FDS技術在鋼鋁混合車身上的應用＊

趙震，闞洪貴，魯后國，張龍，胡廣程

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

近年來，隨著全球能源危機日趨嚴重，節能、安全、環保越來越受到各國的關注，汽車輕量化越來越受到主機廠的重視。隨著高強鋼、鋁合金等輕質材料在車身上的應用比例逐漸增高，流鉆螺釘（FDS）、自沖鉚接等連接新工藝也正在被廣泛應用。本文基于某款新能源車型，介紹了該車型鋁合金減震器塔與鋼制車身的FDS連接設計與應用。

1 工藝介紹

流鉆螺釘（FDS）工藝是一種通過設備中心擰緊軸將電機的高速旋轉傳導至待連接板料摩擦生熱產生塑性形變后，自攻絲并螺接的一種冷成型工藝，簡稱FDS。優點是單面操作、可連接材質種類多、連接強度高、抗震能力好、螺釘可拆卸及工作環境清潔。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，圖1為FDS工藝過程示意圖[1-2]。

圖1 FDS工藝過程示意圖

2 FDS應用實例

2.1 應用部位

本文基于某款新能源車型，該車型減震器塔采用鋁合金材質（AlSi10MnMg-T6），周邊件為高強度鋼，其中鋁合金減振器塔與鋼制前縱梁搭接部位采用FDS連接設計，如下圖2所示。

圖2 FDS應用部位

鋁合金減振器塔與前縱梁的搭接狀態、厚度組合、鋼制件材質如下表1。

表1 鋼鋁搭接組合信息

2.2 FDS連接設計

FDS螺釘有M4、M5和M6三種規格，常用M5*20、M5*22。本文涉及的鋼鋁材料總厚度 7.1 mm，且鋼材為H340LAD高強度鋼，根據經驗選用M5*22螺釘。

圖3 M5＊22型螺釘相關參數

FDS連接設計要點主要有以下幾方面：1）針對 M5*22螺釘，FDS連接總厚度≤9.8mm，否則攻絲螺紋不能全部穿出，無法形成有效的緊固螺紋連接；2）要求有效螺紋數量n≥3，對于M5螺釘（螺紋間距1mm），即有效螺紋長度L≥3mm，有效堆高L1≥1mm，底層板厚度t2≥2mm，如圖3所示；3）上層板可不開孔也可預開孔，如果上層板材料太硬，以致穿透困難可采用預開孔；本文采取預開孔方案，底層板材料TS≤800MPa，EI≥8%；對于 M5螺釘，上層板預開孔尺寸φ7mm，中層板預開孔尺寸φ10mm，底層板無需開孔；4）需預留足夠螺接重合面寬度：M5螺釘≥16mm；5）FDS連接點設計在平面上，操作空間平面直徑≥30mm，以滿足槍頭、夾爪裝置的正常操作；6）涂膠需避開FDS點預開孔，否則會造成孔溢膠，引起設備報錯，無法打釘；7）FDS連接點位置需增加夾緊機構來承受釘槍的壓力（壓力＞3000N）；8）板材邊緣到鉚釘等距離需遵守的尺寸要求如下表2：

表2 FDS連接點布置尺寸要求匯總表

圖4 FDS連接點布置尺寸圖示

2.3 FDS連接點檢測

通過對FDS連接點外觀和剖面尺寸檢測，確認是否連接是否合格，要求如下：1）保證完整性和位置要求；2）螺釘不能斷裂或者破損；3）膠不能溢出；4）邊距ak≥2mm；5）頭部間隙 an≤1mm；6）不能有裂紋；7）剖面有效螺紋數量n≥3。

圖5 FDS連接點外觀及剖面要求

2.4 FDS連接拉伸剪切測試

本階段采用鋁合金減振器塔與高強鋼真實取樣的組合試片進行拉伸剪切試驗，同時匹配不同結構膠，測試FDS連接點的力學性能，測試結果拉伸力≥18KN，相關測試結果如下圖6、表3所示。

圖6 拉伸剪切圖示

表3 拉伸剪切測試表

試驗結果分析：1）1、2組兩次出現鋁試樣斷裂，分析是由于鋁試樣存在鑄造缺陷導致；2）4組出現脫膠，對比5組結果，分析是烘烤溫度低及冷卻時間不夠導致；3）對比1、3組，拉伸力小4.1KN，分析1840C結構膠在冷卻時間4h前提下獲得更好的連接強度；4）對比2、5組，拉伸力小3.7KN，分析2098G結構膠高溫烘烤時間不宜過長，180度烘烤5min能獲得更好的連接強度。

2.5 裝車驗證

本階段按照前期的 FDS連接設計方案進行實物裝車驗證，利用專業FDS設備完成白車身驗證，順利驗證FDS連接設計方案的工藝可行性。

圖7 裝車驗證圖示

3 結語

FDS流鉆螺釘技術可以實現鋼板、鋁合金等不同材料的連接，連接強度高，氣密性水密性好，工作環境清潔環保，優點突出，但受制于成本等因素制約，目前FDS主要是在合資車身上應用比較廣泛，自主品牌應用比較少[3-4]。相信隨著新能源汽車行業的發展，技術與成本的不斷優化，FDS連接工藝在鋼鋁與復合材料混合應用的輕量化車身結構中將有著廣泛的應用前景。