SPR技術板材開裂問題的分析研究

閆旭東

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

半空心自沖鉚接（Semi-Tubular Punch Riveting）屬于機械連接，業(yè)內簡稱SPR技術，在汽車領域很早就得到了應用。由于沒有熱輸入，可以有效地規(guī)避熱連接所帶來的板材變形等問題，同時可以應用于異種材料的連接，是汽車車身中最常用的連接方式之一。

在實際生產中，由于SPR技術實現了異種金屬的連接，尤其是鑄鋁件很容易因為高壓而開裂，因此對于鑄鋁件的各項性能指標要求很高。本文力求從材料、參數以及鉚點位置等相關方面探索板材開裂的原因及相關的預防辦法。同時，也對板材進行了一定的探究，通過試驗來解決生產中出現的問題。

如圖1所示，板材開裂及鉚點開裂，會影響鉚點周邊的材質狀態(tài)，導致強度關系最大的咬邊出現問題，屬于較為嚴重的質量問題。因為SPR鉚點經常是配合涂膠工藝發(fā)揮作用，因此在涂膠工藝出現問題時，鉚點的強度更需要得到保證。

圖1 板材開裂典型展示

板材對開裂的影響

在實際生產中，我們經常遇到由半空心自沖鉚帶來的板材開裂問題，半空心自沖鉚的鉚接壓力較大（一般壓力都在70kN左右），因此對于板材的一些要素要求是非常高的。如圖2所示，我們選取了與開裂零件總成同一個批次的零件進行研究分析，由于同一批次零件由相同的條件鑄造而成，因此對于我們材質分析，有普遍意義。

圖2 選取的研究板材批次

借助供應商實驗室及我們現場的設備，進行了一系列的檢測試驗，對于可能造成板材開裂的因素進行了逐次分析如下。

1.X-Ray檢測試驗

如圖3所示，通過X-Ray檢測后發(fā)現沒有可見的壓鑄缺陷。

圖3 X-Ray檢測下的零件狀態(tài)

2.角部型面三坐標尺寸測量

如圖4所示，通過三坐標手段進行了尺寸測量，同時厚度也進行了測量，基本上保持在±0.5mm的尺寸公差范圍內。

圖4 同批次零件角部型面測量

3.合金成分分析

委托零部件供應商進行了合金成分分析發(fā)現，各組分都在合理范圍之內（見表1）。

表1 板材合金元素分析（質量分數） （%）

4.拉伸及折彎試驗

實驗結果見表2，發(fā)現本批次零件折彎角度不穩(wěn)定，與供應商一起對零件部分進行了整改，將零件粗胚的渣包加大，同時噴涂涂膜劑后，吹氣時間增加1s，并要求增加角部金相監(jiān)控，以便改善折彎角度不穩(wěn)定的狀態(tài)。

表2 同批次板材的折彎角測試

5.斷面形態(tài)顯微試驗

斷面材料的起伏比較大，微觀缺陷很難識別出來，因此我們從斷面一側取樣研磨，在放大200倍的顯微鏡下觀察，如圖5所示?？梢钥吹浇M織不致密，存在微小的孔洞，分析原因，可能是模具渣包偏小，冷料、涂模劑以及水汽可能沒有完全排出，壓鑄參數設置時，吹氣時間過短，模具上殘留的水汽可能沒有吹干。

圖5 200倍顯微狀態(tài)下的斷面形態(tài)

通過以上一系列試驗，對于板材的材質、組分、尺寸及微觀組織等進行了各項研究，發(fā)現其內部組織和力學性能指標對于開裂有重要影響。

位置對開裂的影響

如圖6所示開裂狀態(tài)，由于現場鉚槍位置限制，鉚點的位置距離下層板邊緣較近，這種情況容易引起開裂，通過調整鉚點位置，可以有效地避免自沖鉚造成的板材開裂，降低對車身強度的影響。

圖6 位置引起的板材開裂

圖7 半空心自沖鉚位置要求

邊距aK與中心距aM一般在允許的情況下越大越好，同時隨著板材厚度的增加，該邊距也需要增加，對于φ3mm和φ5mm的鉚釘來說，一般aK不得＜4mm，極限情況也不得＜2mm。

鉚接速度對于板材開裂的影響

如圖8所示，在板材開裂的時候，測量pH值（釘帽和板材的高度差）在-0.13（高于板材是正值，低于板材是負值），我們可以對參數進行優(yōu)化，接下來查看鉚接速度。

圖8 開裂對應的高度值變化

如圖9示，將速度從320mm/s降低至310mm/s后，鉚接pH變化，但是pH值保持在標準范圍（±0.25）內，經過剔試檢測，質量是合格的，但因此產生的壓力降低，那么對于板材開裂問題的解決，是很有幫助的。但是參數只是對于板材開裂問題有一定幫助，如果本身材質有問題，那么即使降低壓力，板材開裂問題也不會得到改善了。

圖9 更改速度后的高度值變化

垂直度對開裂的影響

SPR技術是利用鉚桿和鉚模的擠壓，形成咬邊結構，從而起到連接作用的，因此鉚桿與鉚模是否對中，以及鉚模與板材是否貼合，是影響質量的重要因素。一般情況下，鉚槍的對中，都是在安裝之前就調試好的，因此更需要關注鉚模與板材貼合、板材表面狀態(tài)，板材表面粗糙會導致貼合困難，這時候需要移動鉚點位置，并用塞尺（0.1mm）測量板材與鉚模間隙，保證貼合與垂直度。

圖10 板材表面與垂直度的影響

結果分析總結

經過試驗驗證，以及現場驗證，我們得出了半空心自沖鉚鉚點板材開裂的影響因素，見表3。

表3 板材開裂的影響因素

在具體生產中，開裂問題需要結合實際情況調查分析，尤其是板材問題調查周期比較長，為了保證生產，我們經常會在其他影響因素上作出一部分具體修改，尤其是參數和鉚點位置，沒有一定的標準，需要根據實際情況靈活調整。

結語

本文對半空心自沖鉚原理，設備以及質量檢查等情況進行介紹，并著重分析了鉚點板材開裂的影響因素。板材的壁厚、折彎角、合金成分以及渣包大小等都會對開裂造成影響。鑄鋁件模具更換周期較短，在模具使用后期，問題會比較突出，對于各項考核更應該嚴格執(zhí)行。此外，設備本身的參數設置、現場鉚點的位置，以及板材貼合等都會對開裂造成影響。在生產實際中，需要對以上因素進行靈活把握，避免出現批量的質量問題。