车身结构胶对FDS连接接头抗剪切性能影响的研究

王维，丁华，冯波，张杰

(吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江宁波 315000)

0 引言

目前车身轻量化已成为节能减排的重要手段。随着汽车总量不断增加，节能减排性能正在逐渐成为世界汽车制造商保持竞争力的重要指标。研究表明，车身轻量化对降低汽车油耗、减少尾气排放有显著作用，是近年来汽车制造技术发展的主要趋势之一[1]。

钢铁行业的发展为汽车工业的不断创新提供了强劲的材料后盾，但随着世界各国对节能减排的要求越来越迫切，汽车行业迎来了轻质铝合金逐步替代全钢铁车身的大趋势。汽车每减重10%，油耗可降低6%～80%[2]。随着铝质材料被引进汽车制造行业，制造连接技术也随之发生了转变，传统的高效、廉价、性能优越的电阻点焊已不能完全满足钢铝混合车身的连接应用。随着越来越多的铝及铝合金结构件在制造业中的应用, 铝与钢的连接成了人们所关心的问题[3]。FDS(Flow Drill Screw)连接技术以及SPR(Self-piercing Rivet)等适用于钢铝等不同材质的冷连接技术广泛应用于白车身制造行业。相应地，传统连接技术如电阻点焊、结构胶接技术与这些新的连接技术的融合使用成为车身制造的一个重点研究领域。周江齐等[4]在其研究中指出，胶铆复合有利于结构胶发挥抗剪强度高的优势，使连接接头抗剪性能提高到纯自冲铆接(Self-Piercing Rivet，SPR)接头的2倍以上。但对于FDS连接技术，国内研究较少。本文作者基于FDS连接技术，通过实验对比的方法，以1.2 mm厚的HC420/DP780双相钢与3 mm厚的6082铝合金板连接为例，进行两层及三层铆接实验，研究增加结构胶与无结构胶情况下FDS接头的抗剪切性能差异，为后续车身制造及设计提供借鉴。

1 实验设备、材料和方案

1.1 FDS设备

研究采用的是德国Deprag公司生产的ADFS自适应紧固系统设备。主要组成部分有主机、电气柜、拧紧单元、通信及动力电缆、送钉机构，如图1所示。图2是此次实验用的集成好机械手臂的FDS铆接设备，实验条件与量产生产线上一致。

FDS技术是以伺服电机通过高速旋转，带动螺钉自行在铝板或是钢板上经过定位、钻孔、攻丝、拧紧、落座等步骤自动完成钢板及铝板连接的一种自攻丝旋转铆接技术。此实验研究中采用的螺钉是由德国Arnold制造的M5×22外蘑菇头螺钉，如图3所示，它也是汽车制造行业广泛应用的一种钉子。

图2 机器人铆接工作站实验台

图3 FDS实验钉子(旋转钻螺钉)M5×22

1.2 实验FDS接头板材及结构胶

实验中，采用1.2 mm厚的150 mm×40 mm的DP780高强钢板，以及相同尺寸的3 mm厚的6082铝合金板，具体实验搭接尺寸如图4所示。

图4 试片几何尺寸

目前主流的车身FDS连接工艺主要采用钢板预开孔，将螺钉拧紧至铝板的连接方式。 故此次实验接头的板材条件模拟实际连接特点，针对二层板1.2 mm DP780高强钢板+3 mm 6082铝合金板搭接，钢板开孔φ7 mm;针对三层板1.2 mm DP780高强钢板+1.2 mm DP780高强钢板+3 mm 6082铝合金板搭接，与铝板搭接的第一层钢板开孔φ10 mm，最上层钢板开孔φ7 mm。板材的力学性能如表1所示。

表1 材料主要力学性能参数

实验所使用的结构胶为Sika Power-496，技术参数如表2所示，胶接的烘烤条件为175 ℃、20 min。

表2 结构胶的技术参数

1.3 实验方案

实验研究主要进行两层板和三层板的纯FDS钉连接、纯结构胶连接、钉加胶复合连接测试。具体实验方案如表3所示。

表3 实验方案

因FDS连接是一种螺钉拧紧连接，需要考虑到扭矩衰减，故FDS连接后，放置12 h后进行拉伸试验。关键连接参数主要为最终拧紧力矩，两层板最终拧紧力矩为10.5 N·m；三层板最终拧紧力矩为11 N·m。每种连接各选5—7组进行试验。拉伸测试条件：拉伸速度为12 mm/min,金属室温拉伸。

2 拉伸结果对比及分析

因拉伸试验机设置的原因，文中每种组合试验的拉伸曲线最多显示5条。

2.1 两层板纯结构胶铆接拉伸测试结果

测试结果如图5所示，最大拉伸力均值为28 129 N，失效类型为铝板断裂。

图5 两层板纯结构胶的拉伸结果

2.2 两层板无胶FDS铆接拉伸测试结果

测试结果如图6所示，最大拉伸力均值为8 921 N，失效形式为铝板拉脱及铆钉断裂两种。

图6 两层板无胶FDS连接的拉伸结果

2.3 两层板加胶FDS铆接拉伸测试结果

测试结果如图7所示，最大拉伸力均值为26 787 N，失效形式为铝板拉脱及结构胶撕开及铆钉断裂。

图7 两层板加胶FDS连接的拉伸结果

2.4 三层板纯FDS铆接拉伸测试结果

测试结果如图8所示，最大拉伸力在9 234 N左右，失效形式为铆钉断裂。

图8 三层板无胶FDS连接的拉伸结果

2.5 三层板加结构胶的FDS铆接拉伸测试结果

测试结果如图9所示，最大拉伸力均值为25 928 N左右，失效形式为结构胶先失效铝板铆钉断裂和结构胶未破坏、铆钉断裂两类。

图9 三层板加结构胶FDS铆接测试

最大拉伸力实验数据总结如表4所示。

表4 最大拉伸力实验结果

3 结论

从以上实验结果，可以得出如下结论：

(1)纯FDS连接抗剪切强度低于增加结构胶的FDS连接；钢板材料相同的两层板带预开孔的FDS连接抗剪切强度与三层板FDS连接抗剪切强度相差不大。

(2)增加结构胶使用会提高FDS接头的抗剪切强度，同种搭接抗剪切强度会提高到无结构胶状态的3倍左右。