Structural adhesive， Self-piercing riveting， Bolted connection， Composite connection， Mechanical property

1 前言

在兼顧成本和性能的前提下，通過使用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，充分發(fā)揮不同材料的特性，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的有效手段[1-2]。近年來，越來越多的汽車車身采用鋼/鋁混合結(jié)構(gòu)。而由于鋼、鋁材料之間性能差異大，傳統(tǒng)鋼鋁點(diǎn)焊接頭易產(chǎn)生金屬間化合物、裂紋等缺陷，使接頭力學(xué)性能顯著降低，需要開發(fā)可實(shí)現(xiàn)鋼/鋁材料有效連接的工藝[3-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼/鋁材料連接技術(shù)展開了大量研究[6-7]。張永超等[8]通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)研究了B1500HS高強(qiáng)鋼與AA5052鋁合金自沖鉚接（Self-Piercing Riveted，SPR）接頭的力學(xué)性能，結(jié)果表明，搭接順序?qū)?zhǔn)靜態(tài)拉伸最大失效載荷的影響較小，當(dāng)高強(qiáng)鋼位于上層時(shí)SPR接頭的疲勞性能最優(yōu)。熊維清等[9]對(duì)比了DP590鋼與AA6111鋁合金SPR接頭及熱熔自攻絲（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）接頭的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)FDS接頭的承載性能為SPR接頭的1.1～1.3倍，F(xiàn)DS接頭的吸能性能為SPR接頭的1.6～2.6倍。Karathanasopoulos等人[10]研究表明，較小的鉚釘釘腳厚度和合適的鉚模深度能夠降低SPR接頭的應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)鋼/鋁材料高質(zhì)量連接。那景新等[11]研究了溫度對(duì)304不銹鋼與AA6005鋁合金膠接接頭失效強(qiáng)度的影響，如果表明，接頭失效強(qiáng)度隨溫度升高而降低，但接頭失效形式不隨溫度變化而改變，均為內(nèi)聚力破壞。Ha等[12]研究了DP590鋼和A356鑄造鋁合金膠接接頭的力學(xué)性能，結(jié)果表明鋁合金的伸長(zhǎng)率隨結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度增大呈增大趨勢(shì)。

以上研究主要針對(duì)單種鋼/鋁連接工藝，較少多種連接工藝接頭的力學(xué)性能對(duì)比研究。因此，通過剪切拉伸試驗(yàn)研究了HC420/780DP鋼與AA6063擠壓鋁合金膠接、SPR、螺栓連接、膠鉚復(fù)合連接及膠螺復(fù)合連接接頭的力學(xué)性能，為實(shí)際生產(chǎn)中連接工藝的選擇提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)采用的HC420/780DP鋼的厚度為1.2 mm，AA6063-T6擠壓鋁合金的厚度為2 mm，板材的主要成分如表1所示。將HC420/780DP鋼和AA6063-T6擠壓鋁合金研磨拋光，隨后采用4%硝酸酒精（96 mL酒精 + 4 mL HNO3）對(duì)HC420/780DP鋼侵蝕15 s，采用Keller腐蝕劑（95 mL去離子水 + 2.5 mL HNO3 + 1.5 mL HCl + 1 mL HF）對(duì)AA6063-T6擠壓鋁合金侵蝕15 s。通過金相顯微鏡（ZEISS， Axioscope 5）觀察金相組織，如圖1所示，HC420/780DP鋼的金相組織主要為多邊形鐵素體和分布在晶界上的馬氏體，AA6063-T6擠壓鋁合金的金相組織主要為α-Al相和Mg2Si相。

采用韌性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠（Henkel Adhesives，TEROSON? EP 5055），其性能參數(shù)如表2所示。SPR采用硬度為HRC 50的半空心鉚釘，頭部直徑為7.8 mm，腿部直徑為5.3 mm，高度為6 mm。螺栓連接采用直徑為5 mm的螺栓。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試片連接

試片連接前，首先使用丙酮擦拭試片表面去除油污和灰塵，隨后使用酒精沖洗試片，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干并置于干燥皿中待用。

如圖2所示，進(jìn)行鋼/鋁試片膠接時(shí)，首先在接頭處涂布結(jié)構(gòu)膠，隨后在結(jié)構(gòu)膠上均勻撒下直徑為0.2 mm的玻璃珠以控制膠層厚度，將上、下板件貼合并用夾具固定，清理溢出的結(jié)構(gòu)膠，最后放入烘箱中在180 ℃烘烤20 min固化。

利用SPR設(shè)備（EPRESS，EP-CTF-75SC）加工鋼/鋁SPR試件，所用凹模為深度0.6 mm的平底凹模，鉚接過程中，鉚接速度為50 mm/s，鉚接壓力為79 kN，保壓時(shí)間為0.2 s。

在進(jìn)行螺栓連接前，在上、下板件連接處預(yù)先加工直徑為6 mm的孔，隨后裝配直徑為5 mm的螺栓并擰緊。

在加工膠鉚連接試件和膠螺連接試件時(shí)，首先將結(jié)構(gòu)膠涂布在連接處，隨后進(jìn)行SPR或螺栓連接，清理溢出的結(jié)構(gòu)膠，最后放入烘箱中180 ℃烘烤20 min固化。

2.2.2 剪切拉伸

為了對(duì)比不同接頭的力學(xué)性能，采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（深圳萬測(cè)設(shè)備有限公司，ETM504D）對(duì)HC420/780DP鋼與AA6063-T6擠壓鋁合金連接接頭進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min。為了避免拉伸過程中因上、下板厚度不同而產(chǎn)生彎矩，試驗(yàn)前分別在HC420/780DP鋼與AA6063-T6擠壓鋁合金表面粘貼墊片，如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 剪切拉伸結(jié)果

圖4所示為不同連接工藝接頭的剪切拉伸測(cè)試結(jié)果。從載荷-位移曲線可以看出（圖4a），膠接、膠螺連接、膠鉚連接接頭的載荷-位移曲線基本一致，在剪切載荷作用下，試件首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)剪切載荷增大到17.0 kN時(shí)，試件發(fā)生塑性變形，直至斷裂。對(duì)于螺栓連接接頭：當(dāng)剪切載荷增大到1.5 kN時(shí)，螺栓發(fā)生小距離位移，剪切載荷迅速減小到1.0 kN，隨后接頭發(fā)生彈性變形；當(dāng)剪切載荷增大到5.2 kN時(shí)，接頭發(fā)生塑性變形，直至斷裂。對(duì)于SPR接頭，試件在拉伸載荷作用下發(fā)生彈性變形，當(dāng)載荷增大到5.9 kN后發(fā)生塑性變形，直至斷裂。由圖4a還可以看出：螺栓連接接頭的剪切拉伸失效位移與膠接、膠螺連接、膠鉚連接接頭的剪切拉伸失效位移接近；自沖鉚接接頭的剪切拉伸失效位移最小，為3.6 mm。如圖4b所示：膠接、膠螺連接、膠鉚連接接頭最大剪切載荷基本一致，約20.0 kN；螺栓連接接頭的最大剪切載荷稍小，為10.2 kN；SPR接頭的最大剪切載荷最小，為7.3 kN。因此，與其他幾種連接方式相比，SPR接頭在剪切載荷作用下更容易發(fā)生失效。

通過對(duì)載荷-位移曲線積分可以得到不同接頭吸收的能量，如圖5所示。從圖5k 中可以看出：SPR接頭吸收的能量最少，為21.1 kJ；螺栓連接接頭吸收的能量稍大，為76.8 kJ；膠接接頭吸收的能量遠(yuǎn)大于SPR接頭及螺栓連接接頭，為165.5 kJ。膠鉚連接、膠螺連接接頭吸收的能量分別為185.1 kJ和178.6 kJ，與膠接接頭相比分別增大了11.8%和8%。

圖6所示為剪切拉伸過程中不同連接工藝接頭的剪切剛度隨位移的變化曲線。從圖6中可以看出：在剪切拉伸初期，膠螺連接接頭的剪切剛度小于膠接和膠鉚連接接頭，這是由于螺栓孔直徑稍大于螺栓直徑，螺栓在剪切載荷作用下產(chǎn)生短距離位移；進(jìn)入塑性變形階段后，膠接、膠螺連接、膠鉚連接接頭的剪切剛度曲線基本重合。從圖6中還可以看出，在彈性變形階段SPR接頭的剪切剛度大于膠螺連接接頭。然而，隨著SPR接頭中裂紋形核擴(kuò)展，其剪切剛度迅速減小。在5種接頭中，螺栓連接接頭的剪切剛度最小，在剪切拉伸過程中，其剛度達(dá)到最大值后急劇減小至一定值，隨后緩慢減小，直至接頭失效。

圖7所示為不同連接工藝接頭的剪切拉伸失效模式?？梢钥闯觯郝菟ㄟB接接頭的失效模式為鋁板撕裂，裂紋自螺栓孔擴(kuò)展至鋁板邊緣（圖7b）SPR接頭的剪切拉伸失效模式為鉚釘從下層鋁板拉脫，接頭鋁板出現(xiàn)撕裂（圖7c）；膠接、膠螺連接、膠鉚連接接頭的失效模式一致，均為鋁板斷裂，接頭仍保持良好連接，未出現(xiàn)明顯裂紋。

3.2 失效機(jī)理分析

剪切拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，SPR接頭和螺栓連接接頭的剪切拉伸強(qiáng)度明顯低于膠接、膠螺連接和膠鉚連接接頭（見圖4、圖7），結(jié)構(gòu)膠能夠顯著提高鋼/鋁接頭剪切拉伸強(qiáng)度。這是由于結(jié)構(gòu)膠增大了鋼/鋁接頭上、下板之間的運(yùn)動(dòng)阻力，并且接頭無結(jié)構(gòu)突變，在拉伸過程中均勻受力，無應(yīng)力集中。因此，裂紋首先在強(qiáng)度較低的鋁板中萌生和擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

SPR連接時(shí)，鉚釘刺穿上層鋼板后在鋁板中擴(kuò)張，形成互鎖結(jié)構(gòu)。然而，在連接過程中，上層鋼板和下層鋁板均受到損傷，板材的完整性被破壞，并且接頭附近的板材呈撕裂狀，邊緣不平整，存在許多微裂紋（圖8）。在拉伸過程中，接頭存在結(jié)構(gòu)突變，鉚釘附近，尤其是釘腳與鋁板接觸處發(fā)生嚴(yán)重應(yīng)力集中，鋁板中的裂紋迅速失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生撕裂，使鉚釘從下層鋁板中拉脫。

螺栓連接時(shí)，鋼板與鋁板均需預(yù)先加工直徑為6 mm的螺栓孔，依靠螺栓與螺母擰緊形成的壓力固定接頭。在拉伸過程中，由于螺栓孔直徑大于螺栓直徑，施加剪切載荷大于板間運(yùn)動(dòng)阻力后使螺栓沿拉伸方向發(fā)生短距離位移，此時(shí)剪切載荷迅速減小，螺栓沿拉伸方向壓向螺栓孔一側(cè)。螺栓孔沿拉伸方向產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在螺栓的擠壓下先后發(fā)生彈性變形和塑性變形，由于鋁板的強(qiáng)度低于鋼板，導(dǎo)致裂紋優(yōu)先在鋁板上形核擴(kuò)展，最終鋁板被撕裂。然而，由于螺栓孔邊緣較平整，無預(yù)制微裂紋，螺栓連接接頭裂紋萌生和擴(kuò)展速率小于SPR接頭，因此螺栓連接接頭的最大剪切載荷及失效位移都大于SPR接頭。

4 結(jié)束語

通過剪切拉伸試驗(yàn)研究了HC420/780DP鋼與AA6063擠壓鋁合金膠接、SPR連接、螺栓連接、膠鉚連接及膠螺連接接頭的力學(xué)性能，并對(duì)接頭的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

a. SPR和螺栓連接會(huì)破壞板材的完整性，剪切拉伸過程中鉚釘或螺栓與板材接觸位置發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展，最終鉚釘拉脫或AA6063擠壓鋁合金撕裂；

b.結(jié)構(gòu)膠增大了鋼/鋁接頭的受力面積，接頭應(yīng)力集中減弱，剪切拉伸過程中強(qiáng)度較低的AA6063擠壓鋁合金發(fā)生斷裂；

c.膠接、膠鉚連接、膠螺連接接頭最大剪切載荷基本一致，但膠鉚連接、膠螺連接接頭吸收的能量與膠接接頭相比分別增大了11.8%和8%；

d.當(dāng)鋼/鋁接頭處于僅受剪切拉伸載荷的服役環(huán)境時(shí)，可考慮單獨(dú)使用結(jié)構(gòu)膠連接，無需額外使用SPR或螺栓連接。

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