张宇
安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽省合肥市 230601
摘要：本次研究对铝合金车身板件自冲铆生产工艺建立AMGA算法的分析方式，对自冲铆接接头进行性能分析，重点分析铆接接头力学性能与疲劳性能，在不同工艺条件下进行伸拉、剪切与剥离实验，得出接头力学性能，位移控制的打钉方式接头在拉伸载荷、剪切载荷、剥离性能等均高于能量控制，在 SPR 铆接时在金属板间中加入结构胶，可显著提升 SPR 接头力学性能，设计疲劳实验，在位移控制、能量控制时进行耐久力分析，计算焊点疲劳，显示其运行能够降低误差范围，达到良好的优化自冲铆接接头性能的实验效果。
关键词：合金车身板件；自冲铆接接头；力学性能；疲劳性能
自冲铆（SPR）工艺在汽车铝合金质量中运用较为广泛，属于一种冷连接技术，通过铆钉对铝合金的互锁而建立这种联系，能够有效连接镁合金、铝合金等轻质合金，自冲铆接工艺运用中，噪音较小，工艺操作较为简单，建立了自动化操作方式，运用中操作噪音较小。可运用AMGA算法优化汽车生产自冲铆工艺[1]。
1.实验方法
本次研究对象选择6016/T4、5182/T4型铝合金，运用能量控制、位移控制进行铆接试验，运用恒定的铆接速度下压铆钉，控制飞轮动能优化铆接工艺。运用AMGA算法对不同工艺参数铆钉进行拉伸试验、剪切试验、剥离试验，设置2 mm/min拉伸速率。运用Landmark疲劳试验机进行疲劳试验，采用120 kHz采样频率、设置80 Hz试验频率。
2.铝合金车身板件自冲铆接接头性能优化
2.1铆接接头力学性能优化
在不同工艺条件下进行伸拉、剪切与剥离实验，结合不同参数而分别进行3次实验，得出接头力学性能。研究可见SPR接头失效形式均自锁失效，分析拉伸、剪切、剥离试样中的典型失效样貌，结合形貌分析可见，此次研究中的接头失效都为拉脱失效，此次研究中可见，头高在0.5mm、0.3mm条件时系统运行中可有效避免或者减少接头失效与SPR穿刺现象，优化力学性能[2]。
研究2种不同铆钉下压方式下，拉剪载荷与不同几何头高之间的变化关系。通过数据分析可见，位移控制的打钉方式接头在拉伸载荷、剪切载荷、剥离性能等均高于能量控制，其重要原因之一是在位控制下能够获得更高的接头互锁数值。
接头头高和拉剪载荷两者之间呈相反的关系，在头高增加时，拉剪负载数值会相应降低，原因主要是由于头高的增大会降低互锁数值，在拉剪载荷与生育厚度之间对比关系不明显[3]。
在SPR铆接时，可在金属板间中加入结构胶，可提升 SPR 接头力学性能，本次研究中进行了拉伸、剪切、剥离试验，选择陶氏1840C的结构胶型号，对实验进行验证。见表1。
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运用带有结构胶的 SPR 接头可见，与位移控制的SPR 工艺相比，抗拉载荷提升了11.0%，剪切载荷提升 6.7%，剥离载荷则提升 9.2%，主要是由于结构胶具有粘接作用，可显著提升接头整体性能。
2.2铆接接头疲劳性能优化
对SPR接头疲劳情况设计疲劳实验，本次研究选择 ? 3. 3mm 、? 5. 3mm 两种型号铆钉，铝合金 SPR 接头环境温度设置 23 ℃，运用S-N曲线参数进行分析，得出疲劳试验数据。
在位移控制、能量控制两种运行方式下，疲劳性能保持较为平稳的状态，沿着垂直于载荷方向进行纵向扩展，SPR的工艺过程中，容易出现刺穿上层铝板而形成圆形孔洞现象，这一过程中孔洞微裂纹状态对接头疲劳性能会产生一定的影响作用。研究发现这两种状态运用下在铝板刺穿之后的微裂纹未出现明显差异。
车身结构中连接接头较多，生产工艺较为复杂，具有较长的疲劳实验周期，可以运用有限元方法实现SPR铆接接头的强度分析，以此预测接头的疲劳寿命，实现对车身的优化处理[4]。
连接接头在承受不同形式的载荷时，可通过分析板内焊点附近边缘的结构应力进行耐久力分析，可得到较为精准的结果。目前汽车生产中采用的主要连接单位为ACM单元，运行中输出节点力，并通过计算等效为节点上的弯矩与力矩，由此计算出焊核周围一圈焊线上的结构应力，并计算焊点疲劳。
运用AMGA算法得出S-N仿真曲线的截距450 MPa，设置-0.089斜率。研究中，1.5 kN载荷时，误差数值4.2%，1.2 kN载荷时误差数值0.8%，0.9 kN载荷时，误差时误差数值3.0%，0.8~1.6 kN载荷时，误差范围则小于等于5%[5]。
3.结束语
本次研究运用AMGA算法优化汽车自冲铆SPR工艺，在不同工艺条件下进行伸拉、剪切与剥离实验，得出接头力学性能，0.5mm、0.3mm头高时可有效避免接头失效与SPR穿刺现象，优化力学性能。位移控制的打钉方式接头在拉伸载荷、剪切载荷、剥离性能等均高于能量控制，可在金属板间中加入结构胶，提升 SPR 接头力学性能，运用带有结构胶的SPR 接头可见，可提升抗拉载荷11.0%，提升剪切载荷 6.7%，提升剥离载荷 9.2%，运用AMGA算法建立S-N仿真曲线进行接头疲劳分析，铝板刺穿之后的微裂纹未出现明显差异，可降低整体误差，达到性能优化的目的。
参考文献：
[1]卢嘉伟, 何晓聪, 丁文有,等. 复合材料/铝合金黏接-自冲铆接头力学性能[J]. 兵器材料科学与工程, 2019, 42(02):83-87.
[2]张凯, 闵峻英, 林建平,等. CFRP与AA6022-T4铝合金的自冲铆接接头力学性能分析[J]. 锻压技术, 2019, 44(001):150-156.
[3]刘洋, 庄蔚敏, 解东旋. 纤维增强复合材料与铝合金自冲铆接研究进展[J]. 材料导报, 2020, 034(011):53-63.
[4]王健强, 潘伟涛, 钱让发,等. 7075铝合金预加热处理对自冲铆接质量的提升[J]. 机床与液压, 2019(14).
[5]陈文娟, 尚永孝, 马瑾. Brief Analysis of Aluminum Alloy Body Connection Technology[J]. 汽车实用技术, 2019, 000(011):192-194.