鋁合金車身連接技術(shù)工藝要點和創(chuàng)新應(yīng)用

草蟲gg 2019-08-26

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隨著法規(guī)對傳統(tǒng)燃油車排放要求的提高以及提升純電車續(xù)航里程的市場需求加大，實施汽車輕量化帶來的減排和節(jié)能的意義非常明顯。在車身輕量化設(shè)計中，由于鋁的密度低，耐腐蝕性能好而且成型工藝選擇多，被越來越多的主機廠應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)中。

鋁跟鋼的物理、化學性能差異很大（見附表），點焊、MIG焊等熱連接技術(shù)應(yīng)用到鋁制件上時將導致很多問題：鋁的導熱系數(shù)大約是鋼的3倍，需要大電流融化形核，易造成晶粒粗大使焊縫性能下降；鋁合金表面有氧化層，易污染電極，增加修模頻率；鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的兩倍，焊接工藝的熱輸入將導致零件變形大，白車身精度難以控制；并且焊接工藝是一種不等溫的冶金反應(yīng)，焊接質(zhì)量難以保證，易發(fā)生焊縫夾雜、氣孔和焊接熱影響區(qū)等缺陷。另外，鋼鋁異種材料的焊接實現(xiàn)難度很大，目前沒有適合車身異種材料之間的焊接工藝。

鋁合金與鋼的性能對比表

鉚接作為一種機械連接，可以實現(xiàn)鋼-鋁，鋼-復合材料以及鋁-復合材料的異種材料連接，并且連接強度高，連接質(zhì)量穩(wěn)定可控，易于實現(xiàn)自動化。由于多材料車身是未來的發(fā)展趨勢，因此鉚接技術(shù)將成為未來汽車車身的重要連接技術(shù)。目前在全鋁和鋼鋁混合車身中主要應(yīng)用的鉚接技術(shù)有：自穿刺鉚接（SPR）、流鉆螺釘（FDS）、無鉚釘鉚接（Clinch）和實心鉚接等。

自穿刺鉚接（SPR）

自穿刺鉚接的工作原理是：鉚釘在鉚鼻中推桿的下壓作用下，刺穿上層板或者上面兩層板，最后在鉚模的作用下鉚釘空心部分在底層板中張開，與底層板形成自鎖結(jié)構(gòu)，整個連接過程底層板只發(fā)生塑性變形。因為有鉚模的存在，所以SPR是一種需要雙面開放空間的連接工藝。在車身開發(fā)過程中，為了保證各種SPR搭接組合的鉚接質(zhì)量，需要對每種搭接組合進行SPR試片試驗，主要從兩方面進行鉚接質(zhì)量評價：一是破壞性的力學試驗，包括拉伸試驗和剪切力試驗；二是斷面尺寸掃描，主要確保左右互鎖值B1和B2、剩余材料厚度C1以及顯微頭高A1達到要求值。如圖1所示，顯微頭高A1一般要求在－0.5mm~+0.3mm，互鎖值和剩余材料厚度與被鉚接底層材料的種類和厚度以及鉚釘大小有關(guān)，一般要求互鎖值≥0.4，剩余材料厚度≥0.2mm。鉚接點在車身位置不同，其性能要求不一樣，SPR鉚接點的合格標準也有所不一樣。

SPR斷面掃描

為了保證SPR鉚接點的質(zhì)量，在鋁合金車身開發(fā)中需要注意以下幾點：

（1）鉚接方向要從鋼到鋁，從薄到厚，否則將影響自鎖值，降低鉚點強度。

（2）由于SPR鉚接點所引起的母材翹曲變形比電阻點焊引起的大。對于地板面板這類自身剛性差的零件進行鉚接的時候，兩個鉚接點的距離不能太大，否則兩個鉚點中間的面板將拱起來，造成兩層板之間的間隙過大而使該區(qū)域的結(jié)構(gòu)膠失效。

（3）在鉚接鑄件的時候，由于鑄件的法蘭邊帶有拔模角造成內(nèi)部自鎖結(jié)構(gòu)偏心。對于拔模角小于3°的情況，目前有主機廠把鉚模一側(cè)的鑄件面機加工成與上層板平行的面，也有主機廠沒有機加而直接鉚接的，但是當角度大于3°時將引起鉚接開裂的情況出現(xiàn)。

帶拔模角鑄件法蘭邊SPR鉚接點

（ 4 ）為了防止母材鉚接開裂，對于底層材料，要求其延伸率大于10%，若鉚點外觀要求較高，對于母材的粗晶層厚度也要做限定。下圖6082型材粗晶層厚度為334mm的SPR鉚接點質(zhì)量，鉚接點周邊出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋。將6082鋁合金型材的粗晶層厚度優(yōu)化到了219mm后，將SPR鉚接點在顯微鏡下檢查，其外觀質(zhì)量也達到了比較好的狀態(tài)。

優(yōu)化前狀態(tài)

優(yōu)化后狀態(tài)

為了節(jié)約成本和提高生產(chǎn)節(jié)拍，工廠在合槍設(shè)計時會盡量將多種搭接組合用一套鉚槍和鉚模來實現(xiàn)連接，這樣可能帶來的問題有：對于某一種搭接組合，SPR的鉚接點質(zhì)量會比較差，容易出現(xiàn)裂紋。若要鉚接點外觀要求較高的話，對材料的鉚接性能，如延伸率、折彎角等指標的要求就提高。通常來說母材具有更低的屈強比，SPR鉚接出現(xiàn)裂紋的概率越低，但是降低材料的屈服強度又將影響車身性能。所以在車身開發(fā)過程中，生產(chǎn)線的合槍設(shè)計、被鉚接母材性能設(shè)定以及鉚接點質(zhì)量標準的設(shè)定是相互影響的。

流鉆螺釘（FDS）

流鉆螺釘?shù)墓ぷ髟恚篎DS高速旋轉(zhuǎn)并且在軸向下壓力的作用下，穿透上面板層，在底層板形成螺紋連接副，整個工藝過程可以分為四個步驟：鉆孔、螺紋成形、螺紋嚙合和緊固。對于不同的搭接組合，每個階段的轉(zhuǎn)矩、軸向力和轉(zhuǎn)速都是不相同的。

FDS工作原理

FDS帶來的最大好處就是單邊操作實現(xiàn)連接，對于帶有封閉型腔的鋁擠出件和液壓成形件可以將連接點布置在型腔位置，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活度，也適用于鑄件與周邊件的連接。并且FDS的連接強度高，能夠連接的材料厚度和強度范圍比較廣。其缺點有：一是FDS釘子自身質(zhì)量約4g左右，連接點新增質(zhì)量較大，不利于輕量化；二是整個連接過程完成需要時間較長，約5s，對生產(chǎn)節(jié)拍有一定影響。

在車身開發(fā)過程中對于每種組合都應(yīng)該進行FDS試片試驗，主要從力學實驗和斷面掃描兩方面進行驗證。力學性能一般包括十字拉伸和剪切拉伸；斷面掃描主要檢測成形螺紋的高度B1和B2，連接板之間間隙大小A1和A2以及有效螺紋形成的長度。一般要求兩層板之間的間隙＜1mm，螺紋齒高＞0.25mm。

FDS斷面掃描

在車身開發(fā)設(shè)計中應(yīng)用FDS時需要注意以下幾點：

（1）由于FDS是一種單邊操作的工藝，背面沒有支撐，對應(yīng)用FDS區(qū)域的剛度需有一定要求，否則在連接過程中結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形，一般要求連接區(qū)域能夠承受3.5kN的力而不發(fā)生變形。

（2）上層材料有大于500MPa的高強鋼且厚度＞1.5mm或者上層材料是厚度較大的鑄件時，要求除底層板以外的母材都需要預開孔。原因是：強度和厚度過大將導致鉆孔困難；當上層材料為厚度較大的鑄件件時，鉆孔過程中導致材料外溢量過多使FDS釘子和鑄件之間的間隙變大，影響連接質(zhì)量。

（3）車身上FDS的布置都是與結(jié)構(gòu)膠聯(lián)合使用的，當存在預開孔時，涂結(jié)構(gòu)膠時一定要避讓孔邊緣一定距離，否則將導致兩個問題出現(xiàn)：一是由于FDS連接過程的后兩個階段，本質(zhì)是一個螺紋嚙合擰緊的過程，這個階段設(shè)備設(shè)定的擰緊力矩是一定的，當結(jié)構(gòu)膠由于板層之間的擠壓從預開孔溢出到上層板時，使得上層板孔周圍區(qū)域摩擦系數(shù)減小了，而轉(zhuǎn)矩沒有變，導致FDS螺紋嚙合擰緊時有滑齒情況的發(fā)生，影響連接強度；二是結(jié)構(gòu)膠溢出來將污染FDS設(shè)備槍頭，導致停工清理。

（4）由于FDS會穿透搭接組設(shè)伸出來，在車身設(shè)計過程中需要將突出的尖端部分布置在人和周邊物體觸碰不到的地方，并且保證FDS尖端與周邊車身結(jié)構(gòu)5mm以上的間隙，否則車輛在行駛過程中由于車身發(fā)生彎扭變形時易導致摩擦異響的發(fā)生。

無鉚釘鉚接（Clinch）

無鉚釘鉚接的工作原理是：采用沖壓設(shè)備及標準連接模具，在一個沖壓過程中依據(jù)板件材料本身的塑性擠壓變形，在板件擠壓處形成一個圓形鑲嵌的連接點。由于連接過程中需要沖頭和底膜，所以無鉚釘鉚接也是一種需要雙面操作空間的連接工藝。

無鉚釘鉚接工作原理示意

無鉚釘鉚接的優(yōu)點有：

（1）不需要鉚釘，連接點的質(zhì)量無增加，有利于輕量化。

（2）連接綜合成本低。

（3）可以連接0.5mm的薄板以及厚度差異大的材料組合。

（4）用時短，一次完整的連接過程約2s。

其缺點是連接強度較低，目前主要應(yīng)用在開閉件等非主要承力結(jié)構(gòu)。

實心鉚接

實心鉚接的工作原理是：鉚釘在沖頭的推動下，向下擠壓被連接材料，鉚釘刃口將被連接材料切斷，余料落入凹模內(nèi)。鉚釘?shù)竭_凹模處即停止運動，隨著沖桿繼續(xù)下壓，此時沖頭擠壓被連接材料，在凹模上凸環(huán)的共同作用下，底層板料發(fā)生塑性變形與鉚釘形成一圈咬合結(jié)構(gòu)。

實心鉚接的工作原理

在被連接材料的種類和厚度相同的情況下，實心鉚接點的剪切強度可以達到與SPR相當?shù)乃健?/span>相比SPR，實心鉚接的最大優(yōu)點是連接點可以做到兩面都沒有凸起。從工作原理可以看出實心鉚接也是一種需要雙面操作空間的連接工藝。為了形成正確的連接咬合結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)被連接組合的厚度選擇合適的鉚釘長度和工藝參數(shù)，否則將導致連接點強度下降或者失效，如圖：

鉚釘長度的影響

結(jié)構(gòu)膠與鉚接

目前車身所有的鉚接都是與結(jié)構(gòu)膠聯(lián)合使用的，其主要原因除了結(jié)構(gòu)膠能提高連接點的剪切強度、隔絕異種材料之間的電化學腐蝕外，另外一個重要的作用就是提升鉚接點的剛度，增強鉚接點的疲勞強度。

鉚接工藝的一個特點就是需要被連接母材形成機械沖孔或者發(fā)生機械塑性變形，在沖孔或者塑性變形的區(qū)域容易形成毛刺和微裂紋等缺陷。疲勞過程一般由裂紋萌生、裂紋擴展和疲勞失效等階段組成。在車輛行駛過程中的交變作用力下，鉚接點周邊母材將發(fā)生微動磨損，在鉚接過程中形成的微裂紋和毛刺在磨損和動載荷作用下容易成為裂紋擴展源，進而導致疲勞失效。另外，由于FDS是靠螺紋連接和預緊力來實現(xiàn)可靠連接的，它除了會出現(xiàn)上面提到的疲勞裂紋擴展導致的失效以外，振動以及磨損也會使預緊力下降而導致FDS釘子松動。

當鉚接板材之間有結(jié)構(gòu)膠的作用時，連接板材之間由點連接變成了面連接，在相同外界載荷輸入情況下，鉚接點受力峰值相比沒有結(jié)構(gòu)膠的情況將大為減小，整個搭接板材之間的受力情況變得更加均勻，疲勞載荷減小，疲勞壽命增加。因此，結(jié)構(gòu)膠可以很好地解決鉚接工藝微裂紋導致疲勞失效的問題。

結(jié)語

隨著鋁合金在車身中的應(yīng)用越來越廣泛，鉚接將成為車身中重要的連接技術(shù)。這使得鋁合金車身開發(fā)相比采用點焊的鋼制車身開發(fā)需要考慮的問題更多：如何根據(jù)鉚接工藝特點選擇合適的鉚接方式；如何調(diào)整鉚接應(yīng)用區(qū)域的結(jié)構(gòu)和材料性能來確保所選擇鉚接工藝可行性。只有在鋁合金車身開發(fā)中充分考慮好鉚接工藝帶來的影響，才能實現(xiàn)性能和成本之間的更好平衡。

本文已發(fā)表于2019年《汽車工藝師》第8期。

?編輯：Lemon