汽車制造中的鋁合金自沖鉚接技術(shù)

易明輝

(南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇 南京　211111)

?

汽車制造中的鋁合金自沖鉚接技術(shù)

易明輝

(南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇 南京211111)

摘要：鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用是汽車輕量化的有效途徑和必然趨勢，鋁合金的應(yīng)用對焊接技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。通過鋁合金自沖鉚接(SPR)原理、工藝、方法以及檢測、顯微實(shí)驗(yàn)、修復(fù)技術(shù)的研究，為汽車制造中鋁合金的連接提供了有效可行的方法。

關(guān)鍵詞：汽車；鋁合金；自沖鉚接

1鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，中國的汽車工業(yè)進(jìn)入了高速增長期，到2009年底中國已超過美國成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國，此后連續(xù)6年蟬聯(lián)世界第一。中國歷年的汽車產(chǎn)量見表1，預(yù)計(jì)2015年中國汽車產(chǎn)量將達(dá)到2 500萬輛。

表1　中國汽車歷年產(chǎn)量

能源、環(huán)境、安全是當(dāng)今世界倡導(dǎo)的主題，而與此三大主題聯(lián)系最緊密的行業(yè)就是汽車。研究表明，若汽車質(zhì)量減輕10%，燃油效率將提高6%～8%，CO2排放將減少13%[1]。在安全方面，汽車輕量化后，操控更穩(wěn)定，制動距離更短，行駛會更安全。

2005年歐盟在其第六框架計(jì)劃下推出superlight-car計(jì)劃，由歐洲9個國家的38家機(jī)構(gòu)共同參與研發(fā)，目的是在兼顧成本和保證汽車性能的前提下，研發(fā)不同性能的輕質(zhì)材料以實(shí)現(xiàn)車身減重、節(jié)約能源和減少排放。2007年中國汽車輕量化項(xiàng)目開始啟動并付諸實(shí)施。隨著汽車輕量化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，鋁合金等輕量化材料的應(yīng)用將越來越多。

鋁合金作為汽車輕量化的主要材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，在滿足相同使用條件的情況下，鋁比鋼輕60%；改善了零件的加工工藝性能；鋁制零件不需作防銹處理；具有較強(qiáng)的吸能性；鋁合金材料回收比例比鋼材要高得多，回收再生所消耗的能源卻比鋼材低得多。由于鋁合金具有很多優(yōu)點(diǎn)，各車企紛紛推出采用鋁合金的車型或全鋁車身，預(yù)計(jì)到2020年全球車用鋁板年需求量將超過100萬t。

2鋁合金的應(yīng)用帶來焊接技術(shù)的挑戰(zhàn)

鋁合金在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，也給焊接技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。如汽車總成零件普遍采用的MIG/MAG焊將面臨以下難題：采用鋁合金后，材料厚度比原來的更薄，易出現(xiàn)工件焊穿現(xiàn)象；焊后更易變形；鋁合金對熱輸入更為敏感，易出現(xiàn)焊接裂紋；熱影響區(qū)母材強(qiáng)度易弱化；鋼和鋁異種金屬之間不易連接等。點(diǎn)焊同樣面臨著難題：鋁的電阻比鋼小，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)好于鋼，點(diǎn)焊時(shí)需要用數(shù)倍于鋼的點(diǎn)焊電流；電極易被污染。同時(shí)鋁合金是高反射率材料，很難采用激光焊。因此，作為汽車制造中主要的焊接工藝(MIG/MAG焊、點(diǎn)焊、激光焊等)已不能滿足鋁合金的要求，必須要開發(fā)更先進(jìn)的連接技術(shù)，才不會制約汽車輕量化的發(fā)展。

3SPR自沖鉚接工藝

自沖鉚接最常用的3種類型是無鉚釘自沖鉚接、實(shí)心鉚釘自沖鉚接以及半空心鉚釘自沖鉚接。

3.1　無鉚釘自沖鉚接

無鉚釘自沖鉚接是通過特制的上下模對待連接板件施壓使其產(chǎn)生塑性變形，從而形成互鎖結(jié)構(gòu)的連接工藝，該工藝不需要鉚釘。國際上能提供該工藝裝備的企業(yè)主要有德國的TOX公司和美國的BTM公司。國內(nèi)SVW、 SGM公司的部分產(chǎn)品采用了TOX公司的技術(shù)與裝備。

3.2　實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝

實(shí)心鉚釘自沖鉚接是將待連接板材固定，然后將實(shí)心鉚釘通過沖頭向下施壓穿透上下層板料，經(jīng)過沖裁和擠壓等過程形成互鎖結(jié)構(gòu)的連接工藝。該工藝中使用的鉚釘為實(shí)心鉚釘，因此具有成本低、連接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

3.3　半空心鉚釘自沖鉚接工藝

半空心鉚釘自沖鉚接是通過鉚鼻壓住待連接板材，半空心鉚釘在鉚桿的施壓和作用下，先刺穿上層待連接板材，然后擴(kuò)張進(jìn)入到下一層待連接板材，并充滿鉚模，使得半空心鉚釘腿部向四周翻開形成“紐扣”，從而形成上下板材牢固連接的冷成型工藝，它可以用于連接各種異種板材，連接總厚度能達(dá)到10mm。

半空心鉚釘自沖鉚接過程分4個階段：第一階段(圖1(b))，將待連接板材定位、壓緊；第二階段(圖1(c))，半空心鉚釘在鉚桿的施壓和作用下，刺穿上層待連接板材，并使下層待連接板材向下模內(nèi)發(fā)生塑性變形；第三階段(圖1(d))，下層待連接板材逐漸被擠入凹模，半空心鉚釘腿部向周圍擴(kuò)張并翻開，形成鉚釘與板料間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)并充滿鉚模；第四階段(圖1(e))，鉚桿將半空心鉚釘下壓至鉚釘頭與上層板料的上表面緊密接觸且平齊時(shí)完成鉚接。半空心鉚釘自沖鉚接的優(yōu)點(diǎn)是：1)工序周期短，僅為1～4s；2)可以連接多種材質(zhì)的板材；3)可以鉚接2～4層甚至更多層板材；4)由于連接過程中不存在熱效應(yīng)，因此可以用于涂覆層板材的連接；5)不需要對待連接板材進(jìn)行預(yù)加工；6)鉚接過程效率高、耗能低；7)鉚模具有一定的覆蓋面，且使用壽命長；8)鉚接點(diǎn)質(zhì)量好，強(qiáng)度高；9)鉚接時(shí)沒有廢棄物產(chǎn)生和廢氣排放，環(huán)保衛(wèi)生，噪聲低；10)鉚接與膠黏工藝可組合起來使用。半空心鉚釘自沖鉚接工藝示意圖如圖1所示。

圖1　半空心鉚釘自沖鉚接工藝

半空心鉚釘自沖鉚接工藝的基本原則是：1)不對脆性材料、易碎的板材進(jìn)行鉚接；2)被鉚接板材底層金屬材料的延伸率必須大于12%；3)在進(jìn)行不同厚度、強(qiáng)度的板材鉚接時(shí)，將較薄、強(qiáng)度較低的板材鉚接到較厚、強(qiáng)度較高的板材上；4)對于底層板材的厚度有一定的要求，2層板材的連接，底層板材的厚度應(yīng)大于總厚度的1/2，3層板材的連接，底層板材的厚度應(yīng)大于總厚度的1/3；5)所使用鉚釘?shù)挠捕?，?yīng)高于待鉚接板材組合之中最硬板材的硬度，并通過鉚接實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行確認(rèn)；6)適用于2層及以上板材的鉚接，但隨著待鉚接板材層數(shù)的增加，其實(shí)施要求也隨之提高，對于多層板材(多于3層)的鉚接，鉚接點(diǎn)強(qiáng)度能否滿足要求，需要根據(jù)鉚接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來確定。

英國的亨羅布(HENROB)公司、美國的埃姆哈特(EMHART)公司、德國的博爾豪夫(BOLLHOFF)公司相繼開發(fā)出了自沖鉚接設(shè)備[2]，并陸續(xù)為汽車工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的客戶提供鉚接設(shè)備和相應(yīng)服務(wù)。

自沖鉚接設(shè)備形式多樣、各具特色，其基本構(gòu)成為：由液壓或電氣伺服系統(tǒng)組成的動力系統(tǒng)及控制器、承受所有鉚接力的框架、鉚釘自動供給系統(tǒng)以及模具4個部分。其控制方式為自動控制或手動控制；驅(qū)動方式為電動伺服傳動方式或液壓驅(qū)動方式；布置形式為固定式和懸掛式；鉚接機(jī)框架形式為C型和E型；鉚釘供釘方式分為帶式供釘和吹送供釘。

對自沖鉚接點(diǎn)質(zhì)量的檢測有以下幾種方式：1)通過力學(xué)性能試驗(yàn)檢驗(yàn)鉚接點(diǎn)性能和強(qiáng)度，判斷鉚接點(diǎn)的質(zhì)量好壞；2)通過鉚接點(diǎn)橫截面的形貌，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)判別鉚接點(diǎn)的質(zhì)量好壞；3)通過在線監(jiān)測，跟蹤監(jiān)測鉚接過程中力-位移曲線的變化趨勢判斷鉚接接頭質(zhì)量好壞；4)利用專用的儀器，通過超聲波檢測的方法觀察鉚釘腿部是否正常擴(kuò)張，判斷鉚接接頭質(zhì)量的好壞。目前，自沖鉚接設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備都帶有在線自動監(jiān)測功能，如HENROB公司的產(chǎn)品有RivMonTM質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)，BOLLHOFF公司的產(chǎn)品有RIVSET質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)等。

自沖鉚釘類型選擇。為一個給定的鉚接工藝要求選擇最佳的鉚釘，需要考慮大量的工藝參數(shù)和過程細(xì)節(jié)，包括鉚接點(diǎn)位置、鉚接速度、鉚接力、鉚釘頭高度、鉚接后的外觀質(zhì)量、鉚接點(diǎn)截面尺寸、靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)效果等。為達(dá)到預(yù)期的鉚接要求和效果，需要找到符合技術(shù)要求的最佳鉚接參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化研究，在這一過程中，需進(jìn)行下列測試或?qū)嶒?yàn)：靜態(tài)連接強(qiáng)度；動態(tài)連接強(qiáng)度(疲勞強(qiáng)度)；連接的牢固度和持久性；鉚接強(qiáng)度的可重復(fù)性(標(biāo)準(zhǔn)偏差)；板材的類型、級別和特性變異等；防銹性能；如何避免鉚釘刺穿底層板材；鉚槍的幾何尺寸是否可以滿足空間要求；鉚接點(diǎn)的外觀形狀；如何使鉚釘頭與頂層板材保持平齊；如何用一種鉚釘覆蓋一系列板材及其組合鉚接。選擇鉚釘時(shí)需基于鉚接性能或美觀方面的要求考慮鉚釘頭的形式，其中在鉚釘鉚接性能方面需要考慮：鉚接完畢后工件的平整性(鉚釘頭是否與板材平齊)；剪切、剝離和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)；標(biāo)識位置；受力大的表面；后續(xù)工藝的需要。沉頭鉚釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)是鉚接點(diǎn)頭部一側(cè)非常平整，鉚接完成后的工件疲勞強(qiáng)度高；平頭、盤頭和球頭鉚釘?shù)膬?yōu)點(diǎn)是緊固力大，尤其是對于較薄的板件，鉚釘頭部定位好，鉚接點(diǎn)美觀，能遮蓋鉚釘根部的凹陷。

鉚釘長度和釘桿直徑確定。鉚釘?shù)拈L度需要結(jié)合被鉚接板材組的厚度來考慮，某一長度的鉚釘能覆蓋一定范圍的板材組厚度，針對被鉚接板材組的硬度和厚度，通過實(shí)驗(yàn)來確定鉚釘?shù)淖罴验L度。目前供應(yīng)商能提供長度為4 ～14mm的多種鉚釘。鉚釘直徑有3mm和5mm兩種規(guī)格，鉚釘直徑是根據(jù)鉚接所需的緊固力、鉚接所需的耐久性、空間方面的限制、被鉚接板材的厚度和硬度等因素通過實(shí)驗(yàn)選定的。

凹模的選擇。初選基準(zhǔn)凹模，根據(jù)具體的鉚接工藝要求，通過實(shí)驗(yàn)選出最優(yōu)的鉚接速度和釘模組合，獲得滿足要求的凹模。

4SPR自沖鉚接剖面顯微實(shí)驗(yàn)

剖面顯微實(shí)驗(yàn)是唯一一種可以直接檢測和評估自沖鉚接連接點(diǎn)的內(nèi)部變形、板材接觸面相互關(guān)系和特性的方法。如圖2所示為一個典型的合格鉚接點(diǎn)的剖面圖，從圖中可以看出：1)鉚釘頭與上層材料平齊；2)鉚釘四周沒有縫隙；3)鉚釘和下層材料互鎖；4)鉚釘腿沒有穿透鉚接紐扣；5)鉚釘腿沒有斷裂和彎曲；6)鉚接紐扣呈現(xiàn)軸對稱狀態(tài)；7)鉚釘桿沒有斷裂和不規(guī)則現(xiàn)象。

圖2　鉚點(diǎn)剖面示意圖

在進(jìn)行剖面顯微實(shí)驗(yàn)時(shí)，對以下幾個特征量進(jìn)行測量，以便量化分析和判斷鉚接點(diǎn)的質(zhì)量。

1)剩余材料最小厚度tmin(mm)。在鉚模邊緣發(fā)生塑性變形后，板材剩余最薄的部分。

2)鉚釘尾部左側(cè)尖端與鉚釘切入底層板材的左側(cè)切入點(diǎn)之間的水平距離LL(mm)，此數(shù)值為左側(cè)的互鎖量。

3)鉚釘尾部右側(cè)尖端與鉚釘切入底層板材的右側(cè)切入點(diǎn)之間的水平距離LR(mm)，此數(shù)值為右側(cè)的互鎖量。

4)平面度Y(mm)。對于沉頭鉚釘，鉚釘頭的表面應(yīng)該和頂層板材的基面平齊；對于盤頭鉚釘，鉚釘頭的下部應(yīng)該和頂層板材緊密貼合。一般地，該數(shù)據(jù)應(yīng)該在理想鉚接鉚釘頭高度的規(guī)定公差范圍之內(nèi)。

5)頂層板材厚度T1(mm)。

6)底層板材厚度T2(mm)。

Tn的定義是根據(jù)待鉚接板材的層數(shù)決定的，如果需要鉚接4層金屬板材，則應(yīng)使用T1,T2,T3和T4表示。

鉚點(diǎn)剖面的幾個特征量如圖3所示。

對于超出上述特征點(diǎn)、特征量允許范圍的不合格鉚接點(diǎn)，通常采用下述方法對其進(jìn)行修復(fù)：1)自沖鉚接；2)拉鉚；3)螺栓連接；4)MIG焊接-塞焊；5)TIG焊接；6)等離子點(diǎn)焊；7)電阻點(diǎn)焊。首選的修復(fù)方法是自沖鉚接，首先排除造成不合格鉚接點(diǎn)的因素，其次是如果有可能，在不合格鉚釘?shù)母浇匦录鱼T一顆合格的鉚釘。

圖3　鉚點(diǎn)剖面的幾個特征量

5結(jié)束語

高速發(fā)展的汽車工業(yè)帶來的能源和環(huán)境危機(jī)越發(fā)嚴(yán)重，作為節(jié)能減排的重要途徑，汽車輕量化

也更為迫切。解決輕量化材料的連接問題，才能為汽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更多的可行性。本文所研究的自沖鉚接技術(shù)具有連接質(zhì)量好、接頭強(qiáng)度高、易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適用于鋁合金材料連接、鋁鋼異種材料連接以及多材料車身的連接與制造，為汽車制造中輕量化材料的連接提供了有效可行的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]JOHN S. World vehicle population tops l billion units [EB/OL].(2011-08-15 ).http://wardsauto.com/ar/world_vehicle_population_110815.

[2]李永兵，李亞庭，樓銘，等.轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(18)：44-54.

The SPR technology of aluminum alloy in automobile manufacturing

YI Minghui

(Nanjing Weld Automobile Parts Co., Ltd., Jiangsu Nanjing, 211111, China)

Abstract：The application of aluminum alloy in automobile manufacturing is inevitable trend because of its lightweight function. The welding technology is the key for the application of aluminum alloy. It introduces the principle, process and methods, inspection and microscopic experiment, repair technology about SPR, provides the effective feasible method for aluminum alloy connection in automobile manufacturing.

Key words：automobile; aluminum alloy; SPR

作者簡介：易明輝(1965—)，男，江蘇溧陽人，南京威邇德汽車零部件有限公司高級工程師，主要研究方向?yàn)槠囌嚰傲悴考O(shè)計(jì)與制造。

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：TG938

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-509X(2015)12-0074-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2015.12.020