结构胶对钢铝热融自攻丝工艺的影响研究

王健强，顾延巩，高 朗,杨 栋

(1.合肥工业大学 机械工程学院,合肥 230009；2.上海蔚来汽车有限公司,上海 201805)

0 引言

汽车轻量化的趋势下，铝合金薄板材料被广泛应用于车身制造。目前，越来越多的汽车公司应用钢铝混合车身，使用铝合金材料以及高强度的钢件薄板替代传统钢件和组件，实现车身的轻量化和高强度[1-2]。然而，钢铝接头由于电位差较大，易产生电化学腐蚀[3]。在钢铝接头中引入结构胶，既能有效阻隔异质板材直接接触，又能获得更好的连接强度。

在车身连接工艺中，对于钣金与型材等空腔封闭结构，由于空间限制，自冲铆接、电阻点焊等常用双边连接工艺不能达到连接目的。目前车身连接广泛应用的单边连接工艺是热融自攻丝工艺(Flow Drill Screw简称FDS)。FDS是一种较为新型的连接工艺，依靠下压高速旋转的螺钉，刺穿板件，形成自攻丝螺纹的螺纹连接工艺，具有连接板材多样、螺钉可拆卸等优点。目前，国内上汽通用、蔚来等多家汽车制造商已应用该工艺。

Miller等[4]研究了不同材料FDS连接后的材料组织变化。Szlosarek等[5]研究了碳纤维与铝板通过FDS连接后的接头力学性能。Sønstabø等[6]对FDS接头进行静态和动态测试并建立仿真模型。国内对FDS的研究处于起步阶段，赵一鸣等[7]对SPR、FDS和IW接头力学性能进行了对比。洪意飞等[8]对FDS连接技术的发展现状进行了介绍，林巨广[9]等研究了FDS工艺参数对接头质量的影响。

然而，结构胶引入FDS对接头的影响还未见相关研究。因此本文拟以DC56D+Z软钢和6082-T6铝合金为研究对象，研究结构胶对FDS工艺成型过程，接头晶相几何特征及连接质量的影响规律，为FDS工艺的开发和应用提供指导。

1 试验设备、材料和方法

1.1 FDS设备

本研究采用Deprag公司的FDS连接设备，其基本配置包括钻体、送钉系统、控制器、显示器和紧固螺钉，见图1。该设备有独立的电动伺服拧紧系统和压力进给系统，拥有自动监控系统反馈连接质量，最高转速可达8000r/min，最大扭矩15N·m，进给压力最高3500N。

设备所用的紧固螺钉由Arnold公司提供，见图1b，它由5个部分组成：螺钉头部、凹槽、紧固螺纹、攻丝螺纹和螺钉尖部。螺钉头部设计较为宽厚，可承受较大的下压力和扭矩。尖部涂有专用涂层，硬度高耐高温，保证螺钉在工艺过程中不产生变形。本试验选用的螺钉型号为M5x22。

(a) FDS连接设备 (b) FDS紧固螺钉 图1 FDS连接设备及紧固螺钉

1.2 试验用胶、板件和工艺参数

试验所用结构胶为汉高1840C汽车结构胶，搭接上层板为DC56D+Z，下层板为6082-T6，板件力学性能见表1。

表1 试验板件的力学性能

根据实际生产要求，试验中结构胶涂胶均匀连续且直径保持在3mm，热融自攻丝工艺完成后，将试片放置180℃保温箱中，保温30min固化。试验所用烘箱型号为DGH-9030A。

在FDS工艺试验过程中，主要考虑轴向下压力、螺钉转速和拧紧扭矩这三个工艺因素对接头质量的影响。通过工艺试验确定了试验板材最佳工艺参数为：轴向下压力：1100N；螺钉转速：6500rpm；拧紧扭矩：11N.m。

1.3 接头晶相检测标准

FDS接头连接质量主要通过外观检查、晶相检测和力学强度检测评价其连接质量。本文主要通过晶相检测和强度检测来评价接头连接质量，见图2，晶相检测主要测量板间间隙S和螺纹深度D。

图2 FDS接头晶相检测标准

板间间隙指接头上层板和下层板的间隙。一般情况下，汽车制造商会依据板材规定上限，间隙过大不仅影响美观，也会影响接头抗腐蚀性能和力学性能。螺纹深度指板件下层板被攻丝形成的螺纹深度，影响接头的应力分布情况，螺纹越深，应力分布越均匀，表现出的力学性能也就更好。测量螺牙深度时，只测量下层板件的前三个螺纹深度。

1.4 剪切强度测试

本文的剪切试验在中路昌WDW-50M设备上进行，设备最大拉力50kN，拉伸速度均为5mm/min。拉伸试样见图3，试样规格为40mm×100mm，夹持部分长度为40mm(图中涂色部分)，重合部分长度是40mm。在制作接头前，先用酒精擦拭板件表面，去除油污。为了对比结构胶加入FDS对其影响，本文对FDS(纯FDS接头)、AB(纯胶接接头)、FDS-A(FDS和结构胶的混合接头)三种接头进行对比研究。

图3 剪切强度测试试样

2 试验结果分析和讨论

2.1 结构胶对FDS过程中扭矩和下压力影响

FDS加入结构胶使得板间间隙变大，改变了上层板和下层板、螺钉和下层板件的摩擦因数，对连接过程中的扭矩及下压力曲线产生一定的影响，并最终影响接头的连接质量。在使用Deprag连接设备制作接头的过程中，其监控系统自动记录下压力-时间和扭矩-时间的变化曲线，如图4所示,可以看出如下特征：

(1)与传统FDS工艺一样，引入结构胶后，工艺成型过程中下压力和扭矩随时间变化曲线分为5个阶段，见图5，即定位阶段，孔成型阶段，螺纹成型阶段，攻入阶段，夹紧阶段(图中以FDS曲线进行阶段划分)。

(2)在定位阶段，螺钉与设备啮合，压板下压，夹紧板件。板件间结构胶阻碍了压板下压，延长了夹紧时间，使得整个过程滞后了约200ms。

(3)孔成型阶段下压力有所减小。高转速螺钉下压板件进行钻孔，结构胶被进一步挤压，朝四周流动，缓冲掉部分压力。螺钉刺穿板件时，结构胶发挥润滑作用，降低螺钉与下层板之间的摩擦，降低下压力和扭矩。

(4)螺纹成型阶段，攻丝螺纹开始进入下层板，粘附的结构胶继续发挥润滑作用，降低扭矩。

(5)攻入阶段和夹紧阶段，螺钉与板件紧密连接，已再无空间发挥结构胶的缓冲润滑作用，这两个阶段的曲线差异不大。

图4 FDS过程压力-时间和扭矩-时间变化曲线

图5 FDS工艺过程

2.2 结构胶对接头几何质量的影响

为研究结构胶对接头几何质量的影响，试验分别制作1组FDS和混合接头晶相，如图6所示，并测量接头的板间间隙和有效螺牙深度，结果见表2，发现混合接头的板间间隙明显大于FDS接头，螺纹深度相差不大。

结合图6中力矩、下压力的变化曲线，总结出结构胶对FDS接头几何质量的影响规律：

(1)在定位阶段，下压力较低，无法完全消除结构胶带来的间隙增大。进入孔成型阶段，下压力较大，此时高转速的螺钉使上层板发生塑形变形，形成穿刺批锋填充到连接点四周的板间间隙中，使得板件间隙很难再被减小，导致混合搭接接头的板件间隙大于FDS。

(2)进入螺纹成型阶段，攻丝螺纹进入下层板，板材随螺钉挤压变形，在孔内壁重新分布形成螺纹，形成的螺纹深度主要与材料属性有关，因此混合搭接和FDS接头螺牙深度均值相差不大，并且由于螺纹啮合的关系，此阶段以后的板间间隙不会再发生变化。

(a) FDS接头晶相 (b) FDS-A接头晶相 图6 接头晶相

表2 接头几何质量测量结果

2.3 结构胶对接头剪切强度的影响

剪切强度是检验接头准静态力学性能的重要参考指标，反映接头抗剪性能。制作三种接头，测其剪切力-位移曲线和强度，分别见图7和图8，结果显示混合接头和纯胶接头剪切强度相近，均比FDS接头强度高。呈现以下特征：

(1)纯胶接头在拉伸初期急剧上升，处在弹性变形阶段，塑形变形的屈服阶段不明显，屈服之后有一段缓慢下降阶段，然后曲线突然急剧下降。接头失效模式为内聚破坏。观察失效过程，接头最先发生失效的是搭接末端粘接剂的内聚破坏，因此判断搭接末端产生了应力集中。加之固化后的结构胶刚度较大，一旦达到接头最大剪切强度，搭接胶层开始从一端断裂，迅速蔓延至另一端，观察到的过程也与图7中纯胶接头拉伸力-位移曲线相符。

(2)FDS接头接头的失效过程，是螺钉从下层板中被拉出的过程，该过程中螺钉与上、下板件的摩擦力及上、下板之间的摩擦力均起到了延长变形位移的作用。拉伸过程中，上、下板件螺纹孔朝一端变形，直至螺纹附近板件完全剪切断裂。拉伸过程中表现出良好的静态承载能力和失效变形能力使FDS接头具有良好的吸能特性。

(3)混合接头剪切强度是FDS的1.62倍。混合接头失效模式分为两段：失效过程前半段表现为结构胶的内聚破坏，此时剪切力峰值与纯胶接近；后半段表现为螺钉周围下层板撕裂，失效曲线与FDS相近。这说明在结构胶内聚破坏之前，结构胶承受了绝大部分载荷，内聚破坏之后，螺钉连接才开始承受载荷，混合连接接头剪切峰值性能完全取决于结构胶。

图7 FDS、FDS-A、AB接头剪切力-位移曲线

图8 FDS、FDS-A、AB接头剪切强度对比

3 结论

本文研究了结构胶引入钢铝混合FDS接头对过程曲线及成型过程的影响，分析结构胶对接头几何参数的及准静态力学性能的影响规律，得出以下结论：

(1)结构胶在FDS工艺过程中可发挥良好的缓冲润滑作用，降低工艺过程中的扭矩和下压力。尤其在孔成型阶段和螺纹成型阶段，结构胶降低上层板和下层板、螺钉和下层板之间的摩擦因数，有效降低两阶段中的峰值扭矩和峰值压力。

(2)结构胶增大了FDS接头的板间间隙。在定位阶段，初始下压力较小，不足以大幅减小板间间隙，使较大的板间间隙保存至孔成型阶段。接头上层板在穿刺时形成的披锋填充至板间间隙，以及螺纹啮合的关系，使板间间隙再也无法减小。

(3)同FDS接头相比，混合接头拥有良好的抗剪性能和吸能特性，剪切强度提升了62.6%。混合接头在剪切拉伸过程中，结构胶先承受载荷，在结构胶失效后，接头仍能继续承受载荷。