Finite Element Simulation of Self-Piercing Riveting Process between Dual-phase Steel and 5754 Aluminum Alloy

双相钢与5754铝合金自冲铆接有限元仿真研究 Finite Element Simulation of Self-Piercing Riveting Process between Dual-phase Steel and 5754 Aluminum Alloy first-author 伊日贵（1992—），女，硕士，工程师，主要从事先进汽车用钢材料性能的研究。 伊日贵（1992—），女，硕士，工程师，主要从事先进汽车用钢材料性能的研究。 首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043 首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043 Shougang Research Institute of Technical, Beijing 100043, China Shougang Research Institute of Technical, Beijing 100043, China 汽车生产中车身钢板与铝合金薄板的连接主要采用自冲铆接。基于仿真软件研究5754铝合金与双相钢的自冲铆接过程，采用上铝下钢的搭接组合，对比不同强度双相钢的铆接结果的变化，分析其铆接接头的形成过程和剪切拉伸过程。结果表明，最大剪切力与互锁值和底部最小厚度有关，随着双相钢强度的增加（DP450、DP600、DP800），铆接接头的互锁值变小，底部最小厚度变大，综合其拉伸性能，双相钢强度为DP600时，铆接接头性能最优。 Self-piercing riveting (SPR) technology has been widely used in the connection of steel sheets and aluminum alloy sheets of a variety of material car bodies. And self-piercing riveting simulation technology is an important means to study self-piercing riveting technology. Based on SORPAS software, This paper studies the self-piercing riveting process of five-series aluminum alloy 5754 and dual-phase steel by simulation. Upper aluminum sheet and lower steel sheet is used for the lapping combination. With the increase of the strength of dual-phase steel, the variation of riveting results and the formation process and the tensile shear process of the rivet joints are analyzed. The simulation results show that as the strength of dual-phase steel increases (DP450, DP600, DP800), the interlock value of the riveted joint decreases and the bottom minimum thickness increases. Considering its tensile properties, the performance of the riveted joint of DP600 is the best. 自冲铆接 5754铝合金 双相钢 数值模拟 self piercing riveting 5754 aluminum alloy dual-phase steel numerical simulation 前言 1 近年来，伴随着汽车行业的蓬勃发展，石油能源匮乏、环境污染等众多问题也相继暴露，节能减排已是刻不容缓，通过车身轻量化来降低耗油量是目前汽车发展中的主要解决方式 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。当整车质量每下降10%时，相应的燃油效率可提高6%~8%，其中多材料车身是实现轻量化的重要途径。铝合金作为一种轻量化材料，在汽车制造中得到了广泛的应用，钢铝混合车身是未来汽车发展的主要方向 ［ 3 3 - 5 5 3-5 ］ 。由于脆性金属间化合物的形成，传统的焊接方法无法很好实现钢与铝的连接，当前SPR自冲铆接是钢铝连接的主要方式，自冲铆接工艺对材料的物理性能不敏感，且成形过程中无热输入，自冲铆接头静载强度约是点焊接头的1.5倍，疲劳强度可达电阻点焊的2倍 ［ 6 6 ］ 。 万淑敏 ［ 7 7 ］ 通过有限元模拟自冲铆工艺过程，并对搭接接头进行了仿真和试验分析，分析了影响接头力学性能的众多工艺参数，如模具尺寸、铆钉硬度等。Abe Y ［ 8 8 ］ 研究了不同强度和板厚的高强钢与铝合金的自冲铆接过程中铆钉变化、失效形式和接头力学强度，结合试验与仿真的手段证明了流动应力对高强钢板接头性能的影响。Mori K ［ 9 9 ］ 研究了无铆、电阻点焊和自冲铆接三种连接方式的接头强度及失效模式等。 考虑到车身所用材料牌号复杂、铆钉铆模型号种类繁多，探索钢铝自冲铆接工艺与接头力学性能之间的普遍关系对推动铝合金在车身的应用具有重要意义。对于主机厂而言，减少铆钉替换，对不同组合采用同种铆钉进行自冲铆，能够提升效率并降低生产成本。本文针对不同强度双相钢和5754铝合金的组合，采用同种铆钉铆模研究该组合适配的强度范围，对于生产研究具有一定的指导意义。 有限元建模 1 几何模型和网格划分 2 自冲铆接工艺是一个铆钉与两层板或多层板间形成牢固互锁的冷成形工艺，板材无需预开孔，简称SPR。根据SPR工艺过程中板材、铆钉和模具的位置关系，有限元的建立分为6个部分 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ ，自上而下分别为冲头、铆钉、压边圈、上层板、下层板和铆模，如 图1 图1 所示。考虑到SPR接头的对称性，采用轴对称模型建立模型单元，在模型中可以改变铆钉铆模的规格、板材厚度及冲头的下压速率。基于有限元法（FEM），采用自适应法进行网格划分 ［ 9 9 ］ ：铆钉钉腿和铆钉与板材交汇处为形变较大区域，网格密度划分为6；钉腿上部和铆模内部会发生挤压或者形变的部分网格密度划分为4；板材边缘和铆模边缘等不会发生较大形变位置的网格密度划分为1，如 图2 图2 所示。 SPR过程如 图3 图3 所示，压边圈下移压紧板料，铆钉也对板材进行预压紧，进入初始位置；冲头下移，铆钉在压力作用下刺穿上层板材，同时下层板料向凹模内发生塑性变形；铆钉继续下移，铆钉刺入下层板，下层板料继续发生塑性变形逐渐填充入凹模；最终，铆钉腿部在冲头和凹模的共同作用下张开，嵌入下层板从而形成了铆钉与板料间的机械互锁结构 ［ 10 10 ］ 。 板材工艺参数 2 本文研究1.45 mm厚度5系铝合金5754（上层板）与1.5 mm厚度不同强度冷轧双相钢（下层板）的SPR工艺过程。各板材的力学性能如 表1 表1 所示。 板材种类 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/% AA5754 140 240 20 DP450 300 480 28 DP600 410 650 26 DP800 570 875 20 铆钉工艺参数 2 铆钉的工艺参数包括铆钉的强度和硬度。为了达到最好的铆接效果，铆钉的材质、硬度与板材的厚度、材质、硬度应具有良好的匹配。铆钉过软会发生钉腿的墩粗而无法进行良好的自冲，铆钉过硬则在铆接过程中钉腿无法张开或将下板刺穿。本文采用C5.3×5.5H4规格铆钉，M260406规格铆模，铆钉的几何参数如 图4 图4 所示。 SPR 模拟结果分析 1 互锁值和底部最小厚度 2 评价铆接接头的主要参数为铆接后的互锁值和底部最小厚度值。互锁值是指铆接完成后铆钉腿部外边缘到被铆钉冲断的上层板的下边缘点的水平距离，互锁值越大，说明铆钉腿部嵌入下层板越深，铆钉与下层板形成的机械互锁程度越高，铆接接头的连接强度越高；底部最小厚度是指铆钉腿部尖端到下层板底部的轴向厚度，该值用来评价下层板在铆接后的强度，若数值过小则说明下层板强度不足，可能会产生裂纹。 随着双相钢强度提升（DP450、DP600、DP800），仿真结果的SPR接头断面形貌如 图5 图5 所示。经测量，DP450接头互锁值和最小厚度分别为0.892 mm和0.171 mm，DP600的接头互锁值和最小厚度分别为0.742 mm和0.307 mm，DP800的接头互锁值和最小厚度分别为0.892 mm和0.567 mm。根据一般汽车厂的质量标准要求，接头的互锁值和最小厚度均应大于0.2 mm，DP450铆接接头的互锁值满足一般要求，但其底部最小厚度偏小（低于0.2 mm），后期可能会产生裂纹；DP600铆接接头的互锁值和底部最小厚度均满足一般要求；DP800铆接接头的互锁值和底部最小厚度也均满足一般要求，但与DP600相比，铆钉腿部有明显墩粗现象。 1;2;3; 铆钉在下压过程中，冲头施加的载荷-时间曲线如 图6 图6 所示。在铆钉腿刺入上层钢板过程中，DP450载荷快速增加至6 kN，DP600载荷快速增加至8 kN，DP800载荷快速增加至9 kN，随着钢板强度级别的增高，加载力变大；随后在铆钉腿刺穿上层钢板、刺入下层铝板以及铆钉角扩张初期，载荷缓慢上升；直至900 ms左右铆钉腿开始在径向扩张，载荷急剧增加，最终达到最大加载力，形成互锁。随着钢板强度级别的提升，在同一铆接时间下，强度级别高的钢板所需载荷值更大。 铆钉可有效嵌入下层钢板中，随着下层钢板强度级别的提升，钉腿的张开程度下降，互锁值变小，底部最小厚度增大，如 表2 表2 所示。 上层板 下层板 互锁值Δ x /mm 最小厚度Δ y /mm AA5754 DP450 0.892 0.171 AA5754 DP600 0.742 0.307 AA5754 DP800 0.440 0.567 剪切拉伸试验 2 AA5754与DP450铆接接头仿真过程的剪切拉伸试验过程如 图7 图7 所示。50 ms时铆钉开始松动，450 ms时铆钉右部钉腿从铝材中拔出，直至550 ms时铆钉完全拔出。力学仿真结果如 图7d 图7d 所示，最大拉伸力为3.968 kN，铆钉与下板完全分离、钉脚处拉脱失效。 1;2;3;4; AA5754与DP600铆接接头仿真过程的剪切拉伸试验过程如 图8 图8 所示。50 ms时铆钉开始松动，200 ms时铆钉右部钉腿从铝材中拔出，直至700 ms时铆钉完全拔出。力学仿真结果如 图8d 图8d 所示，最大拉伸力为4.768 kN，铆钉与下板完全分离、钉脚处拉脱失效。 1;2;3;4; AA5754与DP800铆接接头仿真过程的剪切拉伸试验过程如 图9 图9 所示。50 ms时铆钉开始松动，250 ms时铆钉右部钉腿从铝材中拔出，直至450 ms时铆钉完全拔出。力学仿真结果如 图9d 图9d 所示，最大拉伸力为3.222 kN，铆钉与下板完全分离、钉脚处拉脱失效。 1;2;3;4; 分析剪切拉伸力学仿真模拟结果与接头铆接结果，DP450的底部最小厚度不满足要求（0.2 mm），但其互锁值较高，故拉伸性能良好；DP600的底部最小厚度大于临界值（0.2 mm）且互锁值较高，故其拉伸性能最好；而DP800互锁值较小，且铆钉有墩粗现象，所以其拉伸性能较差；综合而言，DP600的拉伸性能最好。 SPR 试验结果分析 1 为验证仿真的准确性，基于Henrob自冲铆设备，采用与仿真试验相同的条件，针对DP600进行实际自冲铆接试验，铆接采用C5.3×5.5H4规格铆钉和M260406规格铆模，采用1.45 mm厚度AA5754铝合金和1.5 mm厚度DP600钢板进行自冲铆试验，对铆接接头进行截面分析和力学拉伸试验。 铆接截面如 图10 图10 所示，左右互锁值为0.68 mm和0.69 mm，均值0.685 mm，左右底部最小厚度分别为0.28 mm和0.29 mm，均值0.285 mm；其力学结果如 图11 图11 所示，最大拉伸力为4.181 kN。对比仿真结果发现，DP600的自冲铆接头试验结果与仿真结果差异较小，处于允许波动范围内，有效验证了仿真结果的有效性。 结论 1 （1）对5754五系铝合金与双相钢自冲铆接过程进行了数值模拟，结果表明，随着钢板强度级别的提升，在同一铆接时间下，强度级别高的钢板所需载荷值更大；随着钢板强度的提升，铆接互锁值变小，底部最小厚度增大。 （2）模拟得到铆接接头剖面图及接头剪切拉伸过程的力学曲线，经比较：最大剪切力与互锁值和底部最小厚度有关，当这两个参数达到一个最优状态时，力学结果较好。互锁值与底部最小厚度均是越大则性能越优，其临界值一般取0.2 mm。 （3）对于本文采用的铆钉而言，上铝下钢的组合，下层板双相钢强度在DP600时，铆接接头的性能最优；且该铆钉同样可适用于DP800强度的钢板。 （4）DP600自冲铆试验结果显示，铆接接头互锁值、底部最小厚度和最大拉伸力分别为0.685 mm、0.285 mm、4.181 kN，与仿真结果0.742 mm、0.307 mm、4.768 kN相近，验证了仿真结果的有效性。 参考文献 张凯希 . 超高强钢与铝合金自冲铆接技术研究 ［D］. 吉林 ： 吉林大学 ， 2017 . 超高强钢与铝合金自冲铆接技术研究 ZHANG K X . 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