熱熔自攻螺紋連接技術及應用

隨著技術的發展，汽車車身輕量化逐步興起，其目的是在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續優化車型，達到白車身“瘦身”。

白車身輕量化最主要的表現是鋁材的大量使用，尤其是壓鑄鋁和擠壓鋁在功能、結構上的高度集成，但隨之產生的問題是鋁材之間的連接困難。車身新材料的應用導致傳統的連接方式面臨挑戰，為了滿足異種材料之間的連接、高度集成的腔體類材料的連接，熱熔自攻螺紋連接技術應勢而生。

在汽車行業，越來越多的汽車公司開始應用鋼鋁混合車身掛架結構，使用鋁型材、鋁沖壓件、鋁壓鑄件以及碳纖維等工程塑料和復合材料類部件，結合各種超高強度鋼板，替代傳統鋼板構件或組件，實現車身框架的輕量化和高強度。

鋁材連接的主要方式有傳統的機械緊固、自沖鉚接SPR和電阻點焊。SPR是一種穩健的工藝，但由于需要很多的鉚釘-鉚模組合，生產費用高，且管理容易出現混亂；鋁點焊技術因技術瓶頸導致無法推廣，且不能連接異種材料。熱熔自攻螺紋連接技術的產生，能滿足異種材料之間得連接，且釘的種類少、管理方便，同時非常適用于腔體類零部件的連接，連接強度高。本文根據其特性，結合實踐經驗進行熱熔自攻螺紋連接技術淺談。

熱融自攻螺紋連接技術介紹

1.熱融自攻螺紋連接技術原理

FDS工藝通過螺釘的高速旋轉軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，最終在板材與螺釘之間形成螺紋連接，而中心孔處的母材則被擠出并在下層板的底部形成一個環狀的流體套管。FDS連接工藝過程包括六個階段：旋轉（加熱） $$ 穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固（見圖1）。

（1）加熱流鉆螺釘低速、低壓與板件表面接觸。（2）穿透板件在流鉆螺釘的高轉速高壓力作用下產生塑性變形。（3）通孔流鉆螺釘在板件上鉆出柱型通孔（Weber稱為“流Flow”中期）。（4）攻螺紋板件被流鉆螺釘鉆破，轉速及壓力降低，使流鉆螺釘可以在孔內自攻螺紋（Weber稱為“流Flow”后期）。（5）擰螺紋正常螺釘擰緊過程。（6）緊固板件冷卻并與流鉆螺釘緊密貼合，形成一個氣密性和水密性極高的連接。

熱熔自攻螺紋連接技術優缺點

熱熔自攻螺紋連接工藝優點：

1）單面連接工藝。2）可以連接異種材質。3）因大的螺紋接觸面而產生大的旋轉扭矩。4）動態承載性好。5）攻螺紋的螺紋可以重復旋緊。熱熔自攻螺紋連接工藝缺點：1）連接點處需要高的剛性支撐。2）設備系統成本遠高于電阻點焊。3）工藝完成后鉚釘正面有較大凸起，背面有釘體透出。

4）需要預留較大的進槍空間。

熱融自攻螺紋連接工藝要求、選型及應用

1.FDS工藝組成

FDS連接工藝主要依靠以下幾個部分實現連接功能，保證連接強度：

1）FDS設備：流鉆槍及其附帶系統（見圖2）。

2）FDS釘：鉚釘的規格型號。

3）設備參數。

根據設備品牌的區分，目前市場上最常用的設備廠家為WEBEI（巍博）和DEPRAG（德派）。二者的最大區別是流鉆槍本體尺寸的區別，其送釘系統均為氣動式。

目前FDS釘主要有兩個品牌，分別是ARNOLD和EJOT，均是M5，長度分別為 ，二者的區別在于釘體前部設計不同。但對于FDS的返修釘，只有ARNOLD一家獨有，是一種 M6×20mm 的FDS釘。

2.FDS連接工藝的設計要求

FDS工藝在連接時，會分成兩種情況，一種是板材沒有預開孔，另一種是上層板或者上層板和中層板進行預開孔，如圖3所示。

（1）頂層沒有預制孔底層孔僅為鋁型材時，頂層為薄件，底層為厚件，并且FDS方向由薄到厚。總體板厚（頂層厚度 t₁+ 底層厚度 ：t₂ ），最小厚度 3.3mm 最大厚度 _6.0mm （見圖4）。兩層板連接時，總體厚度≤6mm的情況下僅能選用頭部切削FDS釘。

板材厚度：

1）頂層厚度： t₁?1.8mm 或 t₁?2.0mm 。頂層 如果是鋁板， t₁?2.0mm ，如果是壓鑄或者擠壓， t₁?1.8mm 0

2）底層厚度： 2.0mm?t₂?4.0mm 頂層與底層材料的最大抗拉強度 Rm

1）（上）鋁進（下）鋁： R_m?500MPa ，取決于板材厚度。

2） （上）鋼進（下）鋁： t₁R_m?560MPa

以上僅適合兩層孔，三層孔需要在頂層開預制孔，鋁板與鋼板之間必須增加膠，以預防電化學腐蝕。

（2）頂部有預制孔 t₁?3.0mm ， 1.5mm?t₂? 4.0mm ；最大厚度為 7mm （見圖5）。

（3）三層板連接頭部削切或者不削切的FDS釘都能滿足要求。三層板總厚度 ?7mm ：頂層如果是鋁板， t₁?2mm ，如果是壓鑄或者擠壓， t₁?1.8mm 1.5mm?t₂?4.0mm .

（4）預制孔尺寸對于兩層板，上板預制孔尺寸為 7mm ；對于三層板，上板預制孔徑為 7mm ，如果中板需要開過孔，過孔尺寸為 10mm （見圖7）。

結論

在輕量化車身逐步替代傳統車身的潮流下，熱熔自攻螺紋連接技術會愈漸成熟，也會更廣泛地應用，替代傳統連接工藝在輕量化車身的連接地位。除此之外，隨著新型材料的發展，新的連接技術也會隨著科技的進步而出現在各行各業，需要投入更多的精力去學習、掌握。

參考文獻：

[1]鮑立，王鏑，張馳.FDS連接工藝在車身輕量化中的應用研究[J].汽車與配件，2018（2）：66-69.

[2]王云慶.汽車車身輕量化用鎖鉚連接工藝及設備[J]汽車工藝與材料，2012（1）：22-26.AUT01950