高速射釘鉚接存在鉚釘間隙的原因及應(yīng)對(duì)

張冬陽(yáng)，魏玲，宋宏偉

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

隨著車身輕量化的進(jìn)一步發(fā)展，鋁合金材料在新一代車身上的使用顯著增加。傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)在鋁合金材料上的表現(xiàn)較差，難以滿足日益增長(zhǎng)的“鋼-鋁”異種金屬間的連接需求，因此眾多新式連接技術(shù)被研發(fā)出來(lái)。其中，高速射釘鉚接由于工藝簡(jiǎn)單、單次鉚接時(shí)間短、單面鉚接以及不產(chǎn)生有害副產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來(lái)越多的關(guān)注。截至目前，在北京奔馳汽車有限公司有超過(guò)五款車型應(yīng)用了高速射釘鉚接技術(shù)。

但是，高速射釘鉚接依舊是一個(gè)較新的技術(shù)，對(duì)其在實(shí)際序列化生產(chǎn)中表現(xiàn)的研究十分有限。本文意在分析梳理高速射釘鉚接技術(shù)在北京奔馳車身一工廠應(yīng)用過(guò)程中較常見(jiàn)的鉚釘縫隙問(wèn)題，歸納總結(jié)原因并進(jìn)一步提出需要關(guān)注的工藝重點(diǎn)。

工藝原理及質(zhì)量判定

高速射釘鉚接，顧名思義是將鉚釘以高速打入板材并以此固定連接對(duì)象的技術(shù)。在鉚接過(guò)程中，高壓氣體進(jìn)入鉚槍，使撞桿加速，撞桿推動(dòng)鉚釘使其在短時(shí)間內(nèi)被加速到20～40m/s，并如同子彈一般被打入板材。如圖1所示，在鉚釘向板材內(nèi)部移動(dòng)的過(guò)程中，板材材料填入鉚釘螺紋之間的空間，兩者間形成鉤連結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到穩(wěn)定連接。材料的彈性形變導(dǎo)致鉚釘受到材料的夾緊力，這進(jìn)一步強(qiáng)化了鉤連結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。高速鉚釘與板材間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致板材與鉚釘接觸部位升溫，金屬材料流動(dòng)性加強(qiáng)，因此材料能夠更加有效地填入鉚釘螺紋之間。此外，對(duì)于含鐵材料來(lái)說(shuō)，高溫還可以使鉚釘螺紋尖端與材料之間熔化結(jié)合，達(dá)到類似于焊接的效果[1-3]。

圖1 高速射釘鉚接的原理[4]

高速射釘鉚接的質(zhì)量一般通過(guò)以下幾點(diǎn)進(jìn)行判定。

首先，鉚點(diǎn)必須完整，鉚釘帽與板材表面不能存在破損?？紤]到防腐蝕的因素以及鉚釘螺紋與板材間需要確保足夠的接觸來(lái)保證鉚點(diǎn)強(qiáng)度，鉚釘釘帽與板材之間應(yīng)貼合，釘帽與板材間的間隙必須≤0.7mm。

其次，對(duì)于鉚釘?shù)膹?qiáng)度考核，一般使用退釘力測(cè)試。通常，習(xí)慣性地把鉚接過(guò)程中鉚釘最先接觸的板件稱作外板，把最后接觸的板件叫做內(nèi)板。如圖2所示，在退釘力測(cè)試中，首先固定內(nèi)板，之后從釘尖向外板方向施加推力直至連接被破壞，鉚接被破壞時(shí)所施加的最大推力即為退釘力，合格的鉚點(diǎn)退釘力應(yīng)＞220N。由此可見(jiàn)，退釘力是直接反映高速射釘鉚接強(qiáng)度的參數(shù)，但是由于退釘力測(cè)試屬于破壞性測(cè)試，產(chǎn)品在退釘力測(cè)試時(shí)被徹底破壞，所以退釘力測(cè)試不能頻繁進(jìn)行。

圖2 退釘力測(cè)試原理

鉚釘間隙及原因

鉚釘未完全進(jìn)入板材，導(dǎo)致鉚釘帽部與板材間存在較大間隙（見(jiàn)圖3），這是批量生產(chǎn)中一種常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷。如前文所述，間隙的存在增加了鉚點(diǎn)與板材被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于鉚釘螺紋與板材間的有效連接區(qū)域的減少，鉚點(diǎn)強(qiáng)度也進(jìn)一步降低。高速射釘鉚接通常與涂膠工藝一同使用，鉚釘同時(shí)也起到固定和壓實(shí)膠段的作用。因此，若鉚釘未被完全打入板材，鉚點(diǎn)對(duì)膠段的固定效果也會(huì)受到影響，則會(huì)進(jìn)一步降低車身強(qiáng)度。鉚釘間隙除了影響連接質(zhì)量，突出的釘帽也會(huì)與后續(xù)工藝的機(jī)器設(shè)備發(fā)生剮蹭，導(dǎo)致設(shè)備、鉚點(diǎn)以及板材被破壞，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法返修而報(bào)廢的情況（見(jiàn)圖4），產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。

圖3 鉚釘間隙缺陷

圖4 凸起鉚釘與機(jī)器人碰撞導(dǎo)致零件二次受損

通過(guò)總結(jié)高速射釘鉚接在北京奔馳車身一工廠的應(yīng)用，產(chǎn)生鉚釘間隙的原因主要包括以下幾點(diǎn)。

1.工裝夾具和墊塊失效

高速射釘鉚接的鉚點(diǎn)附近需要設(shè)置可靠的支撐點(diǎn)。通過(guò)支撐點(diǎn)的固定，板材其余部分的形變與振動(dòng)受到限制，因此鉚釘動(dòng)能才可以有效集中于它與板材接觸位置。若支撐點(diǎn)距離過(guò)遠(yuǎn)，支撐點(diǎn)之間的板件在鉚釘?shù)臎_擊下整體發(fā)生變形（見(jiàn)圖5），如同一個(gè)緩沖裝置一般吸收了大量動(dòng)能，導(dǎo)致鉚釘沒(méi)有足夠的能量貫穿板材，進(jìn)而導(dǎo)致鉚釘不能全部進(jìn)入板材。

圖5 正常鉚點(diǎn)與缺乏有效支撐導(dǎo)致板材變形的鉚點(diǎn)

支撐一般由板件內(nèi)部的加強(qiáng)筋以及夾具上的墊塊提供。若因設(shè)計(jì)存在問(wèn)題導(dǎo)致鉚點(diǎn)周圍缺少可靠的支持墊塊或加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、墊塊存在尺寸問(wèn)題而無(wú)法有效貼合板材，以及提供支撐及墊塊破損或墊塊夾具的氣缸失效，無(wú)法提供足夠壓緊力，則鉚接過(guò)程中板材無(wú)法獲得足夠的支撐固定（見(jiàn)圖6），從而導(dǎo)致鉚釘間隙的出現(xiàn)。

圖6 缺乏有效支撐導(dǎo)致鉚釘無(wú)法打入以及內(nèi)板嚴(yán)重變形

2.環(huán)境和停機(jī)因素

高速射釘鉚接設(shè)備得以正常工作時(shí)，環(huán)境溫度需要在15℃以上，但是在北方冬季夜班時(shí)間，室外溫度最低接近-20℃，若生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)缺乏有效的保溫系統(tǒng)，鉚接設(shè)備在非正常狀態(tài)下運(yùn)行，便有可能導(dǎo)致鉚釘獲得的動(dòng)能受到限制，從而無(wú)法有效擊穿板材。此外，設(shè)備內(nèi)部潤(rùn)滑油在低溫下會(huì)凝固為膠狀，導(dǎo)致摩擦損耗增加、低溫下板材硬度更高，進(jìn)一步阻礙了鉚釘?shù)拇┩?。因此，在冬季、特別是突然降溫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鉚釘無(wú)法打入板材的情況。

同理，當(dāng)設(shè)備發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部溫度較低，再起動(dòng)時(shí)需要暖機(jī)時(shí)間來(lái)使設(shè)備恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，因此設(shè)備重起后最先進(jìn)行的幾百次鉚接，也會(huì)因?yàn)樵O(shè)備未處于正常工作狀態(tài)而出現(xiàn)鉚釘力度偏小的情況，有一定概率出現(xiàn)鉚釘未完全打入板材的問(wèn)題。

3.鉚接姿態(tài)偏移

高速射釘鉚接工藝中存在一個(gè)重要的步驟——預(yù)壓緊。預(yù)壓緊發(fā)生在鉚槍與板材接觸后及鉚釘被加速之前。鉚槍與板材接觸后會(huì)繼續(xù)下壓施加1.5～2bar（1bar＝105Pa，下同）的壓力，使內(nèi)外板更加貼合，板件間膠段被壓實(shí)，從而有助于提高鉚點(diǎn)質(zhì)量。

高速射釘鉚接對(duì)于鉚槍的移動(dòng)軌跡有著嚴(yán)格的要求。鉚接進(jìn)行時(shí)鉚槍必須盡可能垂直于板件，如果鉚槍不與板件垂直，鉚釘會(huì)以傾斜的角度接觸板材（見(jiàn)圖7），鉚釘釘帽的一側(cè)先與板材接觸，導(dǎo)致鉚釘無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)而在另外一側(cè)出現(xiàn)間隙。此外，由于金屬表面十分光滑，若鉚槍以傾斜的角度接觸板材，預(yù)壓力平行于板材表面的分力會(huì)導(dǎo)致鉚槍進(jìn)一步向外側(cè)滑動(dòng)，發(fā)生蹭件的現(xiàn)象，這將加劇惡化鉚接姿態(tài)。因此，每個(gè)鉚點(diǎn)的鉚接軌跡需要嚴(yán)格控制，并盡可能讓鉚槍與板件垂直。

圖7 鉚槍的側(cè)向位移

另外，還存在一種零件向下移位情況，如圖8所示。若工裝胎上的夾子或定位銷有松動(dòng)，在鉚槍施加預(yù)壓力后無(wú)法提供足夠支撐，零件在預(yù)壓力作用下向著壓力方向發(fā)生位移，也會(huì)導(dǎo)致零件表面與鉚槍垂直度惡化的情況。

圖8 零件向下位移

4.鉚接設(shè)備內(nèi)部原因

設(shè)備導(dǎo)致鉚釘間隙的原理主要有以下兩點(diǎn)。

1）設(shè)備組件問(wèn)題導(dǎo)致鉚釘無(wú)法獲得足夠動(dòng)能，以至于鉚釘不能完全穿透板材。例如，加壓泵失靈導(dǎo)致鉚槍不能獲得足夠高壓氣體；氣路系統(tǒng)內(nèi)部組件損耗導(dǎo)致漏氣；撞針與槍身潤(rùn)滑效果惡化、槍鼻磨損導(dǎo)致鉚釘加速過(guò)程中摩擦增加。鉚接系統(tǒng)自帶的監(jiān)控系統(tǒng)可以記錄鉚接過(guò)程中實(shí)際氣壓值以及鉚釘速度。因此，當(dāng)在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣壓或鉚釘速度頻繁小于目標(biāo)值時(shí)，需盡快檢查鉚接設(shè)備。

2）鉚槍設(shè)備磨損導(dǎo)致鉚釘在彈道加速的過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)。例如，撞桿定位塊損耗導(dǎo)致撞針在推釘過(guò)程中發(fā)生晃動(dòng)，槍身中用于固定鉚釘位置的氣路結(jié)構(gòu)發(fā)生異常[4]。由于鉚釘是在設(shè)備內(nèi)部發(fā)生晃動(dòng)，所以即使鉚槍與零件表面垂直，鉚釘其實(shí)也是以傾斜的狀態(tài)與板材接觸，進(jìn)而導(dǎo)致一側(cè)出現(xiàn)間隙。

5.鉚點(diǎn)位置偏移

正常情況下，在批量生產(chǎn)中機(jī)器人的軌跡偏差一般＜2mm。但是若機(jī)器人內(nèi)部組件老化或者曾發(fā)生過(guò)磕碰導(dǎo)致軌跡偏移，又或者是工裝胎具定位功能失效導(dǎo)致零件位置移動(dòng)，則鉚點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的偏移。如前文所述，鉚點(diǎn)附近一般有加強(qiáng)筋作為支撐點(diǎn)，當(dāng)偏移的鉚釘在穿透板材后與加強(qiáng)筋發(fā)生碰撞時(shí)，額外的碰撞大量消耗鉚釘能量，導(dǎo)致鉚點(diǎn)無(wú)法繼續(xù)深入，進(jìn)而導(dǎo)致間隙的出現(xiàn)。此外，若鉚點(diǎn)位置偏移到離支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，也會(huì)發(fā)生因支撐不夠而導(dǎo)致的鉚釘間隙。

6.工藝參數(shù)設(shè)置

高速射釘鉚接的主要工藝參數(shù)是鉚接氣壓。因?yàn)殂T釘通過(guò)高壓氣體推動(dòng)加速，所以鉚接氣壓直接影響鉚釘射入板材的速度與力度。如圖9所示，對(duì)于鋼-鋁連接，鉚接氣壓一般在5～8bar。鉚接氣壓過(guò)小，鉚釘?shù)膭?dòng)能就過(guò)小，無(wú)法有效穿透板材。但是，鉚接氣壓同樣直接影響鉚釘結(jié)合強(qiáng)度，若氣壓過(guò)大，鉚釘速度過(guò)高，鉚接過(guò)程中板材包裹鉚釘?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)會(huì)由于強(qiáng)大的撞擊而損壞，并導(dǎo)致連接強(qiáng)度的急劇下降。

圖9 鉚接氣壓過(guò)小/過(guò)大對(duì)質(zhì)量的影響

而且，工藝參數(shù)一般在試裝階段就應(yīng)被調(diào)整至理想狀態(tài)，在批量生產(chǎn)中一般不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)閴毫?shù)設(shè)置得過(guò)小導(dǎo)致鉚釘無(wú)法完全打入的情況。因此，在批量生產(chǎn)中應(yīng)盡可能不改變氣壓參數(shù)，只有在排除鉚接姿態(tài)、工裝狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)等其他可能性后才可以嘗試修改氣壓參數(shù)，并用退釘力測(cè)試驗(yàn)證氣壓參數(shù)修改后的鉚點(diǎn)質(zhì)量。

工藝要點(diǎn)

1.工藝參數(shù)

鉚接氣壓的選取十分重要，前文已經(jīng)論述。若氣壓過(guò)小，則鉚釘無(wú)法進(jìn)入板材；若氣壓過(guò)大，鉚點(diǎn)結(jié)構(gòu)受損，強(qiáng)度減小。氣壓參數(shù)的設(shè)置與板材搭配，現(xiàn)場(chǎng)工況及工作環(huán)境有著密切的聯(lián)系，因此一般不存在通用的參數(shù)參考清單，需要在車型試裝階段通過(guò)試驗(yàn)的方式確定各鉚點(diǎn)的最佳壓力。通常的調(diào)試方法為：以0.1bar的間隔更改氣壓參數(shù)，找到各鉚點(diǎn)鉚釘剛好完全進(jìn)入板材的氣壓Ph，即當(dāng)氣壓為小于Ph時(shí)，鉚釘與板材間存在間隙；氣壓為Ph時(shí)，鉚釘與板材間沒(méi)有間隙，在Ph之上增加0.3～0.5bar，此時(shí)鉚接質(zhì)量一般處于較好狀態(tài)。

2.監(jiān)控曲線

監(jiān)控功能是連接技術(shù)的重要組成部分。在批量生產(chǎn)中，只有自動(dòng)監(jiān)控功能可以保證對(duì)鉚點(diǎn)的100%檢查并避免潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。高速射釘鉚接系統(tǒng)自帶行程曲線監(jiān)控以及壓力曲線監(jiān)控，其中行程曲線可以有效地監(jiān)控鉚釘間隙問(wèn)題（見(jiàn)圖10）。因?yàn)闊o(wú)論導(dǎo)致鉚釘間隙現(xiàn)象的原因是什么，最終表現(xiàn)形式都是鉚釘位移量小于預(yù)定值。行程監(jiān)控主要監(jiān)控鉚釘打入板材后的行程最大值，當(dāng)鉚釘最大行程無(wú)法達(dá)到特定范圍時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出質(zhì)量報(bào)警。各鉚點(diǎn)的行程監(jiān)控范圍同樣需要在試裝階段調(diào)試好。行程監(jiān)控范圍的確立一般在確定好最佳氣壓參數(shù)后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)多次鉚接的行程曲線，確認(rèn)行程最大值的位置范圍，之后設(shè)定監(jiān)控范圍使行程最大值盡可能在監(jiān)控窗口中心位置。

圖10 行程監(jiān)控曲線以及監(jiān)控窗口位置

3.設(shè)備檢修

高速射釘鉚接的質(zhì)量，極大程度上取決于鉚接設(shè)備的狀態(tài)。因此，保證鉚接質(zhì)量的一個(gè)重要步驟便是制定詳細(xì)的檢修保養(yǎng)計(jì)劃并嚴(yán)格按計(jì)劃執(zhí)行。工裝夾具需要定期檢查是否存在松動(dòng)，是否有銷子墊塊存在破損，以及氣缸是否正常運(yùn)作。機(jī)器人需要定期校準(zhǔn)軌跡，以避免軌跡偏移。鉚槍設(shè)備需定期保養(yǎng)，對(duì)于有使用壽命要求的零件應(yīng)進(jìn)行及時(shí)更換。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了高速射釘鉚接的基本原理及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分析總結(jié)了生產(chǎn)中常見(jiàn)的鉚釘間隙問(wèn)題的影響因素與原理，其中包括：夾具功能失效、環(huán)境溫度過(guò)低、鉚接姿態(tài)錯(cuò)誤、設(shè)備故障、機(jī)器人軌跡偏移以及工藝參數(shù)過(guò)小，并根據(jù)以上問(wèn)題總結(jié)了生產(chǎn)中需注意的工藝重點(diǎn)。

作為一個(gè)剛剛興起的新技術(shù)，在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，高速射釘鉚接也有著一些限制。例如，鉚接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大噪聲，因此鉚接必須在隔音房中進(jìn)行；鉚槍備件價(jià)格高昂，維護(hù)成本高；由于專利限制所以剛開(kāi)始向市場(chǎng)開(kāi)放。因此，目前也僅有奔馳等少數(shù)幾個(gè)品牌應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及車身輕量化的進(jìn)一步深入。擁有單面連接、鉚接快速以及鉚接質(zhì)量穩(wěn)定等強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)的高速射釘鉚接技術(shù)在未來(lái)的幾年，會(huì)獲得越來(lái)越多的關(guān)注，并被越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)商所接受。