铝合金高强钢自冲铆接工艺仿真研究

马运五1,2 楼铭2 李永兵1,2

【摘 要】摘要：针对传统的以试验方法确定自冲铆接工艺参数成本高以及效率低等问题，开发了自冲铆接工艺过程有限元仿真模型，探索通过仿真方法进行自冲铆接工艺参数优化的可行性。分析了模具形貌以及板材屈服强度波动等因素对铝钢异种金属自冲铆接接头内下层板应力分布的影响规律。仿真、试验结果表明，采用平底模具铆接铝合金AA6005-T5和高强钢DP590时，增加模具宽度或减小模具深度有利于降低接头中铆钉尖端下层板的应力集中，从而避免接头中产生裂纹。板材屈服强度的波动不仅会影响接头中下层板的最大应力，还会改变应力集中位置，上层板屈服强度的负波动或下层板屈服强度的正波动更容易使接头中产生裂纹。

【期刊名称】汽车工艺与材料

【年(卷),期】2017(000)008

【总页数】6

【关键词】自冲铆接 模具形貌 板材屈服强度

1 前言

轻量化作为汽车节能减排的重要手段，得到世界各国的高度重视[1,2]。综合考虑轻量化的成本和效果，在传统的低成本全钢轿车车身中引入轻金属材料，充分发挥高强钢和轻金属各自的性能优势，在保证汽车安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能的同时降低车身自重，已成为现阶段汽车车身轻量化的必然选择[3]。目前，铝合金与高强钢混合使用的车身制造理念已经成功应用于路虎揽胜、捷豹XF、凯迪拉克CT6、宝马5系以及奥迪A8等车型中，并取得了显著的减重效果。然而，由于铝钢热物理属性存在巨大差异，采用传统的电阻点焊工艺难以实现铝钢异质材料的可靠连接，使得铝钢混合车身的装配工艺面临新的挑战[4,5]。

自冲铆接工艺（Self-Piercing Riveting,SPR）作为一种机械连接方法没有热输入，是最具潜力的铝钢异种金属连接方法[6]。SPR工艺通过半空心铆钉刺穿上层板并在凹模的作用下向外张开与下层板之间形成机械自锁来实现连接[7]。然而，铆钉和模具的材质与规格匹配种类繁多，SPR铆钉和模具的主要供应商英国Henrob公司提供了多达2000种铆钉和1500多种模具，针对一种特定板材匹配的SPR工艺参数往往需要依靠大量的试验来确定，工艺优化效率低，并且成本十分高[8,9]。另一方面，由于SPR接头成形过程中，板材经历大变形、屈服以及断裂，材料的屈服强度和延展性对SPR接头的质量有巨大影响。受板材力学特性的限制，铆钉和模具的选取既要保证接头中能够形成可靠的机械连接，又要避免由于变形过大而在板材中产生裂纹。而实际生产中的板材难免会存在屈服强度、延展率不一致等力学性能波动的问题，如何选择铆钉模具组合保证板材力学性能在一定范围内波动时的铆接质量是实际应用中面临的又一大难题。

铝合金高强钢自冲铆接工艺仿真研究