DC54钢板与6082-T6铝板热熔自攻丝工艺参数优化

热熔自攻丝(Flow-drill screws,FDS)工艺是一种新型连接工艺,发明于1990年,尼桑、路虎、保时捷、宝马等众多汽车品牌也都引入了热熔自攻丝连接工艺[1]。

国外学者对热熔自攻丝工艺做了一定的研究。Szlosarek等[2]通过试验研究了碳纤维增强聚合物与铝合金板件之间的热熔自攻丝连接接头在不同准静态载荷下的性能,分析了接头的破坏及失效模式。Skovron J等[3]研究了工艺参数如何影响热熔自攻丝接头的几何形状,并进行了强度测试以验证所发现的规律。S?nstab? J K等[4]研究了在不同准静态载荷作用下,铝合金板件之间热熔自攻丝连接的力-位移响应曲线及失效模式。Grujicic M等[5]提出了一种计算方法来估算工艺参数及材料参数对热熔自攻丝接头连接质量及力学性能的影响。S?nstab? J K等[6]对铝合金板件6061-T4与6063-T6之间的热熔自攻丝连接在不同准静态载荷作用下的性能进行了试验与仿真的对比,验证了仿真的可行性,并提出了一种简单的方法来构建连接的几何模型。Scholz C S等[7]研究了腐蚀条件对铝镁合金、高强度钢、不锈钢之间的热熔自攻丝接头的力学性能的影响。Nagel P等[8]尝试在不预开孔的情况下用热熔自攻丝工艺来连接纤维增强塑料与金属材料,并且通过接头的宏观微观截面、力学性能、超声波及腐蚀来评价接头的质量。

国内学者对热熔自攻丝工艺的研究较少。目前热熔自攻丝工艺的研究还远远不够,仍缺乏大量的试验研究。

本文以车身中常用的DC54钢板及6082-T6铝合金板为研究对象,对钢铝异种材料的热熔自攻丝连接进行了试验研究,在此基础上通过响应曲面设计对板间间隙进行了单目标优化,选出了影响间隙的较优工艺参数。

热熔自攻丝通过专用的螺钉高速旋转软化被连接板材,并在轴向下压力的作用下挤压并旋入被连接板材,最后在螺钉与板材之间形成螺纹连接,中心孔处的材料则被挤出并在下层板件的底部形成环状套管。其工艺过程如图1所示分为5个阶段,从左至右依次为定位、孔成形、螺纹成形、攻入、夹紧。

热熔自攻丝主要应用在车身地板、车门内板、后板内板及行李箱盖等部位,可在较小变形的情况下实现单边连接[9]。

为了探究工艺参数对热熔自攻丝接头连接质量及准静态载荷作用下力学性能的的影响,为实际应用提供指导。

连接质量是通过板件连接截面的间隙及螺牙深度来评判,间隙及螺牙深度见图2。所测量间隙位于钉帽边缘正下方,取左右两侧间隙均值为间隙值。图2所示为右侧间隙的测量,间隙越小越好。取下层板内任意一侧连续排列的3个螺牙深度均值为螺牙深度值。图2所示为其中一个螺牙深度的测量,螺牙深度越大越好。

力学性能是通过板件的十字轴向拉伸测试的最大力及剪切测试的最大力来评判,试件的搭接方式及尺寸见图3。两种搭接均是钢板在上且固定,铝板在下且被拉伸,拉伸方向如箭头所示。图3a中?7为安装孔,板件重叠区域长宽均为40mm;图3b中夹紧区域及重叠区域长度均为30mm,宽度均为40mm。螺钉位于重叠区域中心。

本文以车身结构中常用的DC54钢板及6082-T6铝合金板件作为试验材料,因当前的薄板连接趋势为采用更薄的钢板,故选用厚度为0.8 mm的钢板来进行试验,试件的尺寸如表1所示。

使用Deprag公司生产的热熔自攻丝设备(图4a)进行试验,使用Arnold公司生产的Flowform螺钉M5×22来连接板件,使用专用的切割机对称的切割连接接头,并用光学显微镜(图4b)测量截面,使用某拉伸试验机(图4c)来进行准静态载荷试验,并设定拉伸速度为10 mm/min。

本文选择钢铝搭接组合A、孔成形阶段的轴向下压力B及最后拧紧阶段的拧紧扭矩C作为试验因素。钢铝搭接组合按下层铝板厚度不同共0.8 mm+3 mm、0.8 mm+3.5 mm、0.8 mm+4 mm这3个水平;轴向下压力共选取700、900、1100 N这3个水平;拧紧扭矩共选取7、9、11 N·m这3个水平。

根据上面所选的试验因素及水平,这是三因素三水平试验,选用L9(34)正交表进行试验,该正交表共计9组试验。试验按表2中所列进行,并将试验结果的数据填入表3中。共有3次试验。第1次试验是剪切试验,第2次试验是十字轴向拉伸试验;第3次试验是测量连接截面的板件间隙及螺牙深度。

利用极差法分析表3中的试验结果数据并将其填入下面的表4和表5中。极差R反映了因素对指标的影响程度。R越大,该因素对指标的影响程度也越大。

最大剪切力Smax。由表4可知钢铝搭接组合对其影响最大;拧紧扭矩对其影响次之;轴向下压力对其影响最小,即A>C>B。各因素水平的改变对最大剪切力的影响规律如图5所示。

由图5可以看出,因素A中钢板厚度0.8mm保持不变,铝合金板件厚度从3mm增加到4mm时,最大剪切力逐渐减小;因素B轴向下压力从700N逐渐增大至1100N时,最大剪切力由小变大而后由大变小;因素C拧紧扭矩从7N·m逐渐增大至11N·m时,最大剪切力逐渐增大。因最大剪切力越大越好,故较好的组合方案是A1C3B2。

最大拉伸力Tmax。由表4可知轴向下压力对其影响最大;拧紧扭矩对其影响次之;钢铝搭接组合对其影响最小,即B>C>A。各因素水平的改变对最大拉伸力的影响规律如图6所示。

由图6可以看出,因素A中钢板厚度0.8 mm保持不变,铝合金板件厚度从3 mm增加到4 mm时,最大拉伸力逐渐增大;因素B轴向下压力从700 N逐渐增大至1100 N时,最大拉伸力由大变小而后由小变大;因素C拧紧扭矩从7 N·m逐渐增大至11 N·m时,最大拉伸力由小变大而后由大变小。因最大拉伸力越大越好,故较好的组合方案是B1C2A3。

板件间隙J。由表5可知钢铝搭接组合对其影响最大;拧紧扭矩对其影响次之;轴向下压力对其影响最小,即A>C>B。各因素水平的改变对间隙的影响规律如图7所示。

由图7可以看出,因素A中钢板厚度0.8 mm保持不变,铝合金板件厚度从3 mm增加到4 mm时,间隙逐渐增加;因素B轴向下压力从700 N逐渐增大至1100 N时,间隙逐渐增加;因素C拧紧扭矩从7 N·m逐渐增大至11 N·m时,间隙逐渐减小。因间隙越小越好,故较好的组合方案是A1C3B1。

螺牙深度H。由表5可知拧紧扭矩对其影响最大;钢铝搭接组合对其影响次之;轴向下压力对其影响最小,即C>A>B。各因素水平的改变对螺牙深度的影响规律如图8所示。

由图8可以看出,因素A中钢板厚度0.8 mm保持不变,铝合金板件厚度从3 mm增加到4 mm时,螺牙深度逐渐减小;因素B轴向下压力从700 N逐渐增大至1100 N时,螺牙深度由大变小而后由小变大;因素C拧紧扭矩从7 N·m逐渐增大至11 N·m时,螺牙深度由小变大而后由大变小。因螺牙深度越大越好,故较好的组合方案是C2A1B3。

最大剪切力Smax。从下面的表6中可以看出,因素A钢铝搭接组合、因素B轴向下压力、因素C拧紧扭矩的F值均小于临界值3。所以总体来说,各因素对最大剪切力的影响均不明显。因素A对最大剪切力的影响最大,因素C次之,因素B最小。这与极差法的分析结果一致。

最大拉伸力Tmax。从下面的表7中可以看出,因素A钢铝搭接组合、因素C拧紧扭矩的F值均小于临界值3,因素B轴向下压力的F值大于9。所以总体来说,因素A、因素C对最大拉伸力的影响均不明显,因素B对最大拉伸力的影响明显。因素B对最大拉伸力的影响最大,因素C次之,因素A最小。这与极差法的分析结果一致。

从表8中可以看出,因素A钢铝搭接组合、因素C拧紧扭矩的F值均大于临界值19,因素B轴向下压力的F值小于3。所以总体来说,因素A、因素C对间隙的影响明显,因素B对间隙的影响不明显。因素A对间隙的影响最大,因素C次之,因素B最小。这与极差法的分析结果一致。

螺牙深度H。从下面的表9中可以看出,因素A钢铝搭接组合、因素B轴向下压力、因素C拧紧扭矩的F值均小于临界值3。所以总体来说,因素A、因素B、因素C对螺牙深度的影响均不明显。因素C对螺牙深度的影响最大,因素A次之,因素B最小。这与极差法的分析结果一致。

从图9可以看出,总的趋势是随着间隙的增大,最大剪切力不断减小;间隙对最大拉伸力的影响规律不明显。从图10可以看出,总的趋势是随着螺牙深度的增大,最大剪切力也增大;螺牙深度对最大拉伸力的影响规律不明显。

由前文中试验结果的方差分析可知,间隙J受到板厚及拧紧扭矩的明显影响,轴向下压力对间隙的影响接近明显(F值为2.67,接近3);最大拉伸力Tmax只受到轴向下压力的明显影响;螺牙深度H及最大剪切力Smax不受工艺参数的明显影响。故决定建立关于间隙J的近似数学模型。

响应曲面设计[10]是在因子空间先设计合理的试验点,以便于建立有效的回归方程,从而解决生产中的优化问题,也称回归设计。回归正交设计是回归设计中最具代表性的设计方法,它是正交设计与回归分析有机结合而成的一种新的试验方法,兼容了正交设计与回归分析的优点。当自变量只有一次方时,一般采用一次正交回归设计。

由图7知,各工艺参数与间隙J很可能是线性关系,所以本文采用一次回归正交设计。其原理如下:试验指标(y)与m个试验因素X1,X2,…,Xm(j=1,2,…m)之间的多元回归方程,若试验共进行了i(i=1,2,…,n)次,则:

y∧=bo+∑j=1mbjxj" id="MathJax-Element-1-Frame" role="presentation" style="padding: 0px; margin: 0px; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; text-align: left; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; word-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;" tabindex="0">y∧=bo+∑j=1mbjxj$\stackrel{\wedge }{{\displaystyle y}}=b{}_o+{\displaystyle \sum _{j=1}^{m}b}{}_{j}x{}_j$或y∧=bo+∑j=1mbjxj" id="MathJax-Element-2-Frame" role="presentation" style="padding: 0px; margin: 0px; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; text-align: left; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; word-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;" tabindex="0">y∧=bo+∑j=1mbjxj$\stackrel{\wedge }{{\displaystyle y}}=b{}_o+{\displaystyle \sum _{j=1}^{m}b}{}_{j}x{}_j$+∑k<jbkjxikxij" id="MathJax-Element-3-Frame" role="presentation" style="padding: 0px; margin: 0px; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; text-align: left; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; word-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;" tabindex="0">∑k<jbkjxikxij${\displaystyle \sum _{k<j}b}{}_{kj}x{}_{ik}x{}_{ij}$,

式中,bo为常数项,b1,b2,…,bj,…,bm分别为相应自变量的偏回归系数,偏回归系数可通过最小二乘原理计算出来。

设间隙J与下层钢板厚度X1、轴向下压力X2、拧紧扭矩X3之间,近似地具有线性关系,则有J=bo+b1X1+b2X2+b3X3。

根据上述原理及前面正交试验的数据求得:J=-0.19+0.15X1+0.008X2-0.026X3,得到的方程只是近似数学模型,其拟合精度能否满足要求,需进行回归方程的F显著性检验,所得多元线性回归方差分析表列于表10中。

从表10中可以看出,F值24大于临界值12.06,回归方程的线性关系是高度显著的,说明可以不考虑3组工艺参数之间的相互作用。

同时可以看出,X1的偏回归系数为正值,X2的偏回归系数为正值,X3的偏回归系数为负值,即增加下层铝板厚度与轴向下压力会增大间隙,增加拧紧扭矩会减小间隙。这与极差法的分析一致。X1的偏回归系数绝对值最大,X3的次之,X2的最小,偏回归系数绝对值越大说明相应的因素影响越大,这与方差法的分析一致。

所以为了减小间隙,下层铝板在厚度足够的前提下应选厚度更小的,拧紧扭矩应选大一些,轴向下压力应选小一些。

而残差的标准差S=ssefe" id="MathJax-Element-4-Frame" role="presentation" style="padding: 0px; margin: 0px; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; text-align: left; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; word-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;" tabindex="0">ssefe−−−√$\sqrt{\frac{ss{}_e}{f{}_e}}$=0.00365" id="MathJax-Element-5-Frame" role="presentation" style="padding: 0px; margin: 0px; display: inline; line-height: normal; text-indent: 0px; text-align: left; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; word-wrap: normal; white-space: nowrap; float: none; direction: ltr; max-width: none; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; position: relative;" tabindex="0">0.00365−−−−−√$\sqrt{\frac{0.0036}{5}}$=0.00268,保证率为95%时的t=2.00,数据的波动值为:t×S=0.053mm。

(1) 不同厚度的钢铝搭接组合与拧紧扭矩这2组工艺参数对间隙有明显影响;轴向下压力对最大拉伸力有明显影响;工艺参数对最大剪切力及螺牙深度无明显影响。

(2) 最大剪切力与间隙及螺牙深度均存在明显的相关性。虽然工艺参数对最大剪切力无明显影响,但对间隙有明显影响。因此,可以通过优化工艺参数来减小间隙以增大最大剪切力。

(3) 钢铝材料间的热熔自攻丝接头在准静态载荷作用下未发生失效,但钢板因太薄而被撕裂。这说明薄钢板在车身结构的应用中,应当使用强度较高的钢板才能保证较好的连接力学性能。