钢_铝薄板热无铆连接接头力学性能研究_谷东伟.pdf

第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 49 收稿日期：20221103 Received：2022-11-03 基金项目：吉林省科技发展计划（20190302100GX，20200401115GX）Fund：Jilin Provincial Science and Technology Development Plan Project(20190302100GX,20200401115GX)作者简介：谷东伟（1983），男，博士，副教授，主要研究方向为可靠性分析。Biography：GU Dong-wei(1983-),Male,Doctor,Associate professor,Research focus:reliability analysis.通讯作者：李奇涵（1970），男，博士，教授，主要研究方向为金属板料冲压成形技术。Corresponding author：LI Qi-han(1970-),Male,Doctor,Professor,Research focus:sheet metal stamping technology.引文格式：谷东伟,陈光,李奇涵,等.钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究J.精密成形工程,2023,15(4):49-57.GU Dong-wei,CHEN Guang,LI Qi-han,et al.Mechanical Properties of Hot Clinching Joint of Steel/Aluminum SheetJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):49-57.钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究 谷东伟，陈光，李奇涵，高嵩（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）摘要：目的目的 针对目前车用高强钢和高强度铝合金板料在无铆连接工艺上出现的成形接头效果不佳及接头强度难以满足实际工况等问题，提出一种钢/铝异种材料热无铆塑性连接工艺，以有效提高 22MnB5 高强钢与7050 铝合金铆接接头性能。方法方法 通过软件 Abaqus 建立钢/铝异种材料无铆塑性连接有限元模型，对塑性连接接头尺寸特性进行分析；进一步通过仿真分析研究高强钢初始铆接温度对接头截面颈厚与自锁值的影响，并采用拉伸试验研究铝板在不同初始温度下及成形接头在不同冷却方式下对无铆塑性连接接头性能的影响。结果结果 将有限元仿真分析结果与试验的金相图进行了对比研究，得出二者成形接头的尺寸基本吻合，并产生了有效的机械自锁，证明了仿真模型的准确性。随后，经仿真分析确定，钢加热至 700 时，接头颈厚值与自锁值均最大，分别为 0.402、0.357 mm，该成形温度下接头特征尺寸最佳。最后，通过试验分析发现，常温铆接、阀冷、室冷、水冷的拉力峰值分别为 2.076 3、5.314 0、2.411 1、2.024 0 kN。由此可得，热处理后接头的抗剪切强度较常温铆接提高了 28.5%，在 3 种冷却方式处理下，阀冷的接头强度最佳，水冷的接头强度最差。结论结论 通过对比分析，确定了 22MnB5 钢加热至 700 且铝仅经热传导并采用阀冷时进行无铆塑性连接的接头强度最佳。关键词：钢/铝；异种材料；热无铆塑性连接；接头性能；拉伸试验 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.006 中图分类号：TG376.2 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)04-0049-09 Mechanical Properties of Hot Clinching Joint of Steel/Aluminum Sheet GU Dong-wei,CHEN Guang,LI Qi-han,GAO Song (School of Mechanical Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)ABSTRACT:The work aims to propose a hot clinching plastic connection process for steel/aluminum dissimilar materials to improve the connection performance of riveted joint between 22MnB5 high-strength steel and 7050 aluminum alloy,thus solv-ing the problems that the joint forming effect of high-strength steel and high-strength aluminum alloy sheet for automobile in the clinching connection process is not good and the joint strength is difficult to meet the actual working conditions.A finite element model of the clinching plastic connection of steel/aluminum dissimilar materials was established by the software Abaqus,and 50 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 the characteristic size of the plastic joint was analyzed.Further,the effects of initial high-strength steel clinching temperature on the sectional neck thickness and the self-locking value of the joint were studied by simulation analysis,and tensile tests were also used to study the effects of aluminum sheets at different initial temperature and formed joints under different cooling meth-ods on the performance of clinching plastic joints.A comparative study was carried out between the finite element simulation analysis and the experimental metallography,showing that the sizes of the two formed joints were basically matched and an ef-fective mechanical self-locking was produced and proving the accuracy of the simulation model.Subsequently,the simulation analysis determined that the joint neck thickness and self-locking value reached the maximum value of 0.402 mm and 0.357 mm respectively at 700 and the joint had the best characteristic size at this forming temperature.In the final test,the peak tensile of clinching joint at room temperature was 2.076 3 kN,the peak tensile of the valve-cooled joint was 5.314 0 kN,the peak ten-sile of the joint cooled at room temperature was 2.411 1 kN and the peak tensile of the water-cooled joint was 2.024 0 kN.Thus,compared to clinching joints at room temperature,the shear strength of joints after heat treatment increased by 28.5%,and the valve-cooled joints had the best strength and the water-cooled joints had the worst strength under the three cooling methods.Through comparative analysis,it is determined that the joint of 22MnB5 steel heated to 700 C with aluminum only by heat conduction has the best strength for clinching plastic joint under valve cooling.KEY WORDS:steel/aluminum;dissimilar materials;hot clinching plastic connection;joint performance;tensile test 采用钢铝混合车身使结构轻量化已成为当代汽车厂商节能减排的主流手段1-4，而对于这两种高强度异种材料间的连接，传统无铆塑性连接工艺虽有应用，但在对接头性能要求较高的场合，当前工艺还无法满足需求。因此，研究开发钢/铝异种材料无铆塑性连接工艺以提高接头性能成为当前亟待解决的问题。目前，学者们对无铆连接的模具工艺参数、板材属性和成形接头的失效方式进行了许多研究。Lee 等5-6通过建立无铆冲压连接接头性能计算数值模型，反推出所需要的颈厚和自锁量，进而设计出模具的工艺参数。并对加热工况下钢、铝等不同质材料的预冲孔铆接进行了探索，验证了此类工艺方法在铆接成形中的实用性。Chen 等7-12探究了一种可用于软质金属的整形铆接工艺，该过程由平压、整形两步组成，相比常态铆接，此工艺的优势是接头凸起有效下降，颈厚值和嵌入值明显增大；另外，对铆接材料、板厚、摩擦因数等影响接头强度的参数也进行了较为细致的研究。李奇涵等13-15探究了板料搭接方式对无铆连接接头质量的影响，并对无铆连接数值模拟进行了研究。Abe 等16-18通过改变模具参数，实现了对超高强度、低塑性钢板的有效铆接，并比较了该工艺接头与点焊接头的抗剪切能力，明显得出机械铆接抗性更高的结论。同时，还将不同屈服强度的高强钢板分别和铝合金板进行机械压接，设计了控制金属流动的模具，并对凹模的形状进行了优化，最终成功地连接了高强钢板和铝合金板。韩善灵等19发明了针对镁合金板进行激光加热的自冲铆接设备。Reich 等20将激光辅助加热工艺应用于高强钢的无铆连接中，探究了钢加热后材料内部的属性变化，并对高强钢进行了较高速度的无铆连接，发现该工艺的缺点是接头强度有所损失。杨程等21-22对无铆连接模具参数进行了研究，并结合有限元模拟分析了成形接头在不同工况下的疲劳寿命。庄蔚敏等23-24提出了一种高强度钢铝异种材料的热无铆连接工艺，分析确定了成形效果最佳的铆接温度。综上所述，当前对钢/铝异种材料室温状态下的无铆塑性连接研究较多，但是针对局部加热的钢/铝异种材料无铆塑性连接和冷却方式对接头性能影响的研究较为鲜见。因此，文中以 22MnB5 高强钢和7050 铝合金异种材料为研究对象，开发一种采用感应线圈局部加热、涡流管冷却阀冷却的热无铆塑性连接工艺，并对接头性能进行分析。1 热无铆塑性连接工艺 热无铆塑性连接工艺流程主要包含 6 个部分，即：局部感应加热、压边圈预紧、塑性变形、成形保压、退模和冷却。具体如图所示，其中红色代表加热，蓝色代表冷却。局部加热过程是将热成形后的高强度钢板放入感应线圈中，并对铆接点进行局部快速加热，使高强钢的延展性更佳。加热完成后，将钢铝板迅速移至铆接位置以尽量减少热量损失，并采用压边圈对钢铝板铆接点周围施加预紧力。通过机械结构保证凸凹模同心，凹模固定，凸模在压力机带动下实现向下快速移动进行铆接。铆接过程中，在凸模作用下，钢/铝薄板发生变形，随着材料的流动，上板颈部变薄嵌入下板，形成“s”形自锁结构，下板也随之将凹模凹槽完全填充，进一步通过保压防止材料发生回弹影响接头质量，保压完成后退模。冷却工艺通过控制涡流管冷却阀的冷气流速及温降区间实现对温度较高的接头区域进行迅速降温处理，用于改善接头抗拉剪力学性能，至此，铆接过程结束。第 15 卷 第 4 期 谷东伟，等：钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究 51 图 1 热无铆连接工艺原理 Fig.1 Principle of hot clinching connection process:a)local induction heating;b)blank holder pre-tightening;c)plastic deformation;d)forming pressure holding;e)demolding;f)cooling 2 无铆塑性连接有限元模拟分析 2.1 本构模型构建 金属本构模型是进行有限元仿真的基础，金属常用 的 3 种 热 本 构 模 型 为 JohnsonCook 模 型、HanselSpittle 本构模型和修正 Arrhenius 模型，它们被用来表述金属材料在不同温度下的真应力真应变关系。HanselSpittle 本构模型是一种热黏塑性本构模型25，能较好地表现出热钢的力学属性，其形式见式（1）。43567812mme(1)emmTm TmmTmAeT=+?(1)式中：为真实应力；A 为材料常数；为真实应变；参数 m1、m8与成形温度有关；m3与应变速率有关；m2、m4、m6 3 个参数与应变相关；m7由应变速率和成形温度决定；m5的取值由 与成形温度间接决定。该模型中温度系数 T 分别为 600、700、800，应变率系数?分别为 0.01、0.1、1 s1。铆接过程中，铝合金采用各向同性分段线性塑性材料模型，其形式见式（2）。y0heffeffeff(,)()pppf=+?(2)式中：为总应变率影响系数，1/1(/)pC=+?；?为等效应变率，ij ij=?；0为初始屈服强度；heff()pf为硬化函数，hpeffeff()()ppfE=，peff()pE为塑性硬化模量，teffpeffteff()()()pppEEEEE=-。2.2 有限元仿真模型 2.2.1 模型建立 在有限元仿真软件 Abaqus 中建立无铆连接模型，包含凹模、凸模、压边圈和上下板料。上下板材料分别选用 7050 铝合金和 22MnB5 高强钢，板厚度均为 1.5 mm，材料特性如表 1、表 2 所示。进行有限元仿真分析时，假设铆接模型及载荷边界条件皆关于铆接点中心轴线对称，这样利于简化模型、优化求解速度，故在仿真中选用二维轴对称模型。仿真模型中凹、凸模采用解析刚性材料及各向同性材料，无铆连接模具尺寸：凹模半径为 4.25 mm，凸模半径为2.75 mm，凹模深度为 1.42 mm，凹槽直径为 1.0 mm，凸模拔模角度为 85。由于仿真过程多次因为网格畸变致使计算结果不收敛，所以设置主从面接触时，模具面必须为主面，并在分析步中运用了网格自适应技术，对模型网格进行分区处理，如图 2 所示。参照无铆连接试验设置所有部件的接触约束，板料与模具间采用面面接触，切向行为的摩擦公式为罚，摩擦因数为 0.1，法向行为选硬接触，板料间的摩擦因数为 0.3，凸模的下行速率通过定义凸模的位移载荷与下行分析步时长共同决定。本文建立的模型是热铆接风冷仿真模型，因涉及有关温度的材料参数 表 1 高强钢与铝合金板料的材料属性 Tab.1 Material properties of high-strength steel and aluminum alloy sheets Material Elastic modulus/GPa Poissons ratio Density/(kgm3)Yield strength/MPaThermal conductivity/(Wm1K1)Specific thermal capacity/(Jkg1K1)7050 70 0.341 2 796 266-455 183 960 22MnB5 207 0.33 7 830 280-400 30.7 444 表 2 22MnB5 热力学参数23 Tab.2 Thermodynamic parameters of 22MnB523 Parameter 200 300 400 500 600 700 800 Thermal conductivity/(Wm1K1)30 27.5 21.7 23.6 25.6 Specific thermal capacity/(Jkg1K1)520 244 561 573 581 586 590 52 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 图 2 无铆连接有限元模型 Fig.2 Finite element model of clinching connection 及实际工况要求，故仿真时需在载荷中设置预定义场变量，并设置高强钢的初始温度和接头成形后冷却场 的最低温度。其次，有关传热属性的接触约束有板料之间的热交换、板料与空气之间的热交换、板料与涡 流增压冷却阀之间的对流换热。2.2.2 仿真结果 整个铆接仿真过程可分为预紧、初成形、成形 3个阶段，如图 3 所示。由图 3 分析钢、铝板料的等效应力及等效塑性应变随铆接过程的变化情况。预紧阶段如图 3a 所示，随着压边圈对板料施加向下的表面压力，使得被压部位发生弹性变形，最大应力为 228.6 MPa，集中于下板料与凹模的接触点，应变集中于压边圈与板料的接触点。初成形阶段如图 3b 所示，板料发生塑性变形，凸模下行，最大应力与应变皆位于上板与凸模圆角挤压贴合处。成形阶段如图 3c 所示，板料完全流入凹模，最大应力为 389.7 MPa，铆接完成。整个铆接成形过程中的温度变化如图 4 所示，对钢板加热并对钢铝板料铆接后的温度变化情况如图4a 所示，铆接完成对接头冷却处理后的温度变化情况如图 4b 所示。图 4a 中，下板料钢板通过感应线圈 图 3 等效应力与等效塑性应变历程 Fig.3 Process of equivalent stress and equivalent plastic strain:a)pre-tightening stage;b)initial forming stage;c)forming stage 图 4 成形接头温度变化 Fig.4 Temperature change of forming joint:a)heating forming;b)joint cooling 第 15 卷 第 4 期 谷东伟，等：钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究 53 初始加热至 700，随着与空气的热交换及下板料的热传递，温度略有下降，铝板逐步升温。钢、铝板料抗拉强度、屈服强度、硬度均会降低，塑性变强，伸长率明显增大，有益于钢、铝板料更好地结合为一体。图 4b 中圆角处出现空隙是由于接头进行冷却处理后，钢、铝板料均受冷体而积缩小所致。2.2.3 加热温度对成形接头尺寸影响分析 高强钢的力学性能与温度关联甚大，加热温度的选取将影响接头的关键尺寸。如图 5 所示，成形接头的颈厚值 tN、自锁值 tu和底部厚度 d 的尺寸将影响其抗拉剪能力。图 5 接头主要特征尺寸参数 Fig.5 Main characteristic size parameters of joint 在其他参数不变的情况下，取高强钢初始铆接温度分别为 600、650、700、750、800 来分析钢初始温度对接头尺寸的影响。无铆连接有限元模拟下测得接头特征尺寸 tN和 tu随初始温度的变化趋势如图 6所示。由图 6 可知，随着温度的升高，铆接接头颈厚值 tN与自锁值 tu均先增大后减小，tN数值始终大于 tu，故要在自锁值最大的前提下将颈厚值最大化。也可清晰看出，tu受温度影响波动变化较大，且于 700 时数值最大，为 0.358 mm，与最小值相差 3.47%。对钢加热时，22MnB5 钢板的强度会降低，塑性变强。在室温时，板件硬度大、塑性较差，材料流入不完全，使颈厚值与自锁值较小。当温度较大时，颈厚值与自 图 6 高强钢不同初始温度对铆接接头尺寸特征的影响 Fig.6 Effect of high-strength steel at different initial tem-perature on the size characteristic of clinching joints 锁值也较小，所以过大或者过小的温度都不利于形成良好的铆接接头形状尺寸。由此可见，当高强钢初始温度为 700 时，铆接成形后的接头颈厚值与自锁值最大。3 无铆塑性连接成形接头性能研究 3.1 有限元模型验证 本研究中无铆塑性连接采用的设备最大冲压力为 50 kN，冲压速度为 2 mm/s。图 7 为无铆连接试验设备及模具，试验所选的模具尺寸与仿真时一致。模具间隙大小会对成形接头的尺寸有较大影响：模具间隙过大会造成颈厚太大且自锁值达不到实际工况需求；模具间隙过小会使模具与板料间的相互挤压力过大，模具寿命明显缩减。据文献资料及实际工况可知，铆接时凹凸模间隙为板料总厚度的 30%60%，本研究板料总厚度为 3 mm，间隙为 1.5 mm，吻合上述规律及要求。选用的冷却方式为涡流管冷却阀冷却，通过在00.5 MPa内改变气源压力从而实现控制冷却阀冷气流速的目的，并通过调节冷气阀的冷热比率控制排出冷气量，且该涡流管冷却阀可降最低温度比工作环境温度低 3040。试验接头截面与二维有限元仿真接头的对比结果见图 8，成形接头的上下板料均未有裂纹或断裂带显现，并产生有用的机械自锁，两者尺寸基本相符，可见，该仿真模型模拟的铆接成形过程可满足工况要求。图 7 热无铆连接及冷却设备 Fig.7 Hot clinching joint and cooling equipment 3.2 冷却方式对铆接接头强度影响的分析 通过拉伸机及自制的拉伸模具对成形连接式样进行抗剪强度和抗拉强度的检测试验，从而评估铆接 54 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 图 8 接头截面对比 Fig.8 Comparison of joint cross-section 头的成形质量。抗拉强度和抗剪强度的评估在上下板材之间通过不同的连接方式拉伸后获得。十字搭接方式（C）如图 9a 所示，用来评估成形接头经轴向力拉伸时造成的最大变形抗力，进而获得接头的抗拉强度。一字搭接方式（U）如图 9b 所示，用来评估成形接头在径向受力时所引发的最大变形抗力，即抗剪强度。试验中两种搭接试样上下板料尺寸如图 9 所示，钢、铝板厚均为 1.5 mm，拉伸速度为 10 mm/min。图 9 板料搭接方式 Fig.9 Lapping methods of sheets:a)cross lapping method;b)in-line lapping method 热铆接冷却方式一般包含水冷（W）、室冷（R）及涡流冷却阀（V）冷却，本文通过将以上 3 种方式及常温铆接（N）进行试验分析得出最佳冷却方式，进而得到最优接头。为了研究铝合金温度及不同冷却方式对铆接头的影响，进行了拉伸试验，如表 3 所示，该方案均采用上铝下钢的板料搭接顺序。当高强钢与铝合金均不加热时，所对应的拉伸试验数据如图10中的曲线N所示，结合表3具体数据可以得出：当钢、铝均不加热时，一字剪切拉伸的拉力峰值为2.076 3 kN，优于板料热处理且水冷状态下的铆接接头。表 3 不同冷却方式下钢铝接头的拉伸数据 Tab.3 Tensile data of steel and aluminum joints under different cooling methods Clinching conditions Joint method Cooling method Peak tensile strength/kN C 1.423 3 N U 2.076 3 R 1.448 4 W 1.233 9 C V 1.514 5 R 2.411 1 W 2.024 0 Steel(700)U V 2.665 8 R 0.908 7 W 1.294 6 C V 1.228 2 R 1.860 6 W 1.949 8 Steel(700)Aluminum(75)U V 1.966 8 R 1.027 9 W 0.766 8 C V 1.068 9 R 1.713 6 W 1.769 5 Steel(700)Aluminum(150)U V 1.904 2 图 10 钢加热至 700、铝不加热的接头性能拉伸曲线 Fig.10 Tensile curves of joint performance under the condi-tion of steel heated to 700 and aluminum at normal tem-perature:a)in-line stretching;b)cross stretching 第 15 卷 第 4 期 谷东伟，等：钢/铝薄板热无铆连接接头力学性能研究 55 当高强钢加热至 700 且铝合金不加热进行铆接时，对成形接头分别进行阀冷（V）、水冷（W）、室冷（R）处理后接头的抗拉剪结果如图 10 所示，无论一字剪切拉伸还是十字拉伸，水冷处理的铆接接头拉力峰值均最低，分别为 2.024 0、1.233 9 kN。综合来看，阀冷处理的铆接接头抗拉、抗剪切能力最佳，一字剪切拉伸的拉力峰值最大为 2.665 8 kN，十字拉伸的拉力峰值为 1.514 5 kN，室冷处理的成形接头拉力峰值介于二者之间。当高强钢加热至 700 且铝合金加热至 75 进行铆接时，成形接头在 3 种冷却方式处理后的拉伸数据如图 11 所示。一字剪切拉伸时，阀冷（V）处理的接头拉力峰值最大（1.966 8 kN），水冷（W）与室冷（R）处理后的接头拉力峰值与阀冷处理的接头较为接近，拉力峰值顺序从大到小依次为阀冷、水冷、室冷。结合图 10 对比可得，考虑冷却方式的情况下，当钢加热至 700、铝合金不加热时的成形接头强度远远优于钢加热至 700 且铝合金加热至 75 的铆接工况。图 11 钢 700、铝 75 接头性能拉伸曲线 Fig.11 Tensile curves of joint performance under the condi-tion of steel heated to 700 and aluminum heated to 75:a)in-line stretching;b)cross stretching 当高强钢加热至 700 且铝合金加热至 150 进行铆接时，3 种冷却方式处理下成形接头的拉伸试验结果如图 12 所示，采用一字剪切拉伸试验时，阀冷效果最好，其次为水冷与室冷，阀冷处理后的接头拉力峰值为 1.904 2 kN。进行十字拉伸试验时，水冷的接头强度最差，拉力峰值仅为 0.766 8 kN，阀冷处理的接头在此工况下依旧效果最佳，但也仅为1.068 9 kN。结合图 1012 看来，钢加热至 700、铝合金不加热工况下的接头抗拉剪强度最佳，冷却方式为阀冷处理的接头抗拉剪强度最佳。图 12 钢 700、铝 150 接头性能拉伸曲线 Fig.12 Tensile curves of joint performance under the condi-tion of steel heated to 700 and aluminum heated to 150:a)in-line stretching;b)cross stretching 对高强钢进行加热处理时，铝板相应地与钢板接触后经热传递略有升温，两板强度均有所下降，塑性增强，成形接头抗拉剪强度较室温铆接时有所增强。3 种冷却方式处理下，阀冷、水冷、室冷冷却效果依次减弱，阀冷冷却处理的成形接头抗拉剪能力最佳，较常温铆接接头抗拉强度提升了 28.5%。综上所述，热铆接下的成形接头抗拉剪强度优于室温下进行铆接后的接头强度。热铆接成形后的接头经室冷、水冷、阀冷 3 种不同的冷却方式处理后抗拉剪强度依次增强。4 结论 通过仿真钢加热至不同温度的情况研究其对接56 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 头主要尺寸的影响，并对采取不同冷却方式处理后接头的抗拉强度及剪切强度进行拉力验证，得出以下主要结论。1）以 22MnB5 高强钢及 7050 铝合金板料为研究对象，并于 Abaqus 仿真软件中建立钢/铝异种材料的热铆接有限元模型，通过仿真和试验相结合并进行比较验证的方式，证明了工艺的可行性和模型的有效性。2）为了分析 22MnB5 钢加热温度对成形接头特征尺寸的影响，通过仿真控制高强钢不同的初始温度，并对仿真结果测量得出 tN和 tu皆表现出先增大后减小的趋势，进而分析得出 700 是高强钢的最佳铆接初始温度。3）以接头抵抗拉伸载荷的能力作为判断接头力学性能的标准建立试验，分析十字、一字 2 种搭接方式下的拉伸试验结果，得出高强钢加热至 700、铝合金不加热铆接，并对成形接头进行阀冷处理时效果最佳，接头抗拉伸能力最强。参考文献：1 ZHUANG Wei-min,SHI Hong-da,XIE Dong-xuan,et al.Research on the Lightweight Design of 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