一种改进型粘铆复合连接工艺及优化方法与流程

1.本发明涉及汽车材料连接技术领域，更为具体地说是指一种改进型粘铆复合连接工艺及优化方法。


背景技术：

2.进一步实现汽车轻量化是降低车辆能耗的一个有效途径，这对汽车材料和结构提出了更高的要求，目前汽车使用材料多样化已成为必然趋势，多种异种材料的连接问题逐渐变成研究热点。
3.粘接连接技术具有应力分布均匀、外观质量较好等优点，由于粘接技术不会有开孔变形、受热变形等问题，还具有较好的抗疲劳性能；但由于用于车身结构的粘接剂大多较薄，因此在某些特殊的工况下，其破坏吸能效果可能稍显不足，除此之外，粘接剂容易发生老化，导致连接可靠性降低。与粘接相比，铆接连接技术在破坏时具有较好的吸能效果，且不易发生老化，可靠性较高，但铆接单独应用时，有可能会由于铆钉与车身金属材料的直接接触而存在发生电化学腐蚀的可能。因此，考虑将粘接和铆接结合的一种新型连接方式，能够有效避免单纯粘接和铆接的缺点，不失为一种可行的解决方案。
4.使用粘铆连接技术的一个技术难点是如何精确量化控制胶层厚度，以往的工艺方法多数是选取合适的玻璃珠或铜丝直径，将其均匀布置在粘接区域以达到控制胶层厚度的效果。但是采用以上方法会在固化阶段造成胶粘剂与铆钉粘连，不利于后续的优化流程。
5.另外，研究表明粘铆接头在发生断裂时往往有两段失效过程，第一段是胶层发生失效，此时失效强度较高，失效位移较短，胶层失效后，紧接着铆钉发生失效，单铆钉的强度要比胶层低很多，但失效位移较长，吸能效果好。目前，限制粘铆接头广泛应用的原因之一是胶层发生失效后基本可以判定粘铆接头失去承载能力，铆钉在接头强度贡献上甚微。因而如果通过某种方法可以将铆钉强度“附加”在胶层强度上，就可以同时发挥两者的作用，极大改善粘铆接头力学性能。


技术实现要素：

6.本发明提供一种改进型粘铆复合连接工艺及优化方法，以使被粘基材获得更高的连接强度，以及达到粘铆接头的胶层和铆钉同时发生失效的目的。
7.本发明采用如下技术方案：
8.一种改进型粘铆复合连接工艺，在两种被粘基材之间增加了一个套在铆钉上的环形垫片，所述环形垫片的内径尺寸d2与铆钉直径d3相同，设计公差保证铆钉顺利穿过，所述环形垫片面积为铆钉横截面积的1.5-2.0倍；以铆钉直径d3和垫片厚度h1作为设计变量，由垫片厚度h1用来控制胶层厚度，以获得最佳连接强度。
9.本发明还提供一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，包括如下步骤：
10.步骤一、设计并制作粘铆接头：选取合适的环形垫片控制胶层厚度，然后使用胶枪将车用胶粘剂均匀地涂抹在两片基材的粘接表面上，把粘接试件放置在所设计的专用夹具
上完成搭接装配，最后使用铆枪将直径d3的铆钉装配在粘接试件中，并按要求进行固化，即完成粘铆接头的制作；
11.步骤二、对粘铆接头进行准静态拉伸试验：将粘铆接头放置在拉伸试验机上，拉伸试验完成后通过上位机获取粘铆接头的一般载荷位移曲线，胶层和铆钉分别在位移a1和a2时发生断裂，载荷位移曲线有两处峰值，对峰值载荷进行优化；
12.步骤三、确定优化方案：初步选取垫片高度h1、垫片内径d2、铆钉高度h2、铆钉直径d3、基材孔径d1为设计变量，并对垫片高度h1和铆钉直径d3施加一个范围，目标使两个峰值之间的距离tpd最小，采用的优化模型如下：
13.find dv＝(dv1，dv2，...，dv5)
t
[0014][0015]
步骤四、优化设计变量垫片高度h1和铆钉直径d3：制定试验设计doe方案，选取不同尺寸的垫片高度h1和铆钉直径d3，依次制作粘铆接头并进行拉伸剪切测试，获得载荷位移曲线，确定胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd，寻找tpd＝0时对应的垫片高度h1和铆钉直径d3为优化后的设计变量。
[0016]
一较佳实施方案中，上述步骤一中两片基材的粘接区域的中心分别开有直接为d1的孔以容置铆钉。
[0017]
一较佳实施方案中，上述步骤一中的胶层厚度是通过环形垫片高度h1进行控制，垫片内外径为d2和d6，垫片内径与两片基材的孔径对齐。
[0018]
一较佳实施方案中，上述步骤一中两片基材在粘接前需要对其表面进行处理，包括喷砂、擦拭及晒置流程。
[0019]
一较佳实施方案中，上述步骤四寻找tpd＝0对应的垫片高度和铆钉直径，其具体过程如下：
[0020]
(1)、第一次制定试验设计方案：选取的设计变量共有5个，每个变量取n个水平，试验设计方法选取全阶乘方法；
[0021]
(2)、验证第一次试验设计方案结果：按照制定的试验设计方案制作n2组粘铆接头，依次对其进行准静态拉伸剪切测试，获得每组粘铆接头的载荷位移曲线，并计算出胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd；对垫片高度h1、铆钉直径d3和tpd之间进行相关性分析，找出初步试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt1和d3_opt1；采用二分法对初步选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt1和d3_opt1所在的区间范围；
[0022]
(3)、第二次制定试验设计方案：依据新的区间范围第二次制定试验设计方案，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第二次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt2和d3_opt2；继续采用二分法对第二次选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt2和d3_opt2所在的区间范围；
[0023]
(4)、第m次制定试验设计方案：依据新的区间范围第m次制定试验设计方案，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第m次试验方案中使tpd距离最小时对应的
垫片高度和铆钉直径，记为h1_optm和d3_optm；经验证，当垫片高度为h1_optm和铆钉直径为d3_optm时可以实现优化目标tpd＝0，胶层断裂峰值和铆钉失效峰值重合。
[0024]
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0025]
1、本发明在两种基材间增加了环形垫片，既可以有效调节粘接胶层厚度，又可以很好地保证足够的铆紧力，从而获得更高的连接强度。
[0026]
2、本发明建立一种粘铆接头峰值载荷优化方法，通过选取粘铆接头关键几何设计变量，对胶层峰值载荷和铆钉峰值载荷进行优化，最终实现了胶层峰值载荷位置与铆钉峰值载荷位置的重合，使胶层和铆钉同时发生失效，从而达到改善粘铆接头的承载能力和抗冲击能力的目标。
附图说明
[0027]
图1为本发明粘铆接头的装配俯视图。
[0028]
图2为本发明粘铆接头的装配主视图。
[0029]
图3为本发明基材的俯视图。
[0030]
图4为本发明基材的主视图。
[0031]
图5为本发明铆钉的主视图。
[0032]
图6为本发明环形垫片的俯视图。
[0033]
图7为本发明环形垫片的主视图。
[0034]
图8为本发明粘铆接头一般载荷-位移曲线图。
[0035]
图9为本发明优化前后粘铆接头载荷-位移曲线对比图。
[0036]
图10为本发明实施例一粘铆接头一般载荷-位移曲线图。
[0037]
图11为本发明实施例一优化前后粘铆接头载荷-位移曲线对比图。
[0038]
图12为本发明实施例一优化后三种接头的性能对比图。
具体实施方式
[0039]
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程，以下不再详细描述。
[0040]
本发明提出一种改进型粘铆复合连接工艺，并给出一种粘铆接头关键几何参数和材料参数进行优化方法。
[0041]
参照图1至图7，一种改进型粘铆复合连接工艺，在两种被粘基材1之间增加了一个套在铆钉2上的环形垫片3。环形垫片的内径尺寸d2与铆钉直径d3相同，设计公差应保证铆钉2顺利穿过，环形垫片3面积为铆钉2横截面积的1.5-2.0倍。铆钉直径d3和垫片厚度h1作为设计变量，其中垫片厚度h1用来控制胶层4的厚度。在每个铆钉2对应的粘接面积相同的前提下，可以通过优化铆钉直径和垫片厚度获得最佳连接强度。
[0042]
本发明还提供一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，包括如下步骤：
[0043]
设计并制作粘铆接头。参照图1至图7，两片基材1粘接区域的中心开设有直径d1的孔10来容纳铆钉2。首先，按照粘接技术要求对基材表面进行处理，包括喷砂、用丙酮擦拭、晒置等流程。为了确定胶层厚度，选取内外径为d2和d6、高度h1的环形垫片3，丙酮擦拭完毕
后与基材1的孔直径对齐。然后使用胶枪将车用胶粘剂均匀地涂抹在粘接表面上，把粘接试件放置在所设计的专用夹具上完成搭接装配。最后使用铆枪将直径d3的抽芯铆钉2装配在粘接试件中，并按照胶粘剂的固化说明对粘接接头固化，完成粘铆接头的制作。
[0044]
对粘铆接头进行准静态拉伸试验。将粘铆接头放置在拉伸试验机上，注意在粘铆接头的两端放置垫片，避免产生弯曲力矩。拉伸试验完成后通过上位机获取粘铆接头的一般载荷位移曲线，见图8。胶层和铆钉分别在位移a1和a2时发生断裂，载荷位移曲线有两处峰值，需要对峰值载荷进行优化。
[0045]
确定优化设计方案。选取设计变量，依据以下原则：(1)对胶层沿外力方向的应变具有显著影响；(2)对铆钉强度有显著影响。初步确定的是用来控制胶层尺寸的垫片高度h1和内径d2、铆钉高度h2和直径d3、基材孔径d1，这些属于关键几何设计变量。基材高度h和长度l3属于无关变量，同样地用于控制粘接面积尺寸的l1和l2虽然对粘铆接头强度有显著影响，但是它们的改变并不会对胶层应变产生影响，这是由应变的定义(胶层的变化长度与原长度之比)决定的，因而l1和l2也属于无关变量。约束条件是对垫片高度h1和铆钉直径d3施加一个范围，后者的铆钉直径d3要根据机械设计手册选取若干个数值。优化目标是两个峰值之间的距离(the peak di stance，tpd)最小。这样最终的优化模型如下：
[0046]
find dv＝(dv1，dv2，...，dv5)
t
[0047][0048]
第一次制定试验设计(doe1)方案。选取的设计变量共有5个，每个变量取n个水平，取值情况如表1所示。试验设计方法选取全阶乘(full factorial)方法，虽然设计变量有5个，但是只有2个变量彼此之间是独立的，最后的设计方案共有n2种方案。
[0049]
表1粘铆接头设计变量取值水平(doe1)
[0050][0051]
验证第一次试验设计(doe1)方案结果。按照制定的试验设计方案制作n2组粘铆接头，依次对其进行准静态拉伸剪切测试，获得每组粘铆接头的载荷位移曲线，并计算出胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd。对垫片高度h1、铆钉直径d3和tpd之间进行相关性分析。找出初步试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt1和d3_opt1。采用二分法对初步选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt1和d3_opt1所在的区间范围。
[0052]
第二次制定试验设计(doe2)方案。假设h1_opt1和d3_opt1所在的区间范围均是在
上半区间，即依据新的区间范围第二次制定试验设计(doe2)方案，如表2所示，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第二次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt2和d3_opt2。继续采用二分法对第二次选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt2和d3_opt2所在的区间范围。
[0053]
表2第二次粘铆接头设计变量取值水平(doe2)
[0054][0055]
第m次制定试验设计(doem)方案。假设h1_opt1，h1_opt2，...，h1_opt
m-1
，和d3_opt1，d3_opt2，...，d3_opt
m-1
所在的区间范围均是在上半区间，即依据新的区间范围第m次制定试验设计(doem)方案，如表3所示，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第m次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_optm和d3_optm。经验证，当垫片高度为h1_optm和铆钉直径为d3_optm时可以实现优化目标tpd＝0，胶层断裂峰值和铆钉失效峰值重合，优化前后的示意图如图9所示。
[0056]
表3第m次粘铆接头设计变量取值水平(doem)
[0057][0058][0059]
下面是本发明“一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法”的具体试验实施例。
[0060]
实施例一
[0061]
一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，包括如下步骤：
[0062]
第一步，设计并制作粘铆接头。两片基材粘接区域的中心开设有直径d1＝5mm的孔来容纳铆钉。首先按照粘接技术要求对基材表面进行处理，包括喷砂、用丙酮擦拭、晒置等流程。为了确定胶层厚度，选取内径d2＝5mm、外径d6＝6mm、高度h1＝0.2mm的环形垫片，丙酮擦拭完毕后与基材孔直径对齐。然后使用胶枪将车用胶粘剂均匀地涂抹在粘接表面上，
把粘接试件放置在所设计的专用夹具上完成搭接装配。最后使用铆枪将直径d3＝5mm的抽芯铆钉装配在粘接试件中，并按照胶粘剂的固化说明对粘接接头固化，完成粘铆接头的制作。
[0063]
第二步，对粘铆接头进行准静态拉伸试验。将粘铆接头放置在拉伸试验机上，注意在粘铆接头的两端放置垫片，避免产生弯曲力矩。拉伸试验完成后通过上位机获取粘铆接头的一般载荷位移曲线，见图5。胶层和铆钉分别在位移0.4mm和1.63mm时发生断裂，载荷位移曲线有两处峰值，需要对峰值载荷进行优化。
[0064]
第三步，确定优化设计方案。初步确定的是用来控制胶层尺寸的垫片高度h1和内径d2、铆钉高度h2和直径d3、基材孔径d1，这些属于关键几何设计变量。约束条件是对垫片高度h1和铆钉直径d3施加一个范围，后者的铆钉直径d3要根据机械设计手册选取若干个数值。优化目标是两个峰值之间的距离(the peak distance，tpd)最小。这样最终的优化模型如下：
[0065]
find dv＝(dv1，dv2，...，dv5)
t
[0066][0067]
第四步，第一次制定试验设计(doe1)方案。选取的设计变量共有5个，每个变量取3个水平，取值情况如表4所示。试验设计方法选取全阶乘方法，虽然设计变量有5个，但是只有2个变量彼此之间是独立的，最后的设计方案共有9种方案。
[0068]
表4粘铆接头设计变量取值水平(doe1)
[0069][0070]
第五步，验证第一次试验设计(doe1)方案结果。按照制定的试验设计方案制作9组粘铆接头，依次对其进行准静态拉伸剪切测试，获得每组粘铆接头的载荷位移曲线，并计算出胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd。发现当h1＝0.1、d3＝1.5时tpd距离最小，为tpd＝0.31。继续采用二分法对初步选取的设计变量区间进行对半划分，即
[0071]
第六步，第二次制定试验设计(doe2)方案。依据新的区间范围第二次制定试验设计(doe2)方案，如表2所示，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第二次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，发现当h1＝0.2、d3＝1.5时，tpd＝0。因而当垫片高度为0.2mm，铆钉直径为1.5mm时，所获得的粘铆接头载荷位移曲线可以达到胶粘剂断裂峰值与铆钉失效峰值重合的效果。
[0072]
表5粘铆接头设计变量取值水平(doe2)
[0073][0074]
第七步，优化结果试验验证。优化前后粘铆接头载荷位移曲线对比如图6所示，优化后铆钉载荷峰值和胶层载荷峰值实现重合，强度要比优化前提升约20％。同样为了进一步验证优化结果的准确性，还针对优化后的结果分别制作了铆接接头和粘接接头，三种接头的性能比较如图7所示，发现铆接接头强度不到2000n，粘接接头强度约7000n，而两者结合的粘铆接头强度达到了接近10000n，且抗冲击能力也得到较大幅度提升，说明此次优化结果有效且具有应用价值。
[0075]
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

技术特征：
1.一种改进型粘铆复合连接工艺，其特征在于：在两种被粘基材之间增加了一个套在铆钉上的环形垫片，所述环形垫片的内径尺寸d2与铆钉直径d3相同，设计公差保证铆钉顺利穿过，所述环形垫片面积为铆钉横截面积的1.5-2.0倍；以铆钉直径d3和垫片厚度h1作为设计变量，由垫片厚度h1用来控制胶层厚度，以获得最佳连接强度。2.一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设计并制作粘铆接头：选取合适的环形垫片控制胶层厚度，然后使用胶枪将车用胶粘剂均匀地涂抹在两片基材的粘接表面上，把粘接试件放置在所设计的专用夹具上完成搭接装配，最后使用铆枪将直径d3的铆钉装配在粘接试件中，并按要求进行固化，即完成粘铆接头的制作；步骤二、对粘铆接头进行准静态拉伸试验：将粘铆接头放置在拉伸试验机上，拉伸试验完成后通过上位机获取粘铆接头的一般载荷位移曲线，胶层和铆钉分别在位移a1和a2时发生断裂，载荷位移曲线有两处峰值，对峰值载荷进行优化；步骤三、确定优化方案：初步选取垫片高度h1、垫片内径d2、铆钉高度h2、铆钉直径d3、基材孔径d1为设计变量，并对垫片高度h1和铆钉直径d3施加一个范围，目标使两个峰值之间的距离tpd最小，采用的优化模型如下：步骤四、优化设计变量垫片高度h1和铆钉直径d3：制定试验设计doe方案，选取不同尺寸的垫片高度h1和铆钉直径d3，依次制作粘铆接头并进行拉伸剪切测试，获得载荷位移曲线，确定胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd，寻找tpd＝0时对应的垫片高度h1和铆钉直径d3为优化后的设计变量。3.如权利要求2所述的一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，其特征在于：所述步骤一中两片基材的粘接区域的中心分别开有直接为d1的孔以容置铆钉。4.如权利要求3所述的一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，其特征在于：所述步骤一中的胶层厚度是通过环形垫片高度h1进行控制，垫片内外径为d2和d6，垫片内径与两片基材的孔径对齐。5.如权利要求2所述的一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，其特征在于：所述步骤一中两片基材在粘接前需要对其表面进行处理，包括喷砂、擦拭及晒置流程。6.如权利要求2所述的一种改进型粘铆复合连接工艺优化方法，其特征在于，所述步骤四寻找tpd＝0对应的垫片高度和铆钉直径，其具体过程如下：(1)、第一次制定试验设计方案：选取的设计变量共有5个，每个变量取n个水平，试验设计方法选取全阶乘方法；(2)、验证第一次试验设计方案结果：按照制定的试验设计方案制作n2组粘铆接头，依次对其进行准静态拉伸剪切测试，获得每组粘铆接头的载荷位移曲线，并计算出胶层断裂峰值和铆钉失效峰值之间的距离tpd；对垫片高度h1、铆钉直径d3和tpd之间进行相关性分析，找出初步试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt1和d3_
opt1；采用二分法对初步选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt1和d3_opt1所在的区间范围；(3)、第二次制定试验设计方案：依据新的区间范围第二次制定试验设计方案，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第二次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt2和d3_opt2；继续采用二分法对第二次选取的设计变量区间进行对半划分，确认h1_opt2和d3_opt2所在的区间范围；(4)、第m次制定试验设计方案：依据新的区间范围第m次制定试验设计方案，并制作相应尺寸的粘铆接头进行拉伸剪切测试，寻找第m次试验方案中使tpd距离最小时对应的垫片高度和铆钉直径，记为h1_opt
m
和d3_opt
m
；经验证，当垫片高度为h1_opt
m
和铆钉直径为d3_opt
m
时可以实现优化目标tpd＝0，胶层断裂峰值和铆钉失效峰值重合。

技术总结
一种改进型粘铆复合连接工艺，在两种被粘基材之间增加了一个套在铆钉上的环形垫片，环形垫片的内径尺寸D2与铆钉直径D3相同，设计公差保证铆钉顺利穿过，环形垫片面积为铆钉横截面积的1.5-2.0倍。该复合连接工艺优化方法，包括设计并制作粘铆接头、对粘铆接头进行准静态拉伸试验、确定优化设计方案以及优化设计变量垫片高度h1和铆钉直径D3。本发明建立一种粘铆接头峰值载荷优化方法，通过选取粘铆接头关键几何设计变量，对胶层峰值载荷和铆钉峰值载荷进行优化，最终实现了胶层峰值载荷位置与铆钉峰值载荷位置的重合，使胶层和铆钉同时发生失效，从而达到改善粘铆接头的承载能力和抗冲击能力的目标。能力的目标。能力的目标。


技术研发人员：苏亮 蔡鸿毅 闫卫兵
受保护的技术使用者：厦门金龙联合汽车工业有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/4