铝代钢对三层板接头力学性能影响规律探究

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1、铝代钢对三层板接头力学性能影响规律探究摘要：多材料混合是汽车车身轻量化的重要手段，但以铝代钢使车顶与侧围内外板的三层板异种连接却面临挑战。自冲钾接(Self-PiercingRiveting,SPR)是异种金属连接最为有效的手段，然而目前关于铝钢三层板SPR接头与传统三层钢板电阻点焊(ResistanceSpotWelding,RSW)接头力学性能的对比研究几乎没有。以多材料三层板组合“].0mmAA6061-T6+0.8mm低碳钢CR4+1.2mm双相高强钢DP590”的SPR接头和全钢三层板组合“0.6mmCR4+0.8mm低碳钢CR4+1.2mm双相高强钢DP590”的RSW接头

2、为研究对象，进行了两种接头不同连接界面的拉剪强度和疲劳强度的对比研究。研究表明，车顶以铝代钢后，采用SPR工艺获得的异种金属接头与全钢车顶的RSW接头相比具有同样的静态承载能力和显著提高的疲劳性能。这将为汽车车身的轻量化设计提供重要参考。关键词：汽车轻量化；异种金属连接；自冲钾接(SPR)；电阻点焊(RSW)；疲劳强度中图分类号：TG938文献标文献标识码：A文献标D0I：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.05.02为应对日益严峻的能源和环境挑战，实现全球范围内汽车工业的可持续发展，通过使用轻量化材料提高轿车的燃油经济性已经得到世界各国的高度重视。对于新能源汽

3、车，为提高续驶里程，其车身轻量化则显得尤为重要。目前，采用高强钢进行车身轻量化的空间已十分有限。铝合金因其比强度高、比模量高，成本相对较低等特点已经受到高度关注。1994年奥迪汽车公司开发出第1代全铝车身奥迪A&使车身重量减轻约40%[1]。但是采用全铝车身成本太高，目前量产的全铝车身的只有奥迪A8、捷豹XJ等豪华汽车。2001年,Hahn等人⑵提出"多材料结构"(MixedMaterialConstructions)概念，指出为实现最佳轻量化效果，应该把“合适的材料用在合适的部位”，认为多材料将代表今后汽车车身结构的发展趋势。2005年欧盟启动超轻车计划，通过在车身中混合使用铝、镁和

4、钢等多种材料实现了车身减重53%O目前宝马5-7系、奥迪TT/TTS均采用了多材料车身，通过铝钢混合使用，在大幅减重的同时有效提升汽车的操纵性能。车顶是整车中位置最高的零件，对其减重会降低车身重心，减少整车横向轴心摆动惯性，对提高汽车的操控性有很大帮助，因而成为汽车减重的关键。然而，将车顶材料由传统的低碳钢替换为铝合金，而侧围的内、外板仍然保持钢质材料，在车身制造时就会涉及三层板的异质连接。铝和钢熔点差异较大，而且熔焊时容易形成硬脆的金属间化合物，使采用传统的RSW工艺难以实现铝钢的可靠连接。SPR作为一种机械连接方法，没有热效应，是目前最为有效的异种材料连接方法。天津大学的李晓静等人

5、通过钾接试验分析了影响钏接质量的诸因素：3］o刘秀全等人采用塑性有限元法建立了SPR有限元模型，对SPR过程进行了数值模拟分折［4］。万淑敏与密歇根大学的胡仕新对SPR的工艺参数及钾接质量判定进行了研究［5］。另外，他们通过对6063铝合金板料SPR过程的试验和数值模拟，分析了SPR工艺过程中半空芯钾钉和板料的变形和受力［6］。清华大学的岁波等人为研究铝合金板件SPR过程，借助有限元法模拟了1.15mmAA6016T4+1.5mmAA5182O板SPR接头成形，研究了冲头和模具的受力变化，钾扣的形成以及板件翘曲变化情况［7-8］o北华大学的刘瑞军等人针对SPR工艺试验的特点，构建了钾接

6、工艺方案的评价指标体系［9-10］o华东交通大学的黄志超等人分析了影响SPR疲劳强度的主要因素和SPR疲劳各个阶段变化机理［lllo并且对半空心钾钉SPR工艺过程进行数值模拟［12］o上海交通大学的楼铭等人引入模钉体积比的概念研究了模钉体积比对SPR接头成形性能及其准静态强度的影响［13］,并且基于正交试验对铝钢异种金属SPR工艺进行了优化［14］。然而，目前并没有关于铝钢三层板SPR接头与传统三层钢板RSW接头力学性能的对比研究。为此，本文拟从拉剪和疲劳两个方面对比研究铝-钢-钢SPR接头与钢-钢-钢RSW的性能差异，为汽车车身的轻量化设计提供借鉴。1材料与试验设备1.1试验材料为指

7、导实际生产应用，依据实际生产制造及工作条件，现有目标车型的车顶、侧围外板、侧围内板的材料依次是：0.6mmCR4、0.8mmCR4和1.2mm双相高强钢DP590。本研究拟采用锻造铝合金AA6061-T6替代0.6mm的CR4,铝合金AA6061-T6由美国的KaiserAluminum公司提供，碳钢由宝钢提供，各材料的力学性能见表lo可以看出，采用AA6061-T6替代CR4,车顶在屈服强度和拉伸强度上具有明显的优势。AA6061-T6铝合金