自沖鉚接技術(shù)的工藝分類和連接特點(diǎn)

摘要：本文介紹了一種新的連接工藝-自沖鉚接工藝；劃分了該工藝的不同類型以及各自的連接原理。對照電阻點(diǎn)焊工藝，介紹了自沖鉚接工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，描述了自沖鉚接的應(yīng)用范圍，指出了自沖鉚接的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：自沖鉚接；點(diǎn)焊；連接技術(shù)；汽車輕量化

1 引言

隨著汽車制造業(yè)競爭的日益劇烈，汽車制造廠商都不斷向市場推出新款車型，新車型除了突出質(zhì)量好、價(jià)格低、樣式新、功能全等特點(diǎn)之外，主要的競爭集中在汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性上。在過去的20年中汽車制造商一直在尋找解決問題的方法。試驗(yàn)證明，應(yīng)用新材料，使用輕型材料實(shí)現(xiàn)汽車車身的輕量化，改善汽車行駛經(jīng)濟(jì)性是行之有效的。通過降低整車質(zhì)量可使汽車的很多性能得到改善和提高。研究表明，當(dāng)整車質(zhì)量降低10%時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.8%，加速時(shí)間降低8%，CO排放減少4.5%，剎車距離減少5%，輪胎壽命提高7%，轉(zhuǎn)向力減少6%[1]，可見汽車輕量化的重要性。汽車輕量化的重要潛力是在車身的制造中大量使用輕金屬和非金屬，例如鋁、鋁合金、鎂合金以及強(qiáng)化塑料等板料之間的應(yīng)用。迄今為止，電阻點(diǎn)焊是連接鋼板車身結(jié)構(gòu)的主要方法，不僅有利于大批量生產(chǎn)，而且質(zhì)量也牢固可靠；但是對于黑色金屬與有色金屬的連接，大部分有色金屬（如薄鋁板）之間的連接，金屬與非金屬的連接，非金屬之間的連接，以及可焊性差的、預(yù)先涂漆或有鍍層的黑色金屬之間的連接，點(diǎn)焊就很困難或無能為力了[1，6]。故提出采用鉚接技術(shù)連接車身的內(nèi)外覆蓋件而替代點(diǎn)焊，特別是自沖鉚接（SPR-Self Piercing Riveting）工藝，越來越受到重視和青睞。

2 自沖鉚接工藝類型

2.1 實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝[2][3][4]

腰鼓形實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝，如圖1所示，沖頭推動(dòng)實(shí)心鉚釘一起向下運(yùn)動(dòng)，鉚釘下部的刃口將鉚接材料沖掉并從凹模內(nèi)落下，鉚釘?shù)竭_(dá)凹模后停止運(yùn)動(dòng)；隨著沖頭的繼續(xù)下行，沖頭下端面的凸臺對被鉚接材料加壓，迫使其發(fā)生塑性變形而向內(nèi)做徑向流動(dòng)，使其緊緊包住腰鼓形鉚釘，從而形成穩(wěn)定的鎖止?fàn)顟B(tài)。這種鉚接工藝只能用于塑性金屬與金屬間的連接。

另一種實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝如圖2所示，其鉚釘形狀并非腰鼓形，但鉚釘上有一環(huán)形凹槽。當(dāng)沖頭下行至下死點(diǎn)后擠壓鉚接材料，下層的被鉚接材料受擠壓產(chǎn)生徑向流動(dòng)將凹槽的凹槽充滿，而鉚釘?shù)纳隙嗣鎰t產(chǎn)生“鐓頭”，而將兩層材料鉚接在一起。

2.2 半空心鉚釘自沖鉚接工藝［6］

半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝如圖3所示，壓邊圈首先向下運(yùn)動(dòng)對鉚接材料進(jìn)行預(yù)壓緊，防止鉚接材料在鉚釘?shù)淖饔昧ο孪虬寄?nèi)流動(dòng)，而后沖頭向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)鉚釘刺穿上層材料。在凹模與沖頭的共同作用下鉚釘尾部在下層金屬中張開形成喇叭口形狀以便鎖止鉚接材料，達(dá)到連接目的。半空心鉚接工藝鉚接相同金屬材料時(shí)，較厚的放在下層；鉚接兩層不同金屬材料時(shí)，將塑性好的材料放在下層；鉚接金屬與非金屬材料時(shí)，將金屬材料放在下層。

在汽車車身制造中，考慮到具體的生產(chǎn)環(huán)境、自沖鉚接工藝的特點(diǎn)、連接強(qiáng)度以及所應(yīng)用材料的機(jī)械性能等要求，又由于實(shí)心鉚釘?shù)你T接工藝有很多自身的局限性，所以在汽車輕量化生產(chǎn)中主要應(yīng)用半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。

3 自沖鉚接的優(yōu)缺點(diǎn)[5]

3.1主要優(yōu)點(diǎn)

材料屬性不同的、有鍍層的及很難用焊接方法連接的材料可以進(jìn)行鉚接；用自沖鉚接方法對鋁及高強(qiáng)度鋼材料進(jìn)行鉚接，鉚接牢靠性要比點(diǎn)焊好；鉚接質(zhì)量穩(wěn)定，達(dá)到牢固一致的鉚接效果；鉚接過程清潔，無煙霧；比焊接消耗能量少得多；鉚接過程比較容易進(jìn)行自動(dòng)化。

3.2 主要缺點(diǎn)

連接鋼板時(shí)，自沖鉚接比點(diǎn)焊的抗拉強(qiáng)度??；鉚接時(shí)，尾部出現(xiàn)突出的“鉚扣”，不夠平齊；由于鉚接過程需要較大壓力，鉚接設(shè)備比較笨重；在進(jìn)行自沖鉚接時(shí)，鉚接處材料的兩面都必須接觸（一面是沖頭，一面是模具），而不進(jìn)行單面鉚接。

4 自沖鉚接工藝的應(yīng)用范疇[5]

自沖鉚接的鉚釘可以廣泛地適用于制造業(yè)諸多方面：

用于連接碳鋼和不銹鋼、鋁、銅和磷青銅等材料；可以鉚接涂上一層具有金屬性或有機(jī)性的材料，極好地適應(yīng)防腐保護(hù)的要求；可以大批量生產(chǎn)，且鉚接過程可進(jìn)行監(jiān)控；可由傳送帶、鉚釘盒或可裝200-10000鉚釘?shù)墓茏庸?yīng)，也可以從經(jīng)過篩選的100%合格的密封包裝里隨用隨取；鉚接過程可手工操作或半自動(dòng)操作，或設(shè)計(jì)為裝配線全自動(dòng)化或機(jī)器人操作。

5 結(jié)論

與電阻點(diǎn)焊相比，對連接兩層相同的鋼制材料而言，點(diǎn)焊比自沖鉚接更方便，外觀更好些，連接設(shè)備更輕便些；對難于焊接的材料，對不同材質(zhì)的板料，對于兩層以上的材料，焊接就無能為力了，可顯出自沖鉚接的優(yōu)勢。

自沖鉚接技術(shù)是一種很有前景的新型連接技術(shù)，解決了進(jìn)行車身輕量化時(shí)不同材料連接的技術(shù)關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]Boeman R. Development Of A Cost Competitive. Composite Intensive Body -In-White，SAE Paper，2002:1905～2010

[2]W.Velkner， Present and future development of metal forming:selected examples.Journal ofMaterials Processing Technology， 2000(106): 236～242

[3]self-piercing riveting process description:www.twi.co.uk/j32k/protected/band 3/kschjg002.html

[4]Maofeng Fu，P K Mallick. Fatigue of Self-Piercing Riveted Joints in an Aluminum Alloy 6111.International Journal of Fatigue

[5]劉瑞軍等，自沖鉚接技術(shù)在汽車車身輕量化中的應(yīng)用，汽車技術(shù)，No.11， p33-36， 2004

[6]萬淑敏、李雙義等，半空心鉚釘自沖鉚接地工藝參數(shù)及模具質(zhì)量的判定，天津大學(xué)學(xué)報(bào)，494-498，No.4，Vol.40，2007