随着现代车身多材料的应用趋势，将合适的材料用在合适的地方已成为汽车产品选材的标准。这也带来了不同材料部件的连接问题，并且连接技术已成为影响耐撞性和结构可靠性的关键问题。本课题针对钢、铝之间的连接研究了粘合剂结合自冲铆接的连接技术，并对铆接、粘接、混合连接技术在拉伸、剪切和混合负载下进行测试和表征。同时，研究了一种新的可用于粘接和点连接件连接性能的测试装置。该装置可模拟碰撞载荷，并建立数字模型进行广泛的验证。
前沿在汽车轻量化的需求下，多材料混合设计在现代车身设计中变得至关重要。然而，不同材料的连接是一项具有挑战性的任务，需要应用新的连接技术。自冲铆接（SPR）与粘接相结合的混合连接技术广泛用于车身钢和铝部件的连接。因此，需要建立数值模型对连接件的耐撞性等机械性能进行准确、有效的测试。目前，已有文献对SPR和粘接在拉伸、剪切、剥离以及混合负载下的连接性能进行测试。但是对于复合连接则需要特定的实验装置在进行连接性能的测试，特别是对于钢-铝材料连接的车身在碰撞载荷下的连接性能表现。
本研究提出了一种用于粘接和SPR混合连接的多尺度测试方法。应用新的测试方法来表征在张力、剪切和混合载荷下的连接性能（通过对两个矩形板了连接成十字形样品进行加载直至失效）。此外，还提出了一种用于测试钢-铝结构件连接性能的新型测试方法（使用粘合剂结合SPR连接两个帽型部件，然后进行3点弯曲测试）。实验样品采用冷轧微合金钢和6系铝合金，通过热固性环氧树脂粘合剂和自冲铆接进行连接。
粘接+SPR复合连接的性能表征1.试验装置
采用两个矩形板十字重叠，通过粘接、SPR、以及二者的复合连接技术进行连接（如图1），并对连接件的机械性能进行研究。
粘接时需要将样品在°下固化20分钟。考虑到热处理可能会影响钢板和铝板的机械性能，因此铆接的试样也进行相同的热固化。
采用如下图2所示的新型实验装置对样品在拉伸、剪切和混合载荷下的连接性能进行测试。新装置的刚性设计确保了对加载模式和边界条件的良好控制。
2.实验结果
图3显示了拉伸载荷下的力-位移曲线，结果显示：当铆钉被拉穿上板件发生失效时，自冲铆接达到最大连接强度；粘接的初始强度较高，且在粘接试样出现裂缝时达到最大连接强度。与铆接相比，粘接的最大连接强度和位移有显著低于自冲铆接。而复合连接的试样在承受载荷时，最先响应的是粘接的部分，粘合剂从一侧开始失效，当裂缝传播至样品中心时，由于SPR的连接而停止继续传播。随后，裂缝从另一侧开始向中心点传播。下图4可以看到，连接失效时铆钉从底板中被拉出，粘合剂层的失效主要是粘合剂和混合构型的内聚破坏。
下图5显示了剪切载荷下的力-位移曲线。采用自冲铆连接的试样在测试开始时几乎呈线性增长。随着力的增加，铆钉开始旋转，从底板拉出后导致连接失效。剪切载荷下的最大力显着高于拉伸载荷下的力，铆钉即使从底板拉出后也没有观察到力的突然下降，因为铆钉被夹在两个板之间。与铆接样品相比，粘接和复合连接样品的初始强度都较高。剪切载荷导致粘合剂层内部的应力分布更均匀，最大力约是拉伸载荷下的四倍。而失效的特点在于粘合剂层内的突然裂缝，导致失效。复合连接样品失效位移表现优于粘接，与铆接相当。
混合载荷下的力-位移响应如图6所示。接头的变形和失效与剪切载荷的情况相当。混合载荷加载下的接头强度介于剪切和拉伸载荷之间。
创新复合连接测试模型1.实验装置
研究组开发了一种用于复合连接的新型测试装置，通过粘接+SPR连接的两个帽型部件（HP）进行3点弯曲测试（如图7）。
SPR需要从部件的两侧进行连接，这可以通过HP部件开放的几何设计来实现。测试部件均匀分布了十个SPR铆钉，粘接层的宽度为15mm，厚度为0.3mm。为建立精准的树脂模型，需要采用不同负载进行广泛的测试。因此，开发了两种测试模式，如下图8。
对两种样品配置进行准静态实验，图8a钢制件在上，铝件在下；图8b为剪切模式，铝件在上，钢件在下。上图a中，当承受冲击载荷时，顶部钢制件发生弯曲，吸收能量，而底部铝制件仍保持笔直状态，不发生形变。这将导致连接面产生相对位移，连接部分出于预张紧状态。上图b中，顶部部件由较厚的铝板制成，底部部件由较薄的钢板制成，在承受冲击载荷时，二者都发生了形变。
2.实验结果
图10显示了两种试样的力-位移曲线。在上图a的常规模式下，在位置0处，粘合剂层内部开始裂缝。在位置1处的第一个SPR失效之前达到最大力（图10a）。同时粘合剂层内的裂缝朝向试样的中心传播，以增加位移。在位置2至4处连续三个SPR连接失效（图10b）。在上图b的模式下，最大力略高于常规模式，当达到最大力时顶部制件开始弯曲。在位置0处，粘合剂层内部开始裂缝，裂缝朝向试样中心传播，以增加撞击位移。图10c显示了在第一次SPR连接失效之前的剪切试样。位置1到4（图10d）共有四个SPR发生短暂连续的失效。底部制件在常规模式保持笔直，但在剪切模式下显着弯曲，成功地将不同的加载模式引入连接中。因此，SPR连接的失效行为在两个试样配置之间显着不同。
结论本课题提出了一种新的测试方法，用于表征在拉伸、剪切和混合载荷下的连接强度。通过对铆接、粘合和复合连接试样的准静态试验，结果表明：粘接表现出了更强的载荷响应和更低的失效位移，与SPR相比，在剪切载荷下粘接的强度更高。SPR连接在粘接失效后提供了进一步的承载能力，而粘合剂层的存在对SPR的连接没有显着影响。
提出了一种新的钢-铝连接性能测试的模型。试样由两个帽型件组成，通过粘接+SPR形成连接，在3点弯曲实验中测试其失效模式。提出了两种测试模型，一种用于常规受力，一种用于剪切受力。两种模型都发生了不同形式的失效，因此，该测试模型非常适用于验证复合连接的连接性能。
结果表明，创新测试方法可以可以成功建立复合连接的机械性能模型。但是，更为完整的表征还将涉及更多且昂贵的测试程序。此外，连接性能很大程度上取决于材料组合，而随着车身混合多材料的应用，这对连接性能测试也带来了挑战。而模拟的测试模型可实现高效的、多角度的表征，且无需进行实验，节省成本和时间。因此，这种模拟的测试模型将在未来的研究工作中广泛应用。
来源：Zukunftstechnologienfürden
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