沖鉚技術在汽車行業上的應用與控制

鐘麗慧，孔淑華，劉志鋼

(一汽大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011)

1 沖鉚技術在汽車行業中的應用

隨著社會經濟及技術的高速發展，汽車用戶的需求量在近幾年呈現快速增長的趨勢，行業競爭也愈發激烈，要保質保量的完成汽車的生產制造，對現代化生產線的板件連接工藝提出了更高的要求，從傳統的點焊、凸焊、螺柱焊、MAG、MIG、TIG弧焊到現在逐漸廣為應用的激光焊、等離子焊、鉚接等工藝，各企業為增強自身的競爭力，將鋁等輕型材料逐漸應用到車身制造中，鋁件與鋼相比有較高的熱導率、熔點低、表面易于銅電極發生合金化反應形成氧化膜等特點，使得鋁合金點焊存在能耗大、電極點蝕嚴重且焊點質量不穩定等問題[1]，而沖鉚工藝能夠滿足鋼材或鋁等輕型材料的連接要求，鉚接過程中無化學反應，其抗靜拉力和抗疲勞性都要優于點焊工藝，且板材在鉚接時不需要鉆孔，工藝步驟簡化，節省成本，并能適合汽車車身高效率的生產，有效地攻破了鋁點焊產生的各個難題，使得近年來沖鉚連接方式被越來越多的應用在車身生產制造中，例如車身的覆蓋件、搖窗機、車頂窗等。

2 鉚接工藝

鉚接按板材受熱方式的不同可分為冷鉚接和熱鉚接，通常情況下汽車行業上應用的都是冷鉚接。按照螺釘通過方式，鉚接分為全鉚接、盲鉚和沖鉚。

全鉚為螺釘在錘子等外力作用下通過板材，在板材的另一側被墩實形成墩頭，完成板材連接。

盲鉚（Blindniet）也稱為拉鉚，過程如圖1所示。鉚接前需要對板材鉆孔，此工藝對鉚釘也有特殊要求，拉鉚釘一般為空心鉚釘，中央裝有一只釘梗，釘梗末端為圓形，利用手動或氣動拉鉚槍對鉚釘施加拉力將鉚釘釘梗咬住，梗頭受壓力，迫使材質較軟的拉鉚釘頭向外擴張成凸緣形，從而使材料緊密結合，然后再一次加拉力直到釘梗被拉斷為止，實現板材的鉚接，此種工藝也常用于沖鉚的返修。

全鉚和盲鉚在鉚接前都需要對板材開孔，工藝過程相對復雜，而沖鉚不需要。沖鉚分有鉚釘沖鉚和無鉚釘沖鉚，無鉚釘沖鉚（Clinchen）通常稱為沖連，沖鉚工藝目前逐漸被廣泛地應用于汽車覆蓋件的連接。下面詳細介紹沖鉚工藝及質量控制方式等。

圖1 盲鉚過程示意

3 沖鉚工藝

3.1 有鉚釘沖鉚工藝

有鉚釘沖鉚鉚釘在上下模具的擠壓作用下，鉚釘腿端部在被嵌入板材的過程中向四周翻開形成鉚扣[2]，從而將上板和下板牢固地連接在一起，此工藝目前廣泛應用在汽車行業的門蓋、側圍門檻等區域，以及新興的鋁表面金屬覆蓋件。其過程示意如圖2所示。

圖2 有鉚釘沖鉚過程示意

3.2 無鉚釘沖鉚工藝（Clinchen）

Clinchen沖壓連接技術又稱無鉚釘鉚接（見圖3），是在TOX氣液增力缸式沖壓連接設備上，采用TOX專用連接模具對被連接板件進行冷擠壓，通過板件自身材料的塑性變形，形成TOX連接圓點而實現連接。TOX氣液增力缸在特殊沖壓力的作用下，凸模一側的板材被擠壓到凹模側的板件內，在進一步的擠壓過程中，板件材料塑性流動，形成燕尾狀鑲嵌，即成為一個TOX連接點。

圖3 無鉚釘沖鉚過程

TOX設備分為氣壓傳動和液壓傳動兩種，由于采用氣壓傳動的介質是空氣，能源經濟、損失小，容易實現集中供應，且設備元件簡單、輕便易安裝，所以在汽車行業被廣泛應用，通常采用0.6～1 MPa的壓縮空氣介質，即可轉化為2～2000 kN的沖壓力，設備通過壓力開關設定并控制沖壓力。當沖壓力達到設定值，則壓力開關提供返程信號，控制設備自動返程，完成板材的冷擠壓成型過程。

沖連工藝通常被分為如下幾個階段[3]：

（1）板料準備壓入階段。上下板料中心保證與凸凹模中心對稱。

（2）前期成型階段。包含彈性成形階段和初始拉伸階段。這個階段，隨著凸模的向下壓入，上、下板料受到凸模端面及圓角、凹模內側面和凹模端面的作用，在彈性變形和塑形變形的綜合變形作用下形成上下輪廓。

（3）無鉚釘鉚接的金屬向凹模凹槽流動的填充階段。隨著凸模的繼續下行，擠壓上下板料，形成無鉚釘鉚接接頭。

（4）墩鍛保壓階段。為保證上下板料充分填充環形凹槽并保證鉚接接頭完全定形，模具需要保持一定時間，防止板料回彈的壓力。這個階段很重要，保壓階段控制的好壞直接影響到產品的合格率。

（5）退模階段。

在上述成形過程中被連接金屬流動時，鍍層和漆層也隨之一起流動，所以即使是有鍍層或漆層的板料進行連接后仍能保留其原有的防銹防腐特性。

4 沖鉚工藝的應用

沖鉚工藝之所以迅速被接受并應用到車身制造生產中，尤其是沖連工藝，近年來越來越多的被應用到車身的生產制造中，其優點在于：

（1）沖鉚質量好。點焊雖然是常用的金屬板件連接方法，但它易造成工件變形、損傷工件表面，且焊接處的鋅層由于脫落而嚴重降低了焊點處的耐蝕性。而沖鉚是冷擠壓，沒有破壞鋅層的問題，無微觀損傷，無應力集中，且由于連接點處材料冷作硬化，組織更細密，機械性能得到提高，實驗證明，它的動態疲勞連接強度要好于點焊。

（2）經濟性好。耗能低、設備投資少、連接費用低、不需要加工孔、沖連甚至不需要鉚釘填充物，節省材料。連接費用約為點焊連接費用的40%～70%。

（3）操作環境好。無環境污染、噪聲小，無焊接粉塵、飛濺等。

（4）板材適應范圍廣。隨著汽車輕量化、節能的要求，鋁件已經在國外汽車行業得到了廣泛應用，在國內也陸續應用到一些高端車的車身表面覆蓋件上，但由于鋁件材料性能原因并不適合于點焊，鋁的導熱率和比熱容約為鋼的兩倍多，熱傳導性好，點焊時易產生內部氣孔和表面成型差等缺陷。而沖鉚工藝是冷擠壓變形，不存在此問題。。

目前鋁件的沖鉚工藝已在國外普遍使用，近年來隨著國外車型逐漸引入國內，相應的沖鉚技術也被大規模帶入國內，例如，一汽大眾生產的速騰前后蓋、奧迪A6的翼子板、A4前蓋、Q5前后蓋等覆蓋件區域都應用沖鉚方式，如圖4所示。

圖4 沖連工藝在車身上的應用

5 沖鉚的質量檢驗和控制

沖鉚的檢驗分為非破壞性檢驗和破壞性檢驗。AUDI車型的質量檢驗采用大眾標準VW01087-1/-2、VW01124-1/-2進行，分別為鋁件和鋼件的沖鉚檢驗標準，其中沖連標準適用于板材厚度0.5～5mm，且總厚度不超過6 mm的連接形式，通常情況下是將厚板鉚到薄板上，即把不易變形的零件鉚到易變形的板材上，兩個板厚比例通常要大于0.5[4]。鉚接的質量監控主要分為常規的外觀質量檢驗、破壞性檢驗方式和在線過程監控系統。

5.1 外觀檢測的評判

（1）鉚接點位置、數量、鉚接方向應與圖紙相符。

（2）對于有鉚釘鉚接，在鉚釘頂部的不可見區域，可允許超出母材表面最多0.3 mm，在可見區域可超出的數值由相應的機構負責部門確定。鉚釘頂部最多可以低于母材表面0.15 mm。

（3）鉚釘不允許穿透下部母材，沖連底部母材不允許破裂。

（4）鉚釘頂部必須對稱形成（軸向偏距小于0.4 mm），即鉚釘上部中心與下面母材中心距離。

（5）不允許存在可見裂紋。

沖連通常可以通過檢測底厚tb來進行外觀無損檢驗。沖連工藝在工件材質厚度一定、模具一定的情況下，板件連接強度與所形成的連接點底厚，即控制參數tb之間存在著對應關系。所以在連接過程中，只要嚴格控制沖連點的底厚tb在規定范圍內，即可控制沖連點質量，保證一定的抗剪抗拉強度。通常檢驗底厚tb的工具為百分卡表（見圖5）。

5.2 破壞性檢驗

沖鉚的破壞性檢驗分為常用的金相檢驗、剪切拉伸試驗和斷裂試驗。

5.2.1 剪切拉伸試驗及斷裂試驗[5]

圖5 沖連工藝檢驗工具及參數定義

對于剪切拉伸試驗及斷裂實驗，若為認可實驗要求試樣取樣不少于10個，且對取樣大小有一定的要求，如圖6所示，拉伸試驗或斷裂實驗速度不超過20 mm/min。拉伸強度應大于圖紙要求的最小剪切拉力，最小斷裂力和斷裂力平均值與板材厚度、材料強度及鉚接連接類型等有關，當在圖紙中沒有規定時是最小剪切拉力的25%。

圖6 剪切拉伸試驗幾何尺寸

5.2.2 金相檢驗

金相檢驗過程分為切割、鑲嵌、磨剖、腐蝕四個步驟，如圖7所示。

圖7 TOX金相檢驗操作過程

切樣設備為帶鋸機、手動濕式切割機和精密切割機，為保證后續磨剖件能在中心取樣，通常需要在沖連試樣的2/3位置處進行切割，為后續研磨留出余量，以保證金相檢驗時看到的是沖鉚點樣件的中心。切割是試樣制備中的重要工序，注意優化切割參數，例如：切割片類型、厚度、磨料的濃度、切割工作、潤滑劑等。

鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌兩種，通常使用熱鑲嵌。

拋光分為粗磨、精磨、拋光三個階段。要求使用材料為不同粒度的碳化硅砂紙和研磨料。拋光前分別經過 9 μm、3 μm、1 μm 粒度的研磨、拋光處理，對于沖連工藝，若檢驗進度緊張，需要快速獲得測量結果以監控現場質量，可以在經3 μm粒度研磨拋光液處理后，直接在金相顯微鏡下檢測；但對于激光焊、等離子焊等工藝，焊接試件則要求采用更小顆粒度的拋光液進行。

腐蝕通常采用不同的腐蝕液，鋁件采用氫氧化鈉，鋼件采用5%硝酸酒精溶液。

5.2.3 金相檢驗評定標準

有鉚釘沖鉚通過定義底部浸入深度u和余厚t來評價沖鉚的成型質量（見圖8）。底部浸入深度u為變形后鉚釘管腳末端與下板材料形成鉚合的徑向距離，u越大表明鉚釘與下板材料的結合越牢固，鉚接強度越高；余厚t為下板鉚釘浸入部位的最小厚度，反映了鉚釘穿透下板的危險程度，下板的穿透會造成板件密封性下降，是必須避免的。

圖8 沖鉚檢驗參數示意

沖鉚缺陷評價標準如表1所示，表1中提到的評價標準在任何情況下都必須滿足，否則不合格[6]。

表1 沖鉚缺陷評價標準一

表2涉及的評價標準必須全部滿足，才能得到合格的結果。單個試樣最多有兩個評價標準不滿足，可以得到一個有條件合格的結果。

沖連通過查看內部剖面的嵌入深度f、tn和底厚td來確定板材的連接強度是否滿足要求。通常情況下，當圖紙中沒有明確的數值要求時，沖連點的底厚、嵌入深度等理論值由TOX廠家提供。

表2 沖鉚缺陷評價標準二

5.2.4 Clinchen沖連工藝常見缺陷及產生原因[4]常見缺陷及產生原因如表3所示。

6 沖鉚的返修方式

汽車上常用的點焊、凸焊、激光焊、螺柱焊等焊接方式都可以通過焊點補焊或弧焊的方式進行返修，沖鉚的返修通常采用在原沖鉚點旁補壓一個新沖鉚點的方式進行，或者當位置受限時在零件功能性、表面沒有特殊要求的情況下，將原不合格沖鉚點移除，重新鉆一個圓孔，通過拉鉚的方式進行返修，如圖9所示。當然如果為了操作方便，也可以直接在沖鉚點附近重新鉆孔進行手動拉鉚返修。沖鉚工藝的設備運行穩定性較好，設備參數一旦調試完成，檢驗合格，后期的質量狀態波動是很小的，所以返修量也很少。

表3 沖連常見缺陷及產生原因

圖9 沖鉚返修操作示例

7 沖鉚工藝的發展趨勢

汽車工業作為工業化社會的一個標志，發展一直非常迅速，現在的汽車行業都在向著輕量化、智能化、高性能化方向發展，為了提高燃燒效率、降低汽車燃料消耗率、節省能源，改善環境以及安全、可靠、舒適、美觀等目的，鋁合金材料已經在國外及國內汽車行業逐漸采用，且范圍越來越廣，TOX沖鉚工藝是延展性好的鋁材連接方式的最好選擇。目前在全球范圍內，鋁件沖鉚連接已被廣泛應用于奧迪、奔馳、寶馬等高端車型的前后蓋、車門、翼子板等表面覆蓋件區域，在帕薩特、寶來及廣州本田等車型中也開始逐漸采用，沖鉚以它獨特的冷擠壓變形工藝、成本低、高自動化率、高機械性能等優勢，將在汽車行業中發揮更大的作用。

[1]歲 波，都 東，常保華，等.鋁合金板自沖鉚連接過程的模擬分析[J].材料科學與工藝，2007（5）：713-717.

[2]嚴柯科，何曉聰，邢寶英，等.輕型車身自沖鉚接接頭拉伸剪切試驗的研究[J].機械設計，2009，29（2）：79-82.

[3]陳興茂.無鉚釘鉚接的工藝研究[D].江西：華東交通大學，2008.

[4]PV16072008-10車身Clinch連接接頭評價標準[P].

[5]VW01087，鋁材料的TOX連接標準[P].

[6]VW01124-1，鋁材料鉚接連接的要求和檢驗[P].