汽車異種材料鉚接技術探討

陳嘉樂

摘 要：無鉚釘鉚接技術是汽車異種材料連接的重要技術，論文主要對無鉚釘鉚接新型沖壓變形連接工藝成形機理進行分析，然后對接頭的分類、質量評價指標進行了詳細的介紹;最后對接頭質量的工藝參數進行總結，為異種材料鉚接技術應用提供有意義的參考。

關鍵詞：無鉚釘鉚接;異質材料;成形過程;工藝參數

中圖分類號：TG938 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0061-02

0引言

隨時現代社會的快速發展，汽車的保有量增加，節省資源，解決交通阻塞，防止污染是汽車行業發展的趨勢。汽車正向輕量級，潔能，高工藝方向轉化。在整車的輕量化改進過程中，應用最廣的是采用高強鋼、鋁合金等輕質合金或異種材料混用，既能增強安全性，增大汽車空間及車身強度，又能達到輕量化改善的目的，提高燃油使用經濟性。但存在的問題是，當多種異種材料混用時，由于不同的熔點、物理強度、化學性質，使一般的連接技術受限，需要一種可塑性較強，且對材質的物理和化學性質沒有特定要求的連接方法。

無鉚釘鉚接技術作為一種“綠色”連接工藝應用于汽車，不增加額外器材、沖孔或熱處理，利用板件的彈塑性變形特性，僅通過凸凹槽對板件加壓，使局部位置變形而達到自鎖作用，使板材發生彈塑性變形，而達到可靠連接的技術[1]。如汽車身表面覆蓋件的連接：引擎蓋板，行李箱蓋，前后左右車門，翼子板等;以及車身部分零部件的連接：天窗，雨刮器，座椅擋板，車窗搖桿機構等使用無鉚釘鉚接技術。

1無鉚釘鉚接技術的成形機理

無鉚釘鉚接技術是一種沒有熱輸入的機械冷加工方式，不需要預留孔和附加零件且能耗低，主要利用沖壓模具，對兩層或三層金屬薄板進行沖壓連接，在接頭成形中，涉及到多重材料的非線性特性，其主要的影響因素是金屬材料的塑性。無鉚釘鉚接的成形過程可分為五部分[2]：

（1）連接件定位階段：在進行鉚接之前，固定連接物件的位置，保證凸、凹模的中心線與鉚接點的中心在一條線上，防止板件翹曲、折疊。

（2）塑性變形階段：上層與下層板料在壓力的作用下塑性變形，變形后的材料向凹模內流動，使金屬材料發生塑性拉伸，金屬晶格產生錯位，形成金屬硬化現象。

（3）鉚接成形階段：塑性變形之后，上下板件的金屬材料在壓力作用下向凹模繼續流動，在凹模和凸模的共同作用下，上下板料逐漸形成鉚接“S”形自鎖結構。

（4）墩鍛定型階段：由于材料塑性變形在短時間內形成，為了防止回彈，則凸模需要定型停留一段時間，確保壓力恒定，使材料墩鍛定型。

（5）撤模階段：保壓定型結束后，需要取出鉚接件，將凸模移除，此時完成整個連接過程。

2無鉚釘鉚接的分類

根據接頭形狀的不同，將無鉚釘鉚接分為兩種類型：圓形接頭式和方形接頭式。圓形接頭式又可分為直壁整體式、凸凹模分離式和平板式。直壁整體式是凹模為整體，其內壁與底面可垂直，或有較小坡度，這種結構方便脫模，同時利于板件防止其由于大變形而斷裂。凹模分離式是凹模由幾部分組成內，內壁凹模的開口處的半徑比凹模底部的半徑更大，形成的斜度與拔模斜度相反，造成板件的接頭內嵌更加穩固，但使模具制作成本增加;平板式是凹模的下模為一平板，成本低但承受強度小。方形接頭式是接頭形狀為方形，在拉伸或剪切時，比圓形接頭承受力強。但成型時，由于受力不均勻，易便板件受破壞，對于模具的精度要求高，因此應用上沒有圓形接頭方式廣泛。

3鉚接接頭的評價指標

質量評價對鉚接可靠性、應用性具有決定意義。在過大載荷下，鉚接接頭存在三種失效形式：拉伸失效（拉斷和拉脫）、剪切失效和疲勞失效[3]。所以對其質量的評價分為直觀評價和間接評價。可通過對接頭整體外觀、尺寸、強度、金相組織結構等進行判定。從評價性能分類上主要通過視覺目測評價法、特征尺寸測量法、靜、動態實驗法、疲勞力學法、微觀結構評價法及其它方法。

3.1視覺目測評價法

良好的鉚接接頭，其外觀和尺寸滿足如下初步條件：

第一，鉚接接頭外形與凹模相似，接頭截面稱軸對稱形，而且向下帶有圓環突起，易于上下板材發生互相嵌合而形成自鎖。

第二，無鉚釘鉚接接頭的上下板料均不能有裂紋，否則會影響抗剪切能力和抗拉能力。

第三，上下層板料應保持完整，無沖孔現象。

不合格的鉚接類型較多，有側傾型、穿透型、崩裂型等形式。

3.2特征尺寸測量法

主要通過測量幾何參數，如厚度、高度、嵌入量等來判斷性能。觀察截面的形狀、測量底部、頸部厚度值，接頭的特征尺寸。如底厚值、頸厚值和嵌入量，這三者同時決定正拉強度和剪切強度。而且頸厚值決定接頭的剪切強度，嵌入量決定接頭的剝離強度。一定范圍內，頸厚值增大時會增加靜態剪切強度，相應的嵌入量會相應減小，進而降低剝離強度。

3.3靜態實驗判定法

通過靜態拉伸試驗測量最大失效載荷，失效能量，失效形式，抗剪強度等性能指標。各企業進行拉伸試驗和剪切試驗確定接頭的抗拉和抗剪性能，這決定著車輛的安全性能，只有抗拉和抗剪強度都達到相關的標準時，才可達標，方可在汽車上使用。異種材料無鉚鉚接技術時，可增大板材連接強度，將強度高的作為下層板材，增大鉚接的靜強度和剛度。

3.4動態實驗判定法

通過對無鉚鉚接動態力學性能測試，研究在搭建異質材料T形連接、十字形或U形連接時的力學特性，對比靜態實驗性能參數，研究強度等參數變化趨勢、沖擊速度、失效位移等。

3.5疲勞力學實驗法

通過測試在疲勞狀態下的力學特性，如靜態拉伸，疲勞振動，疲勞失效形式等評估性能工藝參數，對板材厚度、強度、無鉚鉚釘直徑研究在不同疲勞負荷下的失效周期、最優特性等。

3.6微觀結構評價法

通過接頭切面在顯微鏡下的形態，大小，分布等金相組織結構判斷鉚接接頭的質量，觀察金相組織結構可查找接頭質量問題和原因。

3.7其它評定方法

其它評定方法，例如基于力-位移曲線的在線評定方法，通過在線監測力與位移曲線的特征值、特征公差，分析部分參數，如板件間隙、鉚接力、或凹模尺寸參數等，實時判定并輸出不合格接口類型。

4影響接頭質量的工藝參數

從工藝參數上，影響無鉚釘鉚接質量參數可分為三類：模具參數，板件材料和鉚槍控制[4]。

模具參數是決定鉚接接頭質量好壞的決定性因素。模具參數主要有點徑D（凹模直徑），凹模深度H，凹模圓角半徑尺R，凸模直徑d和凸模圓角半徑r。在點徑D確定的情況下，改變凸模直徑d，凸凹模的間隙X也會隨之改變，即

X=D-d? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當凸凹模之間的間隙X過小，會導致接頭頸部厚度太小或沖斷，而間隙值X過大，也會使接頭嵌入量過小，導致鉚接失敗，因此需合理選擇凸模直徑以得到最好接頭質量。

對于沖壓行程S，由上板厚度dl，下板厚度d2，凹模深度H和接頭底厚C決定，見公式2。

S=dl+d2+H-C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

凹模深度H對接頭質量的影響也很大，H過大，容易造成頸厚值較小或沖斷，H過小則易使上、下板的材料流動，從而嵌合失敗。凹模和凸模圓角半徑也會影響鉚接過程中材料的流動，進而影響接頭的質量。

上下板材的力學性能、材料塑性越好的材料形成的鉚接接頭質量越好，但塑性增大時，接頭強度就會有所下降。其他條件不變時，點徑越大則接頭的抗拉抗剪強度也越大，但實際應用中點徑還受其他條件制約，如板厚、外觀工藝以及經濟成本等。

5總結

無鉚釘鉚接在異種材料連接上具有獨特優勢，避免因熔點、密度等物理、化學性質不同，而產生的連接性能局限。而且操作用效率高，故障率低，便于大規模生產。但也存在一定的局限性，如對材料的塑性要求要高，材料不宜過厚，連接強度不如焊接接頭強度高，所以有時需要增加鉚接點的個數以提高強度。

參考文獻

[1] 高玉嬌.汽車車身異質材料無鉚釘連接工藝及接頭性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2019.

[2] 周璐瑤.基于耐撞性無鉚釘鉚接接頭建模方法研究[D].吉林：吉林大學，2014.

[3] 沈永飛，何冠中，樓銘，等.鋁合金與靜音鋼異種材料匹配無鉚釘鉚接成形特性[J].機械設計與研究，2018，34（1）：103-106.

[4] 張文城.沖壓連接的成形過程及其結合強度的分析[D].重慶：重慶大學，2012.