前蓋內(nèi)板連接工藝的應(yīng)用分析

郭海洋

前蓋內(nèi)板連接工藝的應(yīng)用分析

郭海洋

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

前蓋外板與內(nèi)板連接主要是通過包邊工藝實現(xiàn)，而前蓋內(nèi)板總成在選擇連接工藝時，需要綜合考慮材料、板厚、設(shè)備共用性及成本等多種復雜因素。文章主要結(jié)合實際生產(chǎn)中的加工效率、設(shè)備共用性及綜合成本等因素，對內(nèi)板幾種常用的點焊、自沖鉚接（SPR）、無鉚釘鉚接等連接工藝優(yōu)缺點進行了對比分析。結(jié)果表明，在選擇工藝方式中，不僅要考慮材料本身的特點，而且要考慮各種工藝的特點及線體共用車型產(chǎn)品的工藝特點，從而實現(xiàn)降本增效、設(shè)備效益最大化。

前蓋內(nèi)板；SPR；無鉚釘鉚接；連接工藝

隨著汽車電動化大趨勢的不斷發(fā)展，續(xù)航里程作為電動汽車重要的參數(shù)指標，對電池技術(shù)要求不斷提升，因此，汽車輕量化也是提升續(xù)航里程的重要途徑。汽車前蓋作為汽車的一個重要外覆蓋件，其主要作用是隔熱隔音和支撐外板形狀，因此，也成為各汽車廠家進行輕量化設(shè)計的一部分。

汽車電動化的發(fā)展對汽車輕量化的需求不斷提高，而汽車前蓋作為非承載件，是汽車車身輕量化研究的重要部分之一，其輕量化的途徑主要有兩種，即選擇輕量化材料和材料減薄，在輕量化材料的發(fā)展應(yīng)用中，鋁合金在汽車車身上的應(yīng)用日趨普遍，故鋼-鋁輕量化車身是未來的發(fā)展趨勢[1]。輕量化車身根據(jù)材料及位置的不同，相應(yīng)的連接技術(shù)也會有所不同[2]，而汽車前蓋目前主要采用輕量化的鋁合金材料來達到減重目的。為了考慮鋁合金的材料成本及加工成本等因素，汽車前蓋另一個常用的減重方法就是減薄鋼材厚度，針對以上減重方法，需要對汽車前蓋內(nèi)板的加工工藝進行詳細的研究，即對前蓋內(nèi)板總成常用的點焊、自沖鉚接（Self Piercing Riveting, SPR）、無鉚釘鉚接（Clinch）等連接工藝進行對比分析，從而為前蓋制造提供參考。

1 前蓋內(nèi)板常用連接工藝對比

從目前應(yīng)用廣泛性及成熟度來看，常用前蓋內(nèi)板連接工藝主要包括點焊、SPR及Clinch，為此，下文對這幾種常用的連接技術(shù)的原理、應(yīng)用及質(zhì)量評價等進行了介紹和探討。

1.1 SPR自沖鉚接

SPR是一種用于連接兩種或兩種以上金屬板材或塑料的冷連接技術(shù)，通過動極臂驅(qū)動設(shè)備將半空心鉚釘在沖頭的作用下，從上層板材壓入底層板材待鉚接板材形成互鎖結(jié)構(gòu)，SPR釘在沖頭的作用力及底模的反作用下，在板材中間延展發(fā)生了永久性塑性變形，而形成一種穩(wěn)定的連接互鎖結(jié)構(gòu)，如圖1所示。SPR工藝過程主要分為定位、夾緊、沖裁、擴張和成型等階段，目前工藝技術(shù)成熟，已被各家汽車廠家使用，其加工件和工藝過程如圖2、圖3所示。

圖1 SPR互鎖截面圖

圖2 SPR加工件

圖3 SPR工藝過程

SPR鉚接工藝作為冷連接工藝的一種，力學性能優(yōu)良，疲勞強度和壽命相對點焊工藝較高，可應(yīng)用于鋁、鋼等不同材料以及多層板材之間的連接，其有以下優(yōu)點：1）可以實現(xiàn)鋼、鋁、塑料等多種材料之間的連接以及不同材料間的匹配，如鋁-鋁連接、鋼-鋼連接、鋼-鋁連接等不同組合，是目前汽車異種材料連接工藝中的一種成熟工藝；2）鉚接點的靜態(tài)強度、疲勞強度高于等厚板材電阻點焊的連接強度；3）工藝簡單，無須預(yù)先開孔等操作，工序完成時間短，易實現(xiàn)自動化控制，可滿足汽車行業(yè)等大批量生產(chǎn)需求；4）能耗低、綠色工藝，且不會產(chǎn)生煙、氣和火花等，對車間生產(chǎn)環(huán)境友好；5）作為冷連接工藝，對材料涂層鍍層影響小，可保持材料防腐蝕能力；6）無需冷卻水系統(tǒng)。

SPR鉚接工藝應(yīng)用的局限性如下：1）由于需要上下極臂的作用，連接點處需要在雙側(cè)保留足夠的進槍空間；2）通常不同的材質(zhì)、厚度、硬度的接頭組合需要不同的鉚釘、沖頭沖模，且需要通過試驗進行沖模選擇；3）板材搭接需要遵循一定的原則“從薄到厚，從硬到軟”，具體要求為2層板材時，下層板的厚度要不低于總厚度的1/2；3層板材時，下層板的厚度要不低于總厚度的1/3；強度高的材料一般要處在沖模側(cè)，強度低塑性好的材料要處于凹模側(cè)[1]。4）生產(chǎn)中會產(chǎn)生較高的耗材成本，即鉚釘成本；5）SPR設(shè)備系統(tǒng)成本遠高于電阻點焊設(shè)備；6）鉚接點凸起約為2～3 mm，平整度差于點焊面；7）槍型設(shè)計有局限，只能使用C型鉚接槍。

1.2 無鉚釘鉚接

Clinch是利用金屬塑性變形原理的一種冷連接技術(shù)，其通過特殊的壓鉚機構(gòu)作用于兩層或多層鈑金使工件間形成互鎖連接結(jié)構(gòu)（如圖4所示），從而實現(xiàn)機械連接的一種冷加工技術(shù)，并在汽車側(cè)門（如圖5所示）、前后蓋等行業(yè)應(yīng)用較多。其工藝過程包括：壓入階段，即上模沖頭從最高點運動到上止點的過程，其后為彈性成型階段，即從上模接觸板料到板料開始發(fā)生塑性變形為止的過程，此過程是材料在沖頭的壓力下開始進行彈性變形；第三階段是板料塑性填充階段，即上模沖頭繼續(xù)下行施壓，使材料充填凹模，直至上凸模達到下止點為止，并形成鉚接接頭，該階段板材發(fā)生塑性拉伸減薄變形及成型的重要階段；第四個階段是鐓鍛保壓階段，此階段是為了防止板料回彈而保持凸模在下止點進行適當時間的保壓，該過程會優(yōu)化分布材料的殘余應(yīng)力，最后是退模階段，即沖頭將會返回初始位置，如圖6所示。

圖4 Clinch截面圖

圖5 Clinch加工件圖

圖6 Clinch工藝過程

Clinch工藝過程簡單、投資及生產(chǎn)過程成本低，因此，得到許多行業(yè)的青睞，特別是在汽車車身生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用中有以下優(yōu)點：1）其接頭為機械式的互鎖結(jié)構(gòu)，因而連接可靠性極高，可實現(xiàn)異種材料間的連接；2）加工過程不需要鉚釘，減少成本的同時還不會增加材料重量，有利于實現(xiàn)輕量化；3）可以實現(xiàn)連接0.5 mm的薄板以及板厚比差異大的材料組合[3]；4）工序簡單時間短，無需預(yù)處理和后期修整，易實現(xiàn)自動化控制及批量化生產(chǎn)；5）能耗低，綠色工藝，不會產(chǎn)生煙、氣和火花等，對車間生產(chǎn)環(huán)境友好；6）作為冷連接工藝，無有害氣體或揮發(fā)物生成，對材料涂層鍍層影響小，能夠保持材料的防腐蝕能力；7）設(shè)備成本低，且無需冷卻水系統(tǒng)。

Clinch工藝應(yīng)用的局限性有以下幾個方面：1）由于需要上下極臂的作用，連接點處需要在雙側(cè)預(yù)留一定的進槍空間；2）通常不同的材質(zhì)、厚度、硬度的接頭組合需要有不同的凹凸模，需要通過試驗進行選模；3）其靜態(tài)強度和疲勞強度相對較低，通常多應(yīng)用于汽車后蓋、前蓋、后輪罩等非承載部位；4）由于互鎖結(jié)構(gòu)為材料塑性變形形成，因此，對連接材料有一定的要求，即要有較好的冷變特性且單層板材厚度一般要求為0.5～3.0 mm，沖頭側(cè)材料厚度比凹模側(cè)板材多0.5～0.7 mm；5）鉚接點有凸起，平整度差于點焊面；6）槍型設(shè)計有局限，只能使用C型鉚接槍。

1.3 點焊

點焊作為成熟的焊接工藝，僅作簡單介紹，以方便與SPR和Clinch工藝進行對比，點焊分為鋁點焊和鋼點焊，但其原理相同，即應(yīng)用兩電極對連接的板材進行加壓通電，接著使其產(chǎn)生電阻熱將被連接的板材加熱到熔化或塑性狀態(tài)，最后使之形成金屬結(jié)合的一種方法。點焊的形成過程主要分為“加壓焊接－保壓－休止”。在應(yīng)用中有以下優(yōu)點：1）操作簡單，生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)自動化控制，即機械化和自動化；2）焊接過程不需要填充材料，減少成本的同時不會增加材料重量，有利于實現(xiàn)輕量化；3）槍型設(shè)計靈活，可使用C型和X型焊槍，易于實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的焊接。

點焊工藝應(yīng)用中的局限性如下：1）由于需要上下極臂的作用，連接點處需要保留雙側(cè)的進槍空間；2）通常只能實現(xiàn)同種材料焊接，如鋼-鋼、鋁-鋁連接的焊接，同時焊接材料一般不能薄于0.58 mm，否則焊接性能無法保證；3）能耗高，會產(chǎn)生煙和火花等，車間生產(chǎn)環(huán)境較差；4）存在熱輸入，對材料涂層鍍層有影響，會降低焊點附近鍍層防腐蝕能力；5）設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，有電氣系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)。

1.4 前蓋內(nèi)板總成連接工藝對比

通過以上三種前蓋內(nèi)板總成常用連接工藝的分析，對其三種之間的差異點進行了匯總分析（如表1所示），以便參考借鑒。

表1 工藝對比分析表

評價要素工藝類型 SPRClinch點焊 靜態(tài)強度很好好很好 投資費用高低高 輔助材料鉚釘 電極帽 能耗低低高 鍍層/漆層影響 有 飛濺/火花等 有 異種材料連接是是否 設(shè)備選型鉚釘尺寸凹凸模 設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜性送釘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單水冷系統(tǒng)、修模系統(tǒng) 槍型結(jié)構(gòu)C型C型C型或X型

2 前蓋內(nèi)板總成連接工藝選擇分析

2.1 連接材料屬性

在選擇前蓋內(nèi)板總成的連接工藝時，首先要從搭接材料的種類來選擇可以使用的連接工藝，對于鋁合金之間的搭接，由于鋁合金的材料屬性導致其焊接性較差，傳統(tǒng)電阻點焊以及弧焊工藝已無法滿足鋁合金的連接應(yīng)用需求[4]。而異種金屬材料（如：鋼-鋁）連接，在電導率、熱導率以及熔點等方面存在差異，故其在連接界面位置會形成一種脆性相，不能達到連接強度的要求。目前鋁合金、異種金屬連接的方式主要為SPR、熱熔自攻絲（Flow Drill Screwdriving, FDS）和Clinch等機械連接方式[2]，此外由于其無熱輸入影響，對連接材料的表面清潔度、氧化層及鍍層等不敏感，同時還易于實現(xiàn)自動化控制。目前各主機廠前蓋內(nèi)板的機械連接方式主要為SPR和Clinch工藝，而對于同種金屬材料的連接則可以考慮點焊工藝的可行性。

在根據(jù)連接材料的種類選定可以使用的連接工藝后，要考慮連接材料厚度、層數(shù)等是否滿足相應(yīng)的連接工藝要求，同時還要考慮是否滿足產(chǎn)品的強度和外觀要求。作為開閉件的前蓋內(nèi)板在沒有內(nèi)飾件覆蓋時打開，會產(chǎn)生連接點外露的現(xiàn)象。

2.2 線體工藝狀態(tài)

為了提高線體的設(shè)備利用率、降低設(shè)備投資成本，汽車廠家多采用多車型柔性共用線體，因此，對于柔性共用線體而言，在選擇前蓋內(nèi)板總成的連接工藝時，要考慮現(xiàn)有線體設(shè)備與工藝，以及共用線體內(nèi)產(chǎn)品的匹配狀態(tài)與新產(chǎn)品是否可以共用連接設(shè)備；對于點焊工藝而言，若兩者同為鋼材或鋁材，則共用設(shè)備基本可行。而對于機械連接方式的SPR和Clinch工藝而言，在選擇共用設(shè)備時需要進行詳細分析，因為Clinch工藝針對每種類型的匹配板材（厚度、材料牌號等）都會通過試驗選定特定型號的凹凸模及對應(yīng)的鉚接速度，因此，對于共用性研究需要用現(xiàn)有設(shè)備的參數(shù)對新產(chǎn)品的匹配板材進行試驗驗證。SPR和Clinch工藝相同，每種板材匹配類型也需要通過試驗選定對應(yīng)的鉚釘及對應(yīng)的鉚接速度，故建議將不同車型的匹配零件在使用同一把槍的時候?qū)⑵湓O(shè)計為同種材料匹配類型。

2.3 投資成本及生產(chǎn)速度

在選擇工藝設(shè)備時，需要重點關(guān)注設(shè)備成本及設(shè)備生產(chǎn)效率[5]。首先，從單次設(shè)備投資成本對比可知，一般情況下，Clinch設(shè)備成本最低，其次為點焊設(shè)備，最高的為SPR設(shè)備。其次從耗材對比可知，Clinch不需要相應(yīng)的耗材，點焊需要在焊接一定數(shù)量的焊點后進行電極帽更換，而SPR需要鉚釘進行鉚接，耗材數(shù)量較大。最后從生產(chǎn)效率來對比，一般情況下，SPR和Clinch生產(chǎn)速度基本相等，均低于點焊工藝。Clinch接頭的靜態(tài)強度和疲勞強度不及SPR和點焊接頭，而SPR接頭的疲勞強度甚至可達到電阻點焊接頭的2倍，因此，在滿足連接強度的前提下選擇Clinch工藝時成本最低。

3 結(jié)束語

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，輕量化受到越來越多的關(guān)注，前蓋內(nèi)板主要通過鋁合金和板材減薄等方案來實現(xiàn)輕量化。因此，針對前蓋內(nèi)板的連接工藝需要考慮更多的因素，不僅要考慮材料本身的特點，而且還要考慮各種工藝的特點及線體共用車型產(chǎn)品的工藝特點，從而實現(xiàn)降本增效、設(shè)備效益最大化，通過以上各方面的對比分析，可為前蓋內(nèi)板總成的產(chǎn)品設(shè)計和加工工藝的選擇提供一定的參考。

[1] 鞠慧,李鷹,吳小龍.鋼-鋁連接技術(shù)與質(zhì)量評價探討[J].時代汽車,2019(19):83-85.

[2] 陸建邦,李賀強.鋁車身連接工藝探討[J].汽車制造業(yè), 2018(17):59-61.

[3] 陳明潔.鋁合金SPR自穿釘在鋁合金板材上的應(yīng)用[J].汽車工藝師,2018(3):54-56.

[4] 張林陽.全鋁及鋼-鋁混合車身輕量化連接技術(shù)[J].汽車工藝與材料,2018(7):1-8.

[5] 陳玉勝.鋁合金車身及連接技術(shù)[J].汽車工藝師,2018 (3):49-53.

Application Analysis of the front Hood Inner Panel Connection Process

GUO Haiyang

( SAIC General Motors Company Limited, Shanghai 201208, China )

The connection between the front hood panel and the inner panel is mainly realized through the hemming process, while the complex process of the front hood inner panel assembly, plate thickness, equipment sharing and cost etc. This paper mainly combines with the actual processing efficiency, equipment commonality, cost and other factors to analyse the advantages and disadvantages of these current connection process such as spot welding, self piercing riveting (SPR), clinch and so on. The results show that in the selection of process, which should not only consider the characteristics of the material itself, but also consider the characteristics of various processes and the process characteristics of the line and body shared model products, so as to achieve cost reduction and maximum equipment benefit.

Front hood inner panel;SPR;Clinch;Connection process

U466

A

1671-7988(2023)12-149-05

郭海洋（1986－），男，碩士，工程師，研究方向為車身工藝，E-mail:Haiyang_Guo@SAIC-GM.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.028