多材料車身機械點連接技術(shù)的應用

段吉超　楊冰　張乙琳　秦興國

摘 要：車身輕量化是降低原油消耗與尾氣排放的必要措施，而輕量化新材料的使用對多材料車身零部件間的連接提出了新的挑戰(zhàn)。在這種趨勢下，新的車身連接技術(shù)不斷被開發(fā)出來并投入量產(chǎn)應用。常用的白車身零部件連接方式包括點連接、線連接和一般緊固件連接幾類。本文介紹了幾種典型的多材料車身機械點連接技術(shù)，分析了其原理、優(yōu)缺點、應用和開發(fā)進展，并對其選擇和應用策略進行了淺析，為多材料車身輕量化設計提供連接方法上的新參考。

關(guān)鍵詞：多材料；新工藝；輕量化；機械點連接

中圖分類號：TG938 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0075-07

Abstract： Lightweight of automobile body is a necessary measure to reduce oil consumption and exhaust emission. The use of new lightweight materials put forward new challenges for joining of multi-material body parts. In this trend， new body joining technologies have been developed and put into mass production applications. Common BIW parts joining technologies include spot joining， seam joining and general fastener joining. In this paper， several typical spot joining technologies of multi-material body are introduced. Their principles， advantages and disadvantages， application and development progress are analyzed. How to choose them and their application strategies have also been analyzed. New reference on the joining methods for multi-material body lightweight design are thus provided.

Key Words： Multi-material； New technologies； Lightweight； Mechanical spot joining

1 車身輕量化方法及對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)

車身輕量化是在保證車身剛度、模態(tài)、NVH等性能要求的前提下，在合適的位置使用合適的材料、工藝和結(jié)構(gòu)，以達到盡可能減輕車身重量的目的。鋁合金、碳纖維等輕量化材料的應用使得多材料混合車身成為主流趨勢，由于傳統(tǒng)點焊、弧焊以及預開孔緊固件的局限性，車身零件的遇到了新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)白車身以鋼為主要材質(zhì)，而電阻點焊因其高效率、低成本、易于自動化等優(yōu)點在轎車生產(chǎn)中占主導地位，典型鋼制車身80%以上裝配量由點焊完成[1]。

隨著輕量化材料的應用，異種材料在傳統(tǒng)焊接時由于電阻、導熱系數(shù)不同易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，還會出現(xiàn)電化學腐蝕等問題，因此有必要開發(fā)新的連接技術(shù)。從連接形式來分，連接方法可分為點連接、線連接和一般緊固件連接，其中點連接的應用最為廣泛，本文介紹幾種典型的新型點連接技術(shù)，并分析其選取和應用策略。

2 無鉚連接與自刺穿鉚接技術(shù)

機械點連接技術(shù)中目前應用較廣泛的是無鉚連接（Clinching）和自刺穿鉚接（Self-piercing rivet， SPR）。這兩種技術(shù)起源較早，設備與工藝成熟穩(wěn)定，經(jīng)濟性與材料適應性較強，適合大批量生產(chǎn)，已在國內(nèi)外車型上廣泛應用。

2.1 Clinching

無鉚連接又稱為沖壓鉚接，在一個氣液增力的沖壓過程中，依據(jù)板材的擠壓塑性變形而使兩個板件在擠壓處形成一個互相鑲嵌的連接點而連接起來，具體過程如圖1[2]，分為板料預備、壓入成形、板材塑性成形、接頭保壓、退模等階段。

無鉚連接工藝靈活性強、不消耗鉚釘、經(jīng)濟環(huán)保、動態(tài)疲勞強度高于點焊、不損傷表面鍍層或漆層、耐腐蝕、應用范圍廣，但通常由于表面凸點明顯而不適用于乘客可見區(qū)域[3]。當然，現(xiàn)在也有一些低凸起和平點的無鉚技術(shù)可避免該問題。該技術(shù)屬于雙側(cè)連接，連接過程可自動監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理和存儲，可簡便無損傷地對連接點進行質(zhì)量檢測，已在國外大量應用，國內(nèi)SGM、SVW、DPCA等公司已經(jīng)在經(jīng)濟型乘用車上廣泛采用該技術(shù)。由于靜態(tài)強度較低，通常用于汽車上的覆蓋件等非承載部位，如圖2所示：

在工業(yè)應用中，無鉚可應用于厚度為0.1mm的單個板件到總厚度12mm的多層板件組合，可實現(xiàn)高達800N/mm2的抗拉強度[4]。接頭質(zhì)量由很多因素決定，它取決于連接方法、設備、所使用的工裝和特定的連接參數(shù)，特別是待連接零件的數(shù)量、材料強度、厚度與表面條件、接頭幾何形狀、可接觸性、連接方向等。

對于無鉚連接，接頭強度和鉚接接頭的幾何形狀間存在因果關(guān)系。因此可以通過視覺評價以及幾何參數(shù)測量來初步判斷連接質(zhì)量。對于普通圓點無鉚連接，視覺上要求連接點剖面兩側(cè)對稱，無鉚穿、開裂等缺陷；連接強度主要由嵌入量和頸部厚度兩項幾何參數(shù)共同決定。。較大的嵌入量可以提升正向拉伸強度，而較厚的頸部厚度可以保證剪切方向不易拉破，而這與實際振動、碰撞工況下的要求是相對應的。圖3（a）是無鉚接頭剖面的幾何示意圖，圖中tn、ts、X分別代表頸部厚度、嵌入量和底部厚度。這些值受工裝尺寸，如沖頭直徑、模腔的深度、直徑以及上模的位移限值設置等影響。由于實際生產(chǎn)時tn、ts不容易測量，因此一般通過測量接頭底部厚度X與凸點外徑監(jiān)測連接質(zhì)量，如圖3（b）。通常tn、ts和X值越大，連接強度越高。對于越厚的板材，為提高連接強度，需要更大的外徑。endprint

2.2 SPR和SSR技術(shù)

SPR（Self-piercing rivet）也稱為鎖鉚連接，其原理如圖4[5]，板料重疊放置，設備定位后加載使板料壓緊，接著鉚釘在沖頭作用下刺穿上層并刺入下層板料，鉚釘隨下層板料流入凹模后腿部向外伸展，最終翻開鎖緊，使鉚釘與上下板形成牢固的互鎖接頭。

SPR為雙側(cè)連接，對于裸板、鍍層板都適用，可進行兩層及以上的材料連接，不需預沖孔，工藝穩(wěn)定環(huán)保，生產(chǎn)效率高。與無鉚連接相比，其靜態(tài)強度更高，可用于車身承載部位的連接。而與電阻點焊相比，其動態(tài)疲勞強度更好，不破壞材料表面鍍層，不會產(chǎn)生界面硬脆相等焊接問題。該技術(shù)對材料適用范圍廣，對于深沖鋼板，抗拉強度可達到500N/mm2，而對于高強度鋼板，抗拉強度可達到1000 N/mm2。目前該技術(shù)已應用在奧迪Q7、馬自達MX5等眾多車型上。

SPR工藝材料組合的連接方向是從較薄的材料到較厚的材料、從較硬的材料到較軟的材料，這是由鉚釘不能刺破底層材料和上下層材料塑性變形形成牢固互鎖的要求決定的。此外，鉚接過程中還要避免圖5（a）封閉型材、（b）垂直翼緣、（c）C形鉗無下移空間而直接橫向移除、（d）鉚接點模具空間不夠等幾類狀況。

2015年ECB會議上奧迪公司展示了Q7車型上應用的SSR（special semitubular riveting）技術(shù)，這是一種特別的SPR技術(shù)。如圖6[6]，該技術(shù)具有與普通SPR相似的成本效率（鉚釘、送釘系統(tǒng)、限制條件），可實現(xiàn)熱成型鋼、鋁板、鋁鑄件的三層連接，是少有的幾種可實現(xiàn)熱成型板與鋁板連接的技術(shù)之一，可與結(jié)構(gòu)膠配合使用，最大允許單層鋼板厚度1.6mm。連接工藝中熱成型鋼放在中間層，不需要預沖孔，鉚釘刺穿并流動擴展后，上層板料流入鉚釘半空心環(huán)槽內(nèi)，中間層熱成型鋼則斷裂沉積在鉚釘腳部，鉚釘不刺穿底層材料。該技術(shù)的缺陷是底部凸起可達2.5mm，同時C型鉗的重量明顯增加，對設備提出新的要求。為緩解C型鉗重量增加帶來的操作不便，可采用優(yōu)化減重設計的新型C型鉗，如圖7（b）所示。

3 新型的機械點連接技術(shù)

3.1 FDS?技術(shù)

EJOT公司開發(fā)的流鉆螺絲技術(shù)（Flow drilling screw， FDS）作為單點冷連接技術(shù)，其原理如圖8[7]，通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)接觸并軟化板材，在軸向載荷作用下，螺絲擠壓并旋入待連接的板材，在板料與螺釘間形成緊密的螺紋連接，而中心孔處的母材因此被擠出，在下層板的底部形成環(huán)狀包圍，從而形成牢固的接頭。

圖9（a）為FDS?螺釘選擇的主要參數(shù)，S1和S2為上下板厚，b為螺紋有效長度，L為螺絲名義長度。9（b）、9（c）分別為不需要預沖孔的標準型螺絲和需要預沖孔的PKS型螺絲。螺紋有效長度是基于上下板厚來確定的，確定了螺絲的外徑和螺紋有效長度，便可以查詢到該公司已開發(fā)螺絲的名義長度。對于標準型和PKS型螺絲，其b與S1和S2的關(guān)系是不同的，標準型的b值會長出一個S2值。

FDS?屬于單邊連接，一般不需要預制孔，可應用于普通雙側(cè)連接不便操作的封閉或半封閉型腔處的連接，使用方便，疲勞性能優(yōu)于點焊。該技術(shù)可用于強度最高達700Mpa的板材、型材的連接。由于螺絲會刺破底層金屬，也存在裝配干涉與抗腐蝕能力等方面的問題，需要配合適當?shù)姆栏に噷崿F(xiàn)更好的連接效果。而且操作時沖擊力較大，需要有高強度的剛性支撐。當鉚接的上層材料強度過高時，由于難以穿透，因此需要預制孔。目前該技術(shù)已應用于奧迪的多款車型以及寶馬7系[8]等車型，圖10為其應用案例。

3.2 RIVTAC?技術(shù)

RIVTAC?技術(shù)是博爾豪夫公司開發(fā)的一種創(chuàng)新的連接工藝，它屬于高速螺釘連接（High-speed bolt joining）。由Bollhoff與戴姆勒公司一起開發(fā)并用于奔馳C級的沖釘技術(shù)也稱為ImpAcT（Impulse Accelerated Tacking）。該工藝簡單快速，不需要預沖孔，帶有倒刺的鉚釘在壓縮空氣作用下可加速到20-40m/s，鉚接時間與周期非常短，同F(xiàn)DS工藝一樣需要高強度的支撐，適合單側(cè)進入的中厚板連接。圖11為該工藝的工序圖，主要包括定位、刺入、穿透、鉚緊4個步驟。

如圖12，與連接方向相同的材料流動形成一個錐狀突起環(huán)抱在釘體前端，而與連接方向相反的材料則會聚集在釘帽下端的環(huán)形空槽內(nèi)，這就避免了切屑的不良影響，同時具有較高的鉚接強度。鉚釘?shù)倪M入速度可以通過可調(diào)的壓力進行控制以適應不同的材料類型與厚度。為保證待鉚接材料能夠承受下壓沖擊力而不發(fā)生不良變形，一個先決條件就是待連接件具有足夠剛度。該工藝的缺點是連接時沖擊噪聲較大，而且需要較強的剛性支撐。連接方向為從較薄的材料到較厚的材料，從較軟的材料到較硬的材料。該工藝的接頭質(zhì)量同樣可通過目視或斷面觀察來判斷，另一種質(zhì)量控制辦法是在線全程監(jiān)控。

3.3 Automatic Blind Riveting

抽芯鉚釘（Blind Riveting）技術(shù)是一類單面鉚接用的鉚釘，須使用專用工具（即拉鉚槍）進行鉚接。鉚接時芯軸由專用鉚槍拉動，使釘體膨脹，從而起到鉚接作用。傳統(tǒng)的抽芯鉚釘連接前需要預制孔，工序較多不利于大批量生產(chǎn)。

Gao等人[9]最先進行了FSBR相關(guān)研究，如圖13、14[10]，F(xiàn)SBR（Friction stir blind riveting）技術(shù)是一種利用攪拌摩擦熱效應與鉚釘物理膨脹相結(jié)合的工藝，在此過程中，鉚釘高速旋轉(zhuǎn)并垂直刺破待連接的材料表面，被移除的材料會填充到鉚釘頭部空心部分，而在釘頭穿透材料后留下一個比釘頭直徑稍大的孔洞，然后鉚釘剩下的部分以一定的速度被送至目標位置（例如當釘帽接觸工件表面時）。之后，芯軸被拉回到一個點，這個點就是預設缺口破裂的位置。在此過程中，釘體擴張，工件借此鎖緊，形成一個緊密的連接點。相對于FDS工藝依靠部分螺紋連接，F(xiàn)SBR依靠釘體膨脹鎖緊帶來更大的正拉強度。但是由于巨大的穿透力，F(xiàn)SBR仍然需要在工件背面有一個剛性的穩(wěn)固支撐。endprint

相對于傳統(tǒng)抽芯鉚釘，F(xiàn)SBR工藝不需要預沖孔，適合于封閉型腔處的連接。澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織[11]、美國夏威夷大學[12， 13]以及蘭州理工大學[14]等對鋁合金、鎂合金、高強鋼以及復合材料的FSBR工藝開展了大量研究，驗證了該工藝的可行性。然而，F(xiàn)SBR工藝過程十分復雜，包括鉚釘?shù)男D(zhuǎn)、進給、回抽以及芯軸移除等過程，目前的研究都是通過數(shù)控機床實現(xiàn)鉚釘?shù)男D(zhuǎn)與進給，并手動完成回抽與芯軸移除。如何實現(xiàn)FSBR工藝的自動化并保證其運行的可靠性與穩(wěn)定性是亟待解決的問題[15]。

Min等人[16] 研究了一種新的自動抽芯鉚釘技術(shù)，如圖15，該技術(shù)基于FSBR的鉚釘作了3處改進：第1處改變是彎曲的芯軸端部被切開，新的端部更鋒利，其內(nèi)部坡度與垂直的芯軸壁呈θ角；第2處改變是在鉚釘端頭的圓周方向互呈90度存在4個窄縫，每個縫隙寬2a高h；第3處改變是釘桿從原始直徑d1減小到略小于芯軸頭部直徑d2。前兩處改變是為了減小穿透力，第三個改變?yōu)楸苊庠卺敆U穿透芯軸尖端在工件上留下的孔時產(chǎn)生更大的穿透力，因此釘桿直徑不能比芯軸頭部直徑大。由于FSBR方法依賴鉚釘端部對工件的切破作用，通過鉚釘端部的合理設計，穿透力可以明顯降低，以此保證理想的單側(cè)連接。這種新的鉚接工藝是對FSBR的進一步發(fā)展，該工藝中通過鉚釘端部和工件之間的摩擦對工件局部進行加熱，摩擦熱使得穿透力明顯降低，而且新技術(shù)比傳統(tǒng)FSBR接頭剪切強度更高。

4 機械點連接方法的比較與策略淺析

本文介紹的幾種多材料機械點連接技術(shù)各具特點，具有相似又不同的適用性，可進行同種及異種材料的有效連接，將其歸納、比較和分析，如表1所示。

綜上，機械點連接是不同于熱連接的另一種技術(shù)路線，設備種類型號多，投入可根據(jù)零件設計、位置、成本等靈活選擇。采用合適的機械點連接技術(shù)，可以有效避免界面硬脆相、焊接變形與應力集中、電偶腐蝕、涂層破壞等焊接問題。

SPR和Clinching已經(jīng)在國外車企廣泛應用，并在國內(nèi)部分合資品牌應用。SPR可在部分結(jié)構(gòu)件位置替代點焊，尤其是采用鋁合金鑄件替代傳統(tǒng)沖焊件的減震器支座、后橋橫梁等位置，鋼鋁異種金屬的連接適合采用SPR配合結(jié)構(gòu)膠復合連接。而隨著鋁合金板在機罩蓋等位置的大量應用，需要采用Clinching進行連接。國產(chǎn)車型逐步采用鋁合金零件，更為SPR和無鉚提供了用武之地。

抗拉強度低于700MPa和延伸率大于8%的鋼板可通過無鉚、無鉚與膠復合、鎖鉚工藝連接，并達到不錯的承載能力。但是隨著材料強度的提高和延伸率的下降，實現(xiàn)可接受的頸部厚度和互鎖尺寸越來越困難。由于熱成型零件與鋁鑄件未大量商業(yè)化接觸應用，SSR技術(shù)目前尚未有較多的研究報道，該技術(shù)可用于解決熱成型鋼和鋁合金的多層連接問題。而FDS適用于門檻、中通道等雙側(cè)連接不便進行的型腔處的連接，國內(nèi)個別車企已經(jīng)在做應用研究。RIVTAC和自動抽芯鉚釘技術(shù)目前應用案例不多，自動化程度和設計干涉要慎重考慮。機械點連接技術(shù)通常需要配合結(jié)構(gòu)膠使用，可以顯著提高接頭抗剪切載荷和防腐蝕能力，但是在正拉方向上并未有所加強，因此如何選用要與實際工況相匹配。

如何選擇以上技術(shù)方案及實施目標是一個復雜的工程，需要各企業(yè)根據(jù)自身的成本策略、材料與工藝應用等技術(shù)路線合理取舍和配合應用，才能有助于輕量化和NVH等技術(shù)的進步。

5 結(jié)論

（1）車身輕量化可從材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面展開工作，混合材料的應用使得多材料車身成為輕量化主流趨勢；

（2）材料的多樣化使異種材料及輕質(zhì)材料自身的連接遇到新的挑戰(zhàn)，機械點連接技術(shù)是替代傳統(tǒng)電阻焊解決多材料連接的有效方案；

（3）如何取舍和組合應用新型機械點連接技術(shù)需要企業(yè)根據(jù)自身成本策略、技術(shù)路線等因素綜合考慮。

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