高速射釘鉚接技術在白車身生產(chǎn)線的設計及質量缺陷分析

王人和，謝明達，劉偉偉，張瑋，蔡曉輝

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

近年來，汽車電動化及智能化進程越來越快，汽車產(chǎn)品生產(chǎn)線設計及制造周期也極大地縮短，車身中鋁合金零件比例增多，高速射釘鉚接技術由于工藝簡單，可以完成“鋼-鋁”焊接，工藝時間短、單面鉚接及無有毒有害副產(chǎn)品產(chǎn)生的特點，得到了極大的關注和使用。北京奔馳自2013年開始應用高速射釘鉚接技術，歷經(jīng)多種車型的更新迭代，該技術能夠在極短的周期內完成生產(chǎn)線工藝過程，現(xiàn)場安裝調試，通過質量優(yōu)化，配合機器人自動涂膠技術，即可達到預期的產(chǎn)品質量要求。

本文通過車型實例，總結該連接技術的工藝設計及質量要求，并提供相關質量問題解決思路及辦法。

技術原理及優(yōu)缺點

高速射釘鉚接是一種純機械的連接方法，可實現(xiàn)從板材單側進行連接，連接的材料可以為鋼板、鋁板或鑄鋁件，為了提高鉚接質量強度，通常會同時使用高速射釘鉚接和結構膠。圖1是高速射釘鉚的簡化鉚接過程。

圖1 高速射釘鉚接連接過程

在鉚接操作之前，鉚槍以一個預設的預緊壓力頂在零件上，鉚接的連接步驟過程可以分為5步：

1）射釘槍頭壓緊板件。

2）鉚釘接觸并破壞板件。

3）鉚釘刺穿所有板件。

4）材料拉伸形狀形成。

5）釘帽到達預定位置，鉚接過程結束。

鉚接所用的鉚釘尺寸及樣式如圖2所示。在鉚接的過程中，高壓氣體進入鉚槍，通過壓縮空氣加速活塞撞針，以最大20kN的力撞擊鉚釘，使鉚釘以20～40m/s的速度壓入工件。由于慣性，鉚釘可以在不引起零件整體變形的條件下實現(xiàn)薄板零件的連接，鉚釘?shù)募舛四軌虼掏赴宀摹?/p>

圖2 鉚釘尺寸及鉚釘構成

在鉚接連接的過程中，連接區(qū)域的板材會沿著鉚釘?shù)囊苿臃较蚧蛳喾捶较虺史派錉钜苿?。板材材料會填充進鉚釘螺紋之間的空間，形成鉤連結構，從而達到穩(wěn)定的連接形態(tài)。高速射釘鉚接過程實際發(fā)生時間非常快，從鉚釘?shù)捻敿饨佑|第一層板材到釘帽接觸第一層板材，整個過程時間僅為2ms。這種鉚釘與板材間的短時間劇烈摩擦變化會產(chǎn)生大量熱，進一步加大金屬材料的流動性，高溫還可以使鉚釘螺紋齒牙與材料之間熔化結合，達到類似于焊接的效果，進一步提升鉚接質量的穩(wěn)定性。

高速射釘鉚接的優(yōu)缺點非常明顯。優(yōu)點是該技術不需要在零件上預制孔就可以鉚接，工藝過程簡單，可以單面鉚接，能夠在狹小的車身零件空間內實施鉚接過程，可以完成多種材質的零件連接，能實現(xiàn)高強度鋼板鉚接。缺點就是在鉚接的過程中，鉚釘穿刺板材的過程中會產(chǎn)生較大的噪聲；鉚接點周圍局部會發(fā)生形變，由于增加了鉚釘，連接部位鉚釘頭部會導致零件表面不平，鉚釘?shù)募舛藭钊氲杰嚿砹慵锌湛臻g，影響車身零件外觀及內部空間的美觀。

技術設計要求

結合高速射釘鉚接工藝的原理和優(yōu)缺點，在車身零件使用高速射釘鉚接工藝時，需要考慮以下幾個方面的因素。

1）鉚釘連接的覆蓋層和基板零件的材質，以及零件的硬度和板材厚度。通?；宀牧系暮穸纫雀采w層材料的厚度厚，強度比覆蓋層材料更高。在涉及鋁鑄件的連接時，覆蓋層材料的強度可能高于基板材料的強度。

2）鉚釘在零件上鉚接位置的設計。由于鉚釘釘入零件的過程中受到的壓力也會被板材吸收，因此，要減少板材在鉚接過程中發(fā)生過大的塑性形變，鉚釘頭附近的區(qū)域就需要零件具有足夠的剛性，避免零件發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象。在設計鉚接位置時，通常選取帶有支撐或加強筋的零件部位，鉚釘在零件位置區(qū)域的截面角半徑應盡可能小，從而實現(xiàn)該區(qū)域零件具有足夠的剛性。

3）鉚槍槍頭尺寸及槍頭射釘位置的空間要求。高速射釘鉚槍槍頭尺寸如圖3所示，鉚槍槍管長度為104mm，槍管直徑為26mm，槍管可以深入到相對狹窄的車身零件空腔內，鉚槍運行動作和軌跡需求，以及鉚槍的可達性都有一定的局限性。

圖3 高速射釘鉚槍槍頭尺寸

4）鉚槍中心軸和鉚釘釘頭到板材凸起邊緣的距離要求。如圖4所示，鉚槍在鉚接時，要注意幾個重要參數(shù)要求：一是釘?shù)闹行妮S到基板下凸起邊緣的最短距離Xmin≥6mm；二是釘?shù)闹行妮S到基板上凸起邊緣的最小邊緣距離aKB≥11.5mm；三是釘?shù)闹行妮S到覆蓋層板凸起邊緣的最小邊緣距離aKD≥6.5mm；四是鉚釘鉚接完成后，鉚釘釘頭外徑到板材邊緣距離的要求，如圖4所示，鉚釘外徑距基板凸起上邊緣的最短距離aB≥7.5mm，鉚釘外徑距覆蓋層板凸起邊緣的最短距離aD≥2.5mm。

圖4 鉚槍中心軸和鉚釘釘頭到板材邊緣距離

5）鉚點位置偏移量要求。為了保證鉚接強度，使用鉚釘鉚接的區(qū)域，零件在夾緊時應具備較高的重復精度，零件法蘭邊之間的縫隙建議不超過0.5mm。平行于法蘭邊的方向，鉚點位置偏移范圍為理論位置±3mm；垂直于法蘭邊的方向上，允許鉚點位置偏離范圍為理論位置±1.5mm。

模塊化工藝方案設計

為了簡化高速射釘鉚接技術工藝方案，結合北京奔馳汽車白車身設計經(jīng)驗，高速射釘鉚接技術通常使用A、B兩種工藝布局方案，如圖5所示。

圖5 高速射釘鉚接工藝方案

1）方案A的隔音房內有2臺鉚接機器人，為了節(jié)約成本，兩臺機器人共用一個送釘站?？紤]機器人發(fā)生故障時移出方案的需求，方案A的隔音房設計了2個出入口。

2）方案B的隔音房內有4臺鉚接機器人，左右2臺機器人共用一個送釘站?？紤]機器人發(fā)生故障時移出方案的需求，該方案設計了1個出入口，并為遠離出口的機器人搭建了鋼結構吊裝結構，方便機器人吊裝導出。

在生產(chǎn)線節(jié)拍較低機器人工藝時間較長時推薦使用方案A，該方案總體成本也較小。在生產(chǎn)線節(jié)拍時間較高即工藝時間較短時推薦使用方案B，該方案工作效率更高，機器人可達性更好。

高速射釘鉚接質量檢查方法

鉚釘?shù)馁|量驗證方法主要有四種：目視檢查、間隙測量、鉚釘邊緣距離測量和剔試測試檢查。

1）目視檢查主要查看鉚釘?shù)耐暾浴Ｈ玢T釘是否缺失，鉚釘釘頭是否有裂紋，鉚釘自身是否斷裂，連接板材背部是否有明顯破裂等。

2）間隙測量是測量鉚釘螺帽和板材之間的間隙，主要是考量釘頭突起值和鉚釘傾斜值。通常兩層連接板并帶有PVC膠的鉚點要求鉚釘釘帽突起值要≤0.7mm，三層連接板不帶有PVC膠的鉚釘釘帽突起值要≤1mm，兩層連接板帶有PVC膠的鉚釘傾斜值要≤0.7mm，三層連接板不帶有PVC膠的鉚釘傾斜值要≤1m。鉚釘?shù)拈g隙測量是鉚釘鉚接質量考核的重要因素。

3）鉚釘邊緣距離測量即是依據(jù)技術設計要求，使用標尺測量鉚釘外徑與覆蓋層板邊緣距離aD，鉚釘釘頭邊緣與基板邊緣距離aB，以及允許最小釘桿邊緣與零件加強筋輪廓的距離aR，通常要求aR≥3mm。

4）剔試測試檢查是一種破壞性檢測手段，在完成射釘鉚接工藝、PVC膠沒有固化的情況下進行退釘力試驗，檢查鉚釘退出板材所需要使用的推力大小。根據(jù)推力大小評估鉚釘鉚接質量和鉚接牢靠程度，通常要求鉚釘退釘力要大于0.2kN才是質量合格的鉚點。

常見缺陷及解決策略

射釘鉚接的常見缺陷有鉚釘缺失、鉚釘釘頭有裂紋、釘頭斷裂、釘頭歪釘、鉚釘釘頭與板材有間隙及鉚釘位置不符合邊緣距離要求等。這些缺陷會造成鉚接質量降低，增加板材腐蝕的風險從而降低車身強度。圖6所示是高速射釘鉚接常見的缺陷。

圖6 高速射釘鉚接缺陷圖片

對于鉚釘與板材有間隙、鉚釘歪釘?shù)膯栴}，可能存在以下幾點原因：

1）產(chǎn)品本身設計問題。如零件本身缺少加強筋結構，產(chǎn)品外形尺寸設計不合理導致零件與夾具貼合不充分，鉚接過程無法獲得有效的支撐固定，導致了鉚釘間隙的出現(xiàn)。

2）工裝夾具設計問題。鉚接點附近需要增加夾具支撐點，定期對工裝夾具進行精度尺寸檢查，保證工裝夾具定位有效夾緊到位，同時關注車身零件來件的形變變化，做好工裝夾具調試工作。

3）生產(chǎn)環(huán)境和設備冷熱啟動的影響。高速射釘鉚接工作環(huán)境需要在15℃以上，否則會導致鉚接設備非正常狀態(tài)運行，無法有效擊穿板材。設備長時間未使用，再次啟用后也可能出現(xiàn)鉚釘鉚接力偏小的情況，也需要時間恢復至最佳工作狀態(tài)。

4）鉚接姿態(tài)偏移。要減少由于機器人移動慣量導致鉚槍姿態(tài)未垂直于零件即開始預壓緊的情況。經(jīng)過不斷地試驗摸索總結，通過調整機器人鉚接前后運行軌跡，優(yōu)化機器人程序語句，并將鉚槍向槍架方向向上傾斜0.5°，克服鉚槍預壓緊板材時發(fā)生位置偏移，保證鉚槍槍鼻下壓方向與板材完全垂直。

鉚釘斷裂或歪釘?shù)那闆r，可能存在的以下的問題原因：

1）鉚槍設備本身磨損問題。例如鉚槍槍鼻的鉚釘穩(wěn)定功能失效，需要檢查槍鼻本體、阻尼條、固定銷及密封圈等部件的磨損狀態(tài)。

2）為鉚釘提供動作導向的導向塊磨損，需要在維護保養(yǎng)檢修過程中及時更換。

3）撞針在槍體內的伸出位置到槍鼻端面的距離。這個距離的穩(wěn)定性取決于撞針緩沖塊和槍鼻后方的調整墊片，在長時間使用后，緩沖塊會發(fā)生明顯變形，需要進行更換并對應調整墊片，保證撞針伸出位置到槍鼻斷面距離穩(wěn)定性。鉚槍鉚接姿態(tài)也是潛在造成鉚釘斷裂或歪釘?shù)脑颉?/p>

鉚釘位置不符合邊緣距離要求的，則需要重點考慮以下原因：一是產(chǎn)品本身設計問題，查看產(chǎn)品設計本身與邊緣距離要求；二是查看工裝夾具與零件匹配定位的情況，確保夾具夾緊狀態(tài)符合產(chǎn)品設計要求。

質量缺陷發(fā)生頻次的多少，除了關注產(chǎn)品本身設計要求的同時，也要時刻關注鉚接設備自身的精度及狀態(tài)，在生產(chǎn)中，制定詳細的檢修保養(yǎng)計劃并嚴格按計劃執(zhí)行。定期檢查工裝夾具是否松動，夾具的銷子墊塊是否存在磨損，夾具氣缸是否正常運作。

工業(yè)機器人也要定期查看及校準，以避免軌跡偏移。鉚接槍自身的定期保養(yǎng)，易損易耗零件在使用壽命到期的情況下也要及時更換。只有通過以上各個方面的日常設備維護及檢查，才能保證高速鉚接設備穩(wěn)定的運行，減少質量缺陷發(fā)生的可能性。

結語

本文介紹了高速射釘鉚接技術的基本原理，對鉚接技術的設計要求及工藝布局方案進行總結，介紹了鉚接質量檢查方法，通過生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的質量缺陷實例，對質量缺陷進行原因分析，歸納出質量缺陷的解決策略。

作為一項使用頻次越來越高的冷連接技術，在擁有諸多優(yōu)點的同時，也應注意到該項技術使用的一些限制條件，如噪聲、設備價格、日常維護成本等因素。希望通過本文的內容介紹，為汽車白車身輕量化方案及產(chǎn)品設計提供技術支持，為國產(chǎn)汽車質量穩(wěn)定性的不斷提升提供借鑒和參考。