趙一鳴，陳東平

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境惡化大背景下，研發(fā)節(jié)能減排的新技術(shù)是減少機動車能源消耗和降低環(huán)境污染的有效方式。從研發(fā)趨勢而言，整車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排最高效措施，由于白車身質(zhì)量一般占整車質(zhì)量的30%左右，因此白車身輕量化對整車輕量化至關(guān)重要[1]。

目前，使用鋁合金等低密度輕質(zhì)金屬成為白車身輕量化的發(fā)展方向，但相較于鋼材，由于熔點和熱膨脹系數(shù)的不同以及焊接過程中易產(chǎn)生易脆共晶體等缺陷，鋁板與鋼板無法通過點焊有效連接。為此，本文作者引入一種新型的汽車用鋼鋁連接技術(shù)(Intelligence Welding，IW)，通過鋼釘沖鉚鋁板和鋼釘與鋼板點焊兩步工藝實現(xiàn)了鋼鋁連接。同時，基于IW連接接頭的靜力學性能，并通過料片級試驗研究IW連接接頭的疲勞耐久性能，獲得IW連接接頭的載荷壽命曲線，為后續(xù)基于IW連接的鋼鋁混合車身正向開發(fā)及虛擬分析計算提供數(shù)據(jù)支持。

1 鋼鋁IW連接方式

鋼鋁IW連接的實施方式分為兩步：(1)鋼釘通過送釘機構(gòu)送至特制鉚模中，接著利用鉚模壓鉚鋼釘入鋁板，如圖1所示；(2)鋼板一側(cè)涂適量結(jié)構(gòu)膠以保證防腐性能及提高連接強度(后期通過電泳烘房烘烤，使結(jié)構(gòu)膠固化以實現(xiàn)其提高連接強度的作用)，隨后通過點焊機在鋼釘和鋼板之間完成點焊，實現(xiàn)鋁鋼連接，如圖2所示。

圖1 鋼釘沖鉚鋁板

圖2 涂膠及鋼釘和鋼板點焊

該鋼釘在壓鉚和焊接完成后存在以下連接功能區(qū)：鋼釘頭與鋼板的焊接熔核區(qū)、鋼釘桿與鋁板的鉚接鎖止區(qū)及鋼板、鋁板和結(jié)構(gòu)膠間的膠接增強區(qū)，如圖3所示。

圖3 IW的3個連接功能區(qū)

2 鋼鋁IW連接接頭的靜力學性能

2.1 試驗方法

為了了解鋼鋁IW連接的靜載特性，為疲勞耐久試驗進行載荷分級提供依據(jù)[2]，首先需要對鋼鋁IW連接接頭的靜力學性能進行摸底。文中分別設(shè)計了試片級別的接頭靜力學剪切和十字拉伸試驗，試驗方法如圖4所示，其中鋼板牌號為CR340，厚度為1.0 mm；鋁板牌號為5000-RSS-110-U，厚度為1.4 mm。為了考慮鋼鋁IW連接本身的連接強度，因此試驗中的板料間未涂有結(jié)構(gòu)膠。

圖4 接頭靜力學試驗

2.2 試驗數(shù)據(jù)收集和分析

圖5為剪切狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的力-位移曲線。

圖5 鋼鋁IW連接接頭的最大剪切失效載荷

由圖可知，在剪切載荷狀態(tài)下，鋼鋁IW連接接頭在位移0～0.5 mm范圍內(nèi)，由于只發(fā)生鋁板的彈性變形，因此位移與載荷成正比例關(guān)系；在位移0.5～1.5 mm范圍內(nèi)，出現(xiàn)類似于材料拉伸曲線中的“屈服現(xiàn)象”；在位移為1.5 mm時，出現(xiàn)類似材料拉伸曲線中“彈性變形向塑性變形”的轉(zhuǎn)變；在位移大于1.5 mm以后，出現(xiàn)類似于材料拉伸曲線中“塑性變形”，并在位移4～5 mm范圍內(nèi)發(fā)生連接接頭失效。

圖6為十字拉伸狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的力-位移曲線。由圖可知，在十字拉伸載荷狀態(tài)下，鋼鋁IW連接接頭的靜態(tài)連接強度小于其剪切強度，且失效變形較大。

基于以上試驗結(jié)果，整理出剪切和十字拉伸工況狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的失效載荷，見表1。

圖6 鋼鋁IW連接接頭的最大拉伸失效載荷

表1 剪切和十字拉伸工況狀態(tài)下鋼鋁IW連接接頭的失效載荷 N

3 鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久性能

在完成鋼鋁IW連接接頭的靜力學性能摸底后，進行鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久試驗。試驗部分采用液壓伺服MTS材料測試機，量程為100 kN。試驗考慮了剪切和十字拉伸兩種載荷狀態(tài)，為此設(shè)計了相應(yīng)的十字拉伸試驗工裝和剪切試驗工裝，保證載荷作用線穿過試件連接面，避免彎矩影響試驗結(jié)果，如圖7所示。

圖7 十字拉伸和剪切試驗工裝

試驗條件如下：

(1)疲勞載荷振動頻率20～30 Hz;

(2)載荷循環(huán)特征R=Fmin/Fmax=0.1;

(3)考慮剪切和拉伸兩種載荷狀態(tài);

(4)每種載荷狀態(tài)需體現(xiàn)6種載荷水平;

(5)每種載荷水平需進行5次疲勞耐久試驗。

鋼鋁IW連接的試驗料片尺寸如圖8所示，其中鋼板牌號為CR340，厚度為1.0 mm；鋁板牌號為5000-RSS-110-U，厚度為1.4 mm。為了考慮鋼鋁IW連接本身的疲勞耐久性能，因此試驗中的板料間未涂有結(jié)構(gòu)膠。

圖8 鋼鋁IW連接的試驗料片尺寸

由于材料測試機的量程為100 kN，其精度極限為100 N。因此，當十字拉伸載荷為0.3倍靜態(tài)載荷，此時載荷的最小值已達到材料測試機測量精度的上限，無法對低于0.3倍靜態(tài)載荷的試驗工況進行十字拉伸疲勞耐久試驗。所以，分別選取0.6倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.5倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.4倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.3倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.25倍靜態(tài)剪切失效載荷、0.18倍靜態(tài)剪切失效載荷作為剪切疲勞耐久試驗的6種載荷水平；又分別選取0.6倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.5倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.4倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷、0.3倍靜態(tài)十字拉伸失效載荷作為十字拉伸疲勞耐久試驗的4種載荷水平。具體試驗失效狀態(tài)見表2和表3。

由表2和表3可知，在剪切條件下，當疲勞載荷小于等于0.3倍靜態(tài)載荷時，失效方式為鋁板失效；當疲勞載荷大于等于0.4倍靜態(tài)載荷時，失效方式為鋁板和連接的混合失效。在十字拉伸條件下，當疲勞載荷小于等于0.5倍靜態(tài)載荷時，失效方式為鋁板和連接的混合失效，當疲勞載荷大于等于0.6倍靜態(tài)載荷時，失效方式為鋁板失效。由此可見，在剪切和十字拉伸條件下，鋼鋁IW連接的疲勞失效機制有所不同，因而導致在相同載荷條件下的剪切和十字拉伸的連接失效模式也有所不同。

表2 剪切載荷條件下鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久結(jié)果

表3 十字拉伸載荷條件下鋼鋁IW連接接頭的疲勞耐久結(jié)果

根據(jù)每組試驗的平均疲勞壽命，完成鋼鋁IW連接接頭的剪切和十字拉伸載荷壽命曲線，如圖9和圖10所示。其中，圖中的橫軸為試件的壽命，縱軸為疲勞試驗所加的最大載荷，圖中的每一個散點代表了一次疲勞耐久試驗。由圖9和圖10可知：相同載荷條件下，鋼鋁IW連接接頭的剪切疲勞壽命遠高于十字拉伸疲勞耐久壽命。因此，在混合白車身連接的正向開發(fā)中：受剪切或拉剪載荷的設(shè)計區(qū)域，推薦使用滿足性能要求的鋼鋁IW連接技術(shù)；受拉伸載荷的設(shè)計區(qū)域，使用型材鋁、鑄鋁等制造工藝及鋁點焊等連接技術(shù)保證連接性能[3]。

圖9 鋼鋁IW連接接頭的剪切載荷壽命曲線

圖10 鋼鋁IW連接接頭的十字拉伸載荷壽命曲線

根據(jù)以上疲勞耐久試驗得到的鋼鋁IW連接接頭載荷壽命曲線并使之模型化和參數(shù)化，同時結(jié)合連接處的載荷水平，即可計算和預(yù)測出鋼鋁混合車身的鋼鋁IW連接接頭疲勞壽命[4]，為后續(xù)鋼鋁IW連接的正向開發(fā)和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1)鋼鋁IW連接接頭的靜態(tài)十字拉伸強度小于剪切強度，且失效變形較大;

(2)在剪切和十字拉伸載荷條件下，鋼鋁IW連接的疲勞失效機制有所不同，導致在相同載荷條件下的剪切和十字拉伸的連接失效模式也有所不同;

(3)相同載荷條件下，鋼鋁IW連接接頭的剪切疲勞壽命遠高于十字拉伸疲勞耐久壽命。