1. 引言
钢是当前车身上常用的材料。目前车身上钢应用的包括车辆的底盘、汽车内部的零部件和结构件等 [1]。并且出于安全性能和工艺性能考虑，在低碳钢中加入少量的Nb、Ti等合金元素，经过不完全退火得到的具有高屈服强度、较低屈强比的低合金高强钢深受车企的喜爱，比如冷轧钢HC340LA和HC420LA等 [2]。由于车身零部件结构复杂，有些零部件无法一次成型，需要用合适的连接手段把零件连接起来再装配。
焊接和铆接是目前工业上最常用的连接手段。焊接技术有多种，比如激光焊接、氩弧焊、搅拌摩擦焊、磁脉冲焊接、电阻点焊等。其中，电阻点焊因为易操控、容易实现自动化、连接效率高、成本低等优点广泛应用在汽车行业中。据统计，目前车身生产时有90%是电阻点焊实现的 [3]。自冲铆接是一种通过将自冲铆钉穿刺连接板从而形成互锁的机械连接的工艺 [4]。与传统电阻点焊比，自冲铆接具有无污染、无飞溅、节能环保等优点，并且连接对象灵活，应用范围广 [5]。因此自冲铆接也越来越受车企的关注，并已经应用在一些量产车型上。
目前有很多学者对电阻点焊和自冲铆接开展了一系列的研究。南昌大学的田义丰 [6] 对锰TRIP钢和DP590高强钢用电阻点焊实现了异种钢材的连接，研究了焊接的最佳工艺参数，并且对熔核区的金相组织进行分析，最后进行了失效分析。陈刚等人 [7] 研究了焊接电流对M51-RM80钢接头的力学性能影响。尤小龙 [8] 对高强钢的电阻点焊件的焊点熔核和力学性能进行了研究，并提出了一种基于有限元的电阻点焊接头抗剪切性能预测方法。崔俊佳等 [9] 对DP780钢的电阻点焊接头进行动态载荷下失效行为的研究，揭示了动态拉伸下电阻点焊接头的失效机理。王亚东等 [10] [11] [12] [13] 对不同焊接条件下的电阻点焊工艺参数进行研究，提出了针对不同目标不同环境下合适的电阻点焊的焊接参数。在自冲铆接方面，徐利利等人 [14] 建立了自冲铆接的有限元模型并基于有限元模型对自冲铆接工艺参数进行优化。张永超等人 [15] 研究了B1500HS高强钢和5052铝合金自冲铆接接头的力学性能及失效机理。潘伟涛等人 [16] [17] [18] [19] 对自冲铆接的工艺参数和接头性能、服役性能等进行研究，分析自冲铆接接头的失效机理。但是目前的研究仅针对单种接头，缺少将两种不同连接接头进行力学性能方面的横向对比。
本文选取汽车上常用的HC420LA高强钢为连接对象，用电阻点焊和自冲铆接两种连接方式对HC420LA进行连接，并对两种连接接头进行了准静态和中高速拉伸试验。对比并且分析了两种不同连接方式在同样试验条件下的不同力学特点。本项研究为汽车车身安全设计和连接方式的选择提供了试验和理论上的依据。
2. 实验材料及方法：
2.1. 试样制备
本次研究所用的材料是从江苏澳洋顺昌金属材料股份有限公司采购的厚度为1.2 mm的HC420LA高强钢板，HC420LA的化学成分组成如表1所示，HC420LA的力学性能如表2所示。为了连接及后期力学性能测试方便，将采购的HC420LA大板用剪板机裁剪为120 mm × 40 mm × 1.2 mm的小板件。在连接开始之前还需要将板件做以下处理：1) 将准备好的板件进行边缘打磨去毛刺处理，以便连接时两块板能紧密贴合；2) 用工业用无水乙醇将表面油污进行擦拭，避免影响连接效果；3) 将两块板件搭接并用相关的设备连接。板件接头的搭接结构尺寸如图1所示，其中搭接长度为40 mm，搭接面积为40 × 40 mm，连接点位于搭接区域的中心。
Table 1. Chemical composition of HC420LA high-strength steel
表1. HC420LA高强钢的化学成分 [20]
Table 2. Mechanical properties of HC420LA high-strength steel
表2. HC420LA高强钢的力学性能 [21]
Figure 1. Schematic diagram of connection joint lap dimensions (dimension: mm)
图1. 连接接头搭接尺寸示意图(单位：mm)
本次试验用的电阻点焊设备是由森德莱焊接技术(广州)有限公司生产的点焊平台，焊枪型号为Flexgun UL C型焊枪，如图2(a)。经过前期多次预实验，确定了最终的电阻点焊焊接工艺参数为两电极之间的压力是2700 N、加压时间180 ms、焊接电流7.8 kA。本次试验用的自冲铆接设备是由武汉埃锐特机械制造有限公司生产的液压自冲铆接机，如图2(b)。前期的预实验，确定了本次研究中采用长度为5 mm的35#钢的自冲铆钉，铆钉直径为5.3 mm，在液压自冲铆接机上设置铆接补偿量为90%。
(a) 试验中用的电阻点焊接系统
(b) 试验中用的自冲铆接系统
Figure 2. Connection equipment used in this test
图2. 试验所用的连接设备
2.2. 试验方法
2.2.1. 准静态拉伸试验
根据《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法》标准对两种不同连接方式的连接样件进行准静态拉伸试验。本次试验采用LABSANS公司生产的LD26.105万能试验机，最大拉力是100 kN。每种类型的样件进行三次重复性试验以保证试验结果的稳定及可信度。拉伸速度为2 mm/min，在装夹试样时将两端粘同等厚度的垫片从而保证拉力的对中性，防止在拉伸过程中扭力的产生。准静态拉伸如图3所示。
2.2.2. 中高速拉伸试验
本次试验中所用到的中高速拉伸设备是Zwick/Roell htm5020高速拉伸机，该拉伸机的最大拉伸速度为20 m/s，设备照片及安装方式如图4。为了充分模拟多种实际环境下的接头抗冲击性能，选用2 m/s、4 m/s、6 m/s和8 m/s四种速度进行测试试验。在中高速拉伸测试时为了保证拉力的对中性在样件两端粘上同等厚度的垫片。每种类型的样件进行三次重复性试验。
(a) 拉伸机图 
(b) 样件装夹图
Figure 3. Connection equipment used in this test
图3. 试验所用的连接设备
Figure 4. Zwick/Roell htm5020 high speed tensioner and clamping diagram
图4. Zwick/Roell htm5020高速拉伸机及装夹图
3. 试验结果及讨论
3.1. 准静态拉伸性能对比
从图5可以看出，不管是那种方式的连接，失效过程均一致。即主要可分为三个阶段：第一个阶段的位移和载荷关系是线性的，也就是典型的弹性阶段；随后第二阶段曲线的斜率降低，此时已经开始发生塑性变形，这一阶段一直持续到峰值载荷的出现；第三阶段是峰值载荷出现以后载荷开始下降，此时接头已经出现失效。从失效样件的图可以看到，自冲铆接的失效是铆钉发生变形直至脱落，自锁结构被破坏；电阻点焊的失效形式是母材沿着焊点周围撕裂，导致两板失效。
三次电阻点焊和自冲铆接的HC420LA-HC420LA接头准静态抗拉性能如表3所示。从表中可以看出，HC420LA-HC420LA的电阻点焊接头的平均抗拉载荷远远高于自冲铆接接头。其中自冲铆接接头的平均载荷为6.51 kN，而电阻点焊的平均载荷为14.47 kN，相比于自冲铆接接头来说提升了122%。同时为了对失效过程进一步分析，两种不同连接方式都选取中间载荷作为分析对象，并做力–位移曲线图以便对比分析，如图5所示。
Figure 5. Comparison of quasi-static tensile curves of two different joints
图5. 两种不同连接方式的准静态拉伸曲线对比
Table 3. Quasi-static tensile properties of resistance spot welds and self-pierce riveted joints
表3. 电阻点焊和自冲铆接的准静态抗拉性能
3.2. 中高速拉伸性能对比
HC420LA-HC420LA的接头失效模式如图6所示。从图中可以看出在较高的加载速率下，电阻点焊的失效模式都是沿着焊点周边的热影响区拔出断裂，自冲铆接接头的失效形式也基本一致，都是为铆钉受拉后断裂并留在了板件中。
可从图7明显看出不同速度拉伸时接头变化趋势：峰值载荷随着拉伸速度的增加而增加。这是因为拉伸速率越大，接头瞬间强度增加，此时金属内部会产生大量位错，使得材料抵抗塑性变形能力增强，所以接头拉剪载荷随着拉伸速率不断增加。于电阻点焊而言，由于失效是瞬时的，高速拉伸下的位移远远小于准静态拉伸的位移量，这是因为是失效速度太快导致材料的塑性变形减小。而自冲铆接接头的失效都是发生在铆钉上，所以不同拉伸速度失效时铆钉的变形量差异不明显。不管是电阻点焊还是自冲铆接，在中高速拉伸时候的载荷–位移曲线都是出现波动并表现出不稳定的现象，这是因为这是由于在这一高速加载过程中，材料的硬化行为以及应力波在材料内部的传递等因素综合作用的结果。
(a) 电阻点焊接头 
(b) 自冲铆接接头
Figure 6. Forms of medium- and high-speed tensile failure of different connection methods
图6. 不同连接方式的中高速拉伸失效形式
(a) 电阻点焊 
(b) 自冲铆接
Figure 7. Load-displacement curves of two joints with different tensile speeds
图7. 两种接头的不同拉伸速度的载荷–位移曲线
表4是两种不同接头在不同拉伸速度下的最大峰值载荷。从表中可以看出不管是电阻点焊接头还是自冲铆接接头，都对速度表现了一定程度的正敏感性，都随着拉伸速度的增加峰值载荷增加。其中电阻点焊接头表现了更加稳定的抗冲击性能。在2 mm/s的准静态拉伸条件下，电阻点焊的平均峰值载荷是14.47 kN，当拉伸速度提高到2 m/s时，峰值载荷提高了13%，为16.4 kN；当拉伸速度为4 m/s时，峰值载荷提高了20%，为17.46 kN；当拉伸速度为6 m/s时，峰值载荷提高了33%，为19.24 kN；当拉伸速度为8 m/s时，提高了40%，为20.20 kN。在2 mm/s的准静态拉伸条件下，自冲铆接的平均峰值载荷是6.51 kN，在2 m/s的拉伸速度条件下，峰值载荷仅提高了1%，为6.58 kN；当拉伸速度为4 m/s时，峰值载荷提高了25%，猛增至8.14 kN；当拉伸速度为6 m/s时，峰值载荷提高了45%，为9.45 kN；当拉伸速度为8 m/s时，提高了49%，为9.68 kN。从拉伸载荷数据可以看出，电阻点焊在不同拉伸速度下的峰值载荷均高于自冲铆接。当拉伸速度分别为2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s时，电阻点焊抗拉强度比自冲铆接高149.92%、114.50%、103.60%和108.68%。
Table 4. Peak loads of the two joints at different tensile speeds
表4. 不同拉伸速度下的两种接头的峰值载荷
接头的中高速拉伸性能也代表了接头抵抗冲击载荷的能力，在不同速度下的拉伸都会有不同的性能表现。当车辆发生事故的时候，连接接头通常会发生断裂而失效，由于材料本身具有应变率的敏感性，并且连接接头材料组织和结构的不均匀性，导致连接接头在高速下的力学性能和低速下拉伸时候表现出来的力学性能有很大的区别。因此，在设计阶段仅以低速拉伸试验无法对接头进行准确的性能评估，还需综合考虑材料的中高速性能。
4. 结论
本文通过对用两种不同连接方式的HC420LA-HC420LA接头进行了准静态(2 mm/s)和中高速(2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s)的拉伸试验，分析、研究并总结了不同拉伸速度下接头的失效形式和力学性能，主要研究成果如下：
1) 不管是电阻点焊还是自冲铆接，抗拉力总是随着拉伸速度的增大而增大，表明这两种接头都表现出了对拉伸速度的正敏感性；
2) 于HC420LA-HC420LA连接接头而言，电阻点焊的接头性能优于自冲铆接的接头性能；
3) 在不同拉伸速度下，电阻点焊接头表现出了较稳定的载荷变化，这表明电阻点焊的焊接接头在抵抗冲击载荷方面稳定性优于自冲铆接；
4) 在进行中高速拉伸时，由于材料的硬化行为以及应力波在材料内部的传递等因素综合作用导致接头在载荷–位移曲线上表现出不稳定的现象；
5) 由于两种接头在中高速拉伸下的力学性能与准静态下的力学性能有很大的差距，在对车辆进行设计时应当综合考虑连接接头的抗冲击性能，以免高速冲击下接头失效导致乘员出现意外的情况。
基金项目
柳州市科技计划项目(2020GAAD0601)。
NOTES
*通讯作者。