淺談自沖鉚技術(shù)應(yīng)用

仝輝，邵金金，張逸，王知，劉治偉

奇瑞汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241006

SPR是一種機(jī)械連接工藝，能將兩層或更多層、相同或不同材質(zhì)和牌號(hào)的金屬及非金屬板進(jìn)行機(jī)械連接。SPR鉚釘在外力的作用下穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進(jìn)行流動(dòng)延展，形成相互鑲嵌的永久塑性形變，這樣的鉚釘連接技術(shù)稱為自沖鉚，英文簡(jiǎn)稱SPR（Self-Piercing Rivet）。

SPR的工藝過程包括六個(gè)階段：定位→預(yù)壓→進(jìn)給→沖裁→擴(kuò)張→成型，具體鉚接過程如圖1所示。

圖1 鉚接工藝過程

（1）定位階段 被鉚接零件處于固定狀態(tài)，鉚槍固定。

（2）預(yù)壓階段 沖頭向下移動(dòng)，壓邊圈向下壓緊待鉚接板料。

（3）進(jìn)給階段 鉚釘在沖頭的驅(qū)動(dòng)下垂直向下對(duì)板料進(jìn)行預(yù)壓緊。

（4）沖裁階段 沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其穿透上層板料，同時(shí)鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。

（6）擴(kuò)張階段 鉚釘腿部逐漸張開，下層板料發(fā)生塑性變形逐漸填充入凹模，在沖頭和凹模凸臺(tái)的共同作用下，鉚釘腿部向周圍擴(kuò)張，嵌入下層板料從而形成鉚釘與板料間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。

（7）成型階段 當(dāng)沖頭將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)可以認(rèn)為鉚接完成，此時(shí)壓邊圈釋放壓邊力，沖頭將返回初始工位，沖鉚結(jié)束。

SPR在鉚接時(shí)，不同品牌設(shè)備需設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)不同，具體參數(shù)見表1。

表1 SPR關(guān)鍵參數(shù)

常用術(shù)語(yǔ)解釋

（1）頭高（H）鉚釘頭部上端面與頂層板料平面之間的高度差。

（2）互鎖值（IL、IR）及互鎖系數(shù)（（IL+IR）/2）鉚釘尾部左/右側(cè)尖端與鉚釘切入底層板材的切入點(diǎn)之間的水平距離成為互鎖值（IL為左側(cè)互鎖值，IR為右側(cè)互鎖值）；兩側(cè)互鎖值的平均值定義為互鎖系數(shù)。

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

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需求

通常情況下，推薦板材抗拉強(qiáng)度UTS≤600 MPa，高強(qiáng)度的熱成型鋼，高強(qiáng)鋼和特高強(qiáng)度鋼（UTS＞600 MPa）理論上也可以使用，但會(huì)使用特殊類型鉚釘，鉚接難度較大。滿足SPR工藝的材料設(shè)計(jì)基本要求如下：

1）底層板厚至少為總厚度的1/3。

2）強(qiáng)度高、硬度高、延展性差的材料放在上層，強(qiáng)度低、硬度低的、延展性好的材料放在底層。

3）厚度薄的材料放在上層，厚度大的材料放在底層。

4）上層材料允許的最高強(qiáng)度1500MPa，上層材料強(qiáng)度越高，則底層材料需盡量選用強(qiáng)度低、硬度低的、延展性好的材料，且底層材料需盡量厚。

5）底層材料允許的最高強(qiáng)度不高于600MPa，延展性不小于12%。

鉚接對(duì)板材重合面長(zhǎng)度、板材邊緣到鉚釘距離、翻邊到底模距離見圖2。為了保證鉚接效果，鉚接位置的尺寸要求滿足表2。

圖2 鉚接有效邊示意

表2 鉚接有效邊尺寸 （單位：mm）

連接質(zhì)量及檢驗(yàn)要求

SPR的質(zhì)量判定分為非破壞性檢驗(yàn)和破壞性檢驗(yàn)兩種方式。

非破壞性檢驗(yàn)主要有外觀目視檢查和頭高測(cè)量?jī)煞N方式。外觀目視檢查是通過直接目視對(duì)空鉚、鉚點(diǎn)位置偏移、鉚扣不完整、鉚扣有裂紋、板材邊緣出現(xiàn)裂紋等外觀缺陷進(jìn)行識(shí)別及判定。

鉚釘頭高測(cè)量，根據(jù)鉚釘?shù)墓δ懿煌|(zhì)量要求略有差異。當(dāng)鉚釘用于外觀件時(shí)，其頭高要求H=-0.1～+0.1mm為合格；當(dāng)鉚釘用于非外觀件時(shí)，其頭高要求H=-0.5～+0.3mm為合格，頭高測(cè)量方式如圖3。

圖3 頭高測(cè)量方式

測(cè)量時(shí)將高度儀的探頭頂部置于鉚釘?shù)闹行狞c(diǎn)，確保高度計(jì)底部的3 個(gè)支點(diǎn)和板材都貼合，可以適當(dāng)?shù)脟@鉚釘?shù)闹行狞c(diǎn)小幅度得移動(dòng)，以確保測(cè)得數(shù)值是最小值。

需要說明的是表面型鉚點(diǎn)對(duì)表面光潔度要求較高，因此，當(dāng)此類鉚釘用于外觀件時(shí)，其頭高要求不超過±0.1mm。

破壞性檢查包金相檢查及力學(xué)拉伸試驗(yàn)，生產(chǎn)階段以金相檢查為主?？刂菩汀⑵胀ㄐ?、表面型鉚點(diǎn)與工藝型鉚點(diǎn)的質(zhì)量要求不同，金相檢查要求也存在差異。

力學(xué)拉伸試驗(yàn)包括剪切試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)和十字拉伸試驗(yàn)。

SPR 質(zhì)量控制計(jì)劃

SPR的質(zhì)量要求分為設(shè)計(jì)階段和產(chǎn)線階段。設(shè)計(jì)階段測(cè)試指前期方案階段和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的測(cè)試，測(cè)試主要在試驗(yàn)室和樣車上進(jìn)行，并且以手工鉚接為主。產(chǎn)線檢查指生產(chǎn)驗(yàn)證階段的測(cè)試和檢查，產(chǎn)線每個(gè)鉚點(diǎn)有一項(xiàng)缺陷即視該鉚釘不合格。檢驗(yàn)頻次可參考表3。

表3 質(zhì)量檢驗(yàn)頻次要求

返工要求

1.常見返修方法

鉚接常見缺陷及返修方法可參考表4所示。

表4 缺陷及返修方法

2.返修注意事項(xiàng)

1) 返修方式中優(yōu)先考慮鉚槍補(bǔ)鉚，返修結(jié)束后測(cè)量頭高。

2) 在鉚槍補(bǔ)鉚返修不能實(shí)現(xiàn)、遮蔽區(qū)或不會(huì)導(dǎo)致客戶抱怨的非遮蔽區(qū)時(shí)，可以采用抽芯鉚釘、塞焊的形式進(jìn)行返修。

3) 抽芯鉚釘常用6.4mm規(guī)格，鉆孔直徑6.60.40mm，具體抽芯鉚釘型號(hào)及開孔原則應(yīng)參照研發(fā)發(fā)布的鉚釘圖紙。

4) 在鉚穿、翻釘、雙釘三類缺陷的情況下，是否需要取出鉚釘由工藝工程師確認(rèn)，鉚釘取出方法：用砂輪磨去鉚釘?shù)撞?，然后取出鉚釘。

3.塞焊返修的注意事項(xiàng)

1) 一般用于同種材料連接處返修如：鋁-鋁連接；異性材料修復(fù)不推薦焊接方案。

2) 焊料根據(jù)不同厚度選擇。

3) 將損壞鉚點(diǎn)清除后在薄板側(cè)開口，保證厚板留有最基本厚度可作為焊接鉚接面。

4) 焊接后如需打磨平整，有可能打磨后會(huì)降低焊接強(qiáng)度。

5) 如需修復(fù)3層板使用焊接，至少要保證焊接面厚度不低于2mm（經(jīng)驗(yàn)值）。

結(jié)語(yǔ)

汽車車身既要有足夠的焊接強(qiáng)度，又要有合格的外觀質(zhì)量。自沖鉚技術(shù)具有適用范圍廣、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，自沖鉚技術(shù)的今后發(fā)展趨勢(shì)主要是擴(kuò)大應(yīng)用范圍、提高自沖鉚效率和連接設(shè)備的更新?lián)Q代。