摘要：介绍了一种新型汽车用钢板和铝板连接技术，该技术通过钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板点焊两步工艺实现了钢铝连接，称之为智能焊接（Intelligence Welding,IW）。建立了钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板焊接的有限元仿真模型，通过有限元分析方法对钢钉结构尺寸进行设计优化以提升连接可靠性；同时建立了IW钢铝连接接头的静态剪切有限元仿真模型，为后续IW连接的正向开发和应用奠定了技术基础。通过钢钉结构尺寸优化，IW钢铝连接接头的静力学剪切性能与自冲铆连接（Self Piece Rivet,SPR）、自攻螺纹连接（Flow Drill Screw,FDS）相当。
关键词：有限元仿真 静力学剪切试验 自冲铆连接 自攻螺纹连接
1、引言
在能源日益短缺和环境日益恶化的背景下，研发节能减排的汽车技术是减少能源消耗和降低环境污染的必由之路。从发展趋势上看，整车轻量化是汽车节能环保最具实施效率的措施。由于车身质量一般占整车整备质量的25%～30%，因此车身的轻量化对节能减排至关重要。
铝合金等轻质金属低密度的先天优势，使得这些材料的应用逐渐成为车身轻量化的发展方向，但由于熔点和热膨胀系数等固有特性的不同，导致铝板与钢板无法通过传统点焊方式连接。为此，本文引入了一种新型汽车用钢板和铝板连接IW技术，该连接技术通过钢钉冲铆铝板和钢钉与钢板点焊两步工艺实现了钢铝连接。本文借助钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板焊接的有限元模型对钢钉结构尺寸进行优化，以确保连接可靠性。同时建立了IW钢铝连接接头的静态剪切有限元仿真模型，为后续IW连接的正向开发和应用奠定了技术基础。通过钢钉结构尺寸优化，IW钢铝连接接头的静力学剪切性能与自冲铆连接、自攻螺纹连接相当。
2、钢铝IW连接方式
钢铝IW连接的具体实施方式如下：首先，特制钢钉通过传送机构传送至铆模中，再利用钢钉和铆模将已定位好的铝板冲孔并将冲孔废料排出，最终完成钢钉嵌铆入铝板中的结构，如图1所示。其次，在预连接位置区域的钢板一侧涂适量结构胶，以保证钢板和铝板之间的电化学防腐及提高连接强度（结构胶通过电泳烘房烘烤，使其固化以实现其提高连接强度的作用）；最后，通过电阻点焊机在钢钉和钢板之间完成点焊，实现铝板与钢板的连接，如图2所示。
图1 钢钉冲铆铝板
图2 涂胶及钢钉和钢板点焊
该钢钉在冲铆和焊接完成后主要存在3个连接功能区：钢钉腿部与下层钢板的焊接熔核区、钢钉杆与铝板之间的形成的铆接锁止区以及钢板、铝板和结构胶之间形成的胶接增强区，如图3所示。
图3 IW的3个连接功能区
3、基于有限元仿真分析的钢钉结构优化和剪切模型建立
3.1 钢钉冲铆铝板的有限元模型建立及验证
仿真研究的流程如图4所示。首先，根据几何尺寸数据进行CAD建模，将完成的三维模型导入Hypermesh中划分网格进行前处理，生成LS-Dyna关键字文件（k文件）；随后，在LS-Prepost里编辑材料属性、边界条件等关键字信息，将此k文件导入LS-Dyna里进行求解计算；最后，在LS-Prepost中进行后处理，查看接头的几何形貌和应力应变等计算结果。其中，图5为基于几何尺寸建立的CAD模型，图6为在Hypermesh软件中完成划分网格的CAE模型。为保证计算的精确性，铝板在失效区域网格划分最细，同时为了提升计算效率，铝板两端的网格划分疏松。
图4 有限元仿真流程
图5 冲铆CAD模型
图6 冲铆CAE模型
为仿真铝板的裂纹扩展，需要设置相应网格的失效断裂条件，即当此网格的某特征值达到指定值时，网格即被删除，两侧部件分开脱离。鉴于本模型钢钉和落料模的间隙极小，铝板形变以致断裂的过程都是纯剪切，所以采用剪切应变的大小作为失效模式的判据。剪切应变定义为平行截面间相对滑移与截面垂直距离之比，如图7所示。
图7 剪切应变定义
为选定合适的剪切应变临界判定值，分别设置剪切应变失效条件为εfailure=0.5、0.6和0.7进行仿真，过程见图8。当εfailure=0.5时，网格承受剪切变形能力低，断口直径小于钉体直径，发生过早断裂；当εfailure=0.7时，网格承受大变形能力过强，两侧粘连不断，不能及时发生断裂；当εfailure=0.6时，断裂过程较为合理且最终形貌比较理想，因此选择剪切应变εfailure=0.6作为网格的失效断裂准则。
图8 3种不同剪切应变判据的过程比较
有限元仿真的可信度是获得可靠预测结果的前提，因此必须验证有限元模型的准确性。我们将钢钉冲铆铝板的仿真结果与实际试验中的金相断面进行尺寸比较，如图9所示：左半图为实际冲铆工艺完成后的金相断面，右图为冲铆仿真完成后的截面状态，A、B、C和D4个参数分别为冲铆完成后钢钉法兰盘的高度、钢钉法兰盘下表面距落料模的高度、钢钉的钉体径向尺寸以及钢钉的法兰盘径向尺寸。由表1可知，试验和仿真的A、B、C和D 4个参数在数值上非常接近，因此可以判断钢钉冲铆铝板的有限元仿真模型可信。
图9 冲铆完成后试验和仿真的断面对比
表1 断面尺寸对比
3.2 基于有限元模型分析的钢钉结构设计优化
考虑冲铆完成时刻的钢钉对铝板平均压应力可直观评价冲铆完成后的连接强度，因此我们根据钢钉冲铆铝板的有限元分析结果提取该平均压应力作为评价指标，并以此对钢钉结构尺寸进行设计优化以提升连接强度。具体待优化的尺寸参数如图10所示，其中α为钢钉腿部末端倾斜角度，β为钢钉头部倾斜角度。
图10 待优化钢钉尺寸参数（尺寸单位为mm）
表2 钢钉腿部末端倾斜角度α与平均压应力的关系
以钢钉腿部末端倾斜角度α、钢钉头部倾斜角度β两参数为研究因素，建立不同因素水平的钢钉CAD模型并以此建立有限元模型进行CAE模拟分析，得出相应的平均压应力如表2、3所示：
表3 钢钉头部倾斜角度β与平均压应力的关系
由表2、3可知：钢钉腿部末端倾斜角度α与平均压应力无明显相关性；钢钉头部倾斜角度β与平均压应力呈现出正相关性，即钢钉头部倾斜角度越大，平均压应力越大，连接强度越高。考虑到钢钉实际加工中的工艺限制（β大于10°钢钉无法加工），此处我们取β=10°作为钢钉的优化尺寸。
3.3 钢钉结构优化后的连接（不含结构胶）静态剪切有限元模型建立及验证
为了研究焊接完成后接头的连接强度同时获取接头的剪切失效状态，需对优化后的钢钉接头进行静态的剪切试验，具体试验条件如图11所示。结构胶由于其复杂的力学性能以及对工艺环境的高敏感性，需单独进行深入分析，因此不属于本模型研究范围。接头的静态剪切失效形式如图12所示为铝板失效，即静态试验过程中的剪切载荷超过铝板的抗拉极限从而发生变形，当变形超过一定程度后，铝板从钢钉的法兰盘中拉脱，连接分离；试验过程中钢钉和钢板的焊接点完好，未出现失效的情况。
图11 接头静态剪切试验图（尺寸单位：mm）
图12 接头的静态剪切失效状态
根据上述试验结果，同时为了提升钢钉与钢板的焊接有限元建模效率，决定采用刚性连接的方式替代焊点参数建模以表示该连接在静态剪切中的力学性能。焊接位置处的焊核尺寸仍根据金相试验中获取的焊核尺寸进行设定，如图13和14所示。
图14 限元模型中的焊核直径
为了验证焊接有限元建模方式的准确性，同时建立IW连接的正向开发和应用技术基础，我们再次利用有限元仿真方法对接头的静态剪切工况进行建模，通过比较试验和仿真结果中的剪切失效载荷和失效位移进行模型准确性的判定。出于提高计算效率、节省计算时间的考虑，依据此模型的对称性，将模型按中轴线一分为二，并按照右侧部分作为基准模型进行CAE建模，如图15所示。其中钢板牌号为GMW3032M-ST-S-CR340，厚度为1.0 mm；铝板牌号为GMW15192M-AL-S-5000-RSS-110-U，厚度为1.4 mm。
图15 接头静态剪切有限元模型建立
由图16可知，在静态剪切载荷状态下，IW接头的力-位移仿真曲线轨迹基本与试验结果保持一致。根据表4可知，接头静态剪切的有限元仿真结果和试验结果十分接近，其中：失效载荷的有限元模拟值相较于试验平均值偏差0.89%，失效位移的有限元模拟值相较于试验平均值偏差3.98%。综上，认为IW接头的静态剪切有限元仿真模型可信。
图16 试验和仿真的静态剪切力-位移曲线
表4 静态剪切的试验和仿真结果比较
4、钢铝IW连接的静力学性能研究
由于业内并未有合适的标准评判钢铝连接接头的力学性能，考虑到SPR和FDS是目前钢铝混合车身中应用最为广泛且成熟的钢铝连接方式，因此以SPR和FDS接头的力学性能为基准来判断IW接头的力学性能。此处沿用图11的试验条件进行试片级别（有结构胶）的接头静力学剪切试验，并在相同板厚和板材条件下对SPR、FDS和IW3种连接方式的最大的剪切失效载荷进行测量。其中钢板牌号为GMW3032M-ST-S-CR340，厚度为1.0 mm；铝板牌号为GMW15192M-AL-S-5000-RSS-110-U，厚度为1.4 mm。每种连接方式有三个试验样本。
由图17、18、19可知，在剪切载荷状态下，IW接头的位移-力曲线轨迹和拐点基本与SPR和FDS接头保持一致：位移在0～0.5mm范围内，由于只发生铝板的弹性变形，因此三曲线曲率基本保持一致；在位移0.5mm时，三曲线皆出现类似于材料拉伸曲线中“弹性变形向塑形变形”的转变；位移0.5mm以后，由于连接方式的差异导致三条曲线表现出曲率和极值的不一致。
由于结构胶的加入，IW接头的连接强度大大提升，相比于无结构胶的连接强度提升了近130%。此外，IW剪切接头的最大失效载荷均值相比于SPR和FDS接头分别上升5.19%和2.08%；IW剪切接头在发生失效时的平均位移相比于SPR和FDS接头分别下降7.14%和10.46%。可见，IW剪切接头的静力学性能略高于SPR和FDS接头，且失效变形较小。
图17 SPR剪切接头的最大失效载荷和失效位移
图18 FDS剪切接头的最大失效载荷和失效位移
图19 IW剪切接头的最大失效载荷和失效位移
5、结论
a.借助钢钉冲铆铝板的有限元仿真模型对钢钉结构尺寸进行优化，提升了IW连接强度；
b.根据接头的静态剪切失效状态和焊核金相尺寸建立了钢钉与钢板焊接的有限元仿真模型并通过验证；
c.在钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板焊接的有限元仿真模型基础上，进一步建立了静态剪切有限元仿真模型并通过验证，为后续IW连接的正向开发和应用奠定了技术基础；
d.IW接头的静力学性能略高于SPR和FDS且失效变形较小，后期仍需对其接头的疲劳耐久性能以及变应变率条件下的力学性能进行进一步分析，确保满足工程应用要求。
来源：《汽车工艺与材料》
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