本文主要采用相同铆钉铆模，设置不同头高对6111/2.0+SF36/3.0两层铝合金搭接进行SPR铆接工艺，探索有限元分析与实验分析相结合的方法，研究不同铆钉头高对两层铝合金板件进行SPR铆接过程和铆接质量分析。
自冲铆接SPR是一种先进的冷连接技术，其生产周期短，工序简易，能够实现大批量高效率生产，目前广泛应用于汽车工业中。自冲铆接技术发展是实现汽车轻量化发展的关键。目前实现汽车轻量化发展的主要措施是大量使用轻金属和非金属，例如铝合金、镁合金以及强化塑料等板料。迄今为止，电阻点焊是连接钢板车身结构的主要方法，不仅有利于大批量生产，而且质量也牢固可靠；但是对于黑色金属与有色金属的连接，大部分有色金属（如薄铝板）之间的连接，金属与非金属的连接，非金属之间的连接，以及可焊性差的、预先涂漆或有镀层的黑色金属之间的连接，点焊就很困难或无能为力，自冲铆接技术能替代电阻点焊解决只能焊接钢板车身结构的缺陷。因此，自冲铆接在工业生产中具有重要的意义，逐渐被研究学者所关注。对于自冲铆接工艺参数改变对焊接质量的影响是当前研究的热点。
本文作者通过数值模拟和实验相结合的方法，对两层板铝合金进行不同头高的SPR铆接工艺并对其性能进行研究。该研究主要通过三个途径：一是利用有限元数值模拟预报铝合金板变形过程中板件应力变化趋势；二是进行SPR实验分析铆钉Interlock值变化规律；三是进行SPR实验后板件的室温下静力学剪切试验，分析剪切力的变化规律。
有限元分析
自冲铆接其工艺过程为：铆鼻冲头推动铆钉向下运动，铆钉下部的刃口将铆接材料冲掉并落入凹模内，铆钉达到凹模后停止运动；随着冲头的继续下行，冲头下端面的凸台将对铆接材料加压，使其发生塑性变形而向内作径向流动，使其紧紧包住铆钉，形成稳定的锁止状态。
实验材料为6111/2.0mm+SF36/3.0mm型号铝合金，铆钉长度为7mm，铆模型号为M260425，摩擦系数为0.4，头高分别设置为0mm、0.3mm、0.6mm，建立有限元模型。
图1为SPR铆接完成后的等效应力分布图，a、b、c分别是头高HH设置为0mm、0.3mm、0.6mm的应力云图。
图1 SPR铆接后等效应力分布图
从图1可以看出：
(1）随着SPR工艺进行，铆钉打入板件内部使板件产生塑性变形，在钉脚处的应力最大，同样对于底层板来说，靠近钉脚处的塑性变形量最大，应力亦为最大；
(2）随着HH的增加，钉子插入下层板的深度减小，即Interlock值逐渐减小，HH从0mm增加到0.3mm时，Interlock由0.62mm减小到0.45mm，减小了0.17mm，而HH从0.3mm增加到0.6mm时，Interlock减小了0.1mm，减小幅度逐渐降低；
(3）随着HH的增加，在A处的应力逐渐减小，这说明通过控制HH，对改善板件边缘开裂有利。
试验分析
试验所用材料为6111/2.0+SF36/3.0型号铝合金，化学成分如表1、2所示，制得冲铆实验试样尺寸为100mm×40mm。
采用与有限元仿真一致的铆钉和铆模，头高分别设定为0mm、0.3mm、0.6mm分别进行三组实验。使用金相切割机对SPR实验所得铝合金板材进行径向切割，去除切割产生的毛刺，采用光学显微镜与VMM2.2C测量系统测量左右间距、铆钉顶部与板材顶部垂直距离、铆钉底部与板材底部垂直距离并对试样进行断口形貌观察。对三组实验铝合金板在带结构胶并烘烤的情况下进行静力学剪切测试，记录最大剪切应力值。
自冲铆接实验完成后，切割板件得到的剖面图如图2所示，a、b、c分别为HH设置为0mm、0.3mm和0.6mm时的剖面结果。
从图2可知：
(1）随着头高HH的增加，Interlock值在逐渐减小，HH从0mm增加到0.3mm时，Interlock值从0.59mm减小到0.40mm，减小量为0.19mm；而HH从0.3mm增加到0.6mm时，Interlock从0.4mm减小到0.32mm，减小量明显减小；
表1 6111铝合金主要成分
表2 SF36铝合金主要成分
图2 SPR剖面图
(2）HH增加到0.3mm时，Interlock值在0.4mm，刚刚满足NIO的工程标准，继续增加HH，Interlock值不满足NIO的工程标准。
对比图2与图1可知：(1）实验结果与有限元分析结果趋势是一致的，即随着HH增加，Interlock值减小；(2）在相同参数下，实验得到的Interlock值与有限元预测的Interlock略有减小，基本在0.05mm以内。
分别对三种参数下的静力学性能进行测试，每种做3组，带结构胶DOW1840C并烘烤，做静力学测试，结果如图3所示。力学测试结果表明：(1）随着HH的增加，对剪切力值影响较较小，波动幅度在5%以内；(2）随着HH的增加，对Cross Tensile的力值有所减小，这与Interlock减小有关。
图3 静力学测试结果
结论
(1）通过数值模拟表明：1）随着SPR工艺进行，铆钉打入板件内部使板件产生塑性变形，在钉脚处的应力最大，同样对于底层板来说，靠近钉脚处的塑性变形量最大，应力亦为最大；2）随着HH的增加，钉子插入下层板的深度减小，即Interlock值逐渐减小，HH从0mm增加到0.3mm时，Interlock由0.62mm减小到0.45mm，减小了0.17mm，而HH从0.3mm增加到0.6mm时，Interlock减小了0.1mm，减小幅度逐渐降低；3）随着HH的增加，在A处的应力逐渐减小，这说明通过控制HH，对改善板件边缘开裂有利。
(2）对比实验结果与数值模拟结果表明：1）实验结果与有限元分析预报结果接近，吻合良好，即随着HH增加，Interlock值减小；2）在相同参数下，实验得到的Interlock值与有限元预测的Interlock略有减小，基本在0.05mm以内。
(3）对比不同HH参数下的静力学结果表明：1）随着HH的增加，对剪切力值影响较较小，波动幅度在5%以内；2）随着HH的增加，对Cross Tensile的力值有所减小，这与Interlock减小有关。
作者简介
刘圣祥，车身工艺科科长，主要从事全铝车身的产品同步工程、材料连接实验、工艺开发、样车试制、生产线工艺、工装和连接设备的设计、制造、集成、试生产和白车身量产尺寸和质量达标的工作，曾主持完成ES8和ES6全铝车身、正向研发车型的试制线项目和量产线项目，并主持建设蔚来汽车的铝车身连接数据库。
—— 来源：《锻造与冲压》2019年第16期
