自沖鉚接技術及關鍵工藝參數設計要點

史寶良 姜發同 喬蒙 李振興 郭秋彥

摘要：自沖鉚接技術已成為鋼鋁混合和全鋁車身開發應用中主流連接工藝，系統全面分析了自沖鉚接過程、技術特點，并給出自沖鉚工藝設計原則，同時重點從鉚釘、鉚模、板材組合、鉚接力和鉚接速度五方面詳細給出其工藝設計要點，以期更好的指導和開展鉚接工藝參數設計。

關鍵詞：自沖鉚；SPR；工藝

隨著國內節能與新能源汽車的發展，新能源乘用車銷量持續高增長，2022年新能源乘用車國內零售達567.4萬輛，滲透率顯著加速。新能源整車由于“三電”系統增重較大，質量通常高于傳統燃油車。同時新能源車對于續駛里程的訴求更為敏感，因此輕量化需求更為強烈，超高強鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復合材料等輕量化材料在新能源汽車車身設計中的應用逐漸增加，其中鋁合金作為當下性價比較優的輕量化材料，單車用鋁合金量在不斷攀升。

整車中鋁合金以冷沖壓、擠壓和壓鑄為主，同時也存在一定的熱成形零件和鍛件，其中鋁合金沖壓件和壓鑄結構件涉及的點連接類型主要為雙面可達的連接方式。一方面，鋁合金具有熱導率和電導率高，易生成氧化膜等特點，傳統鋁點焊能耗較大，焊接過程中銅電極易與表面接觸的鋁合金產生合金化反應，導致電極的修模次數高、壽命短。此外，焊接質量對鋁合金表面處理質量非常敏感，連接質量易受影響，可靠性相對較差；另一方面，鋁和鋼的熔點、電導率、熱膨脹系數等物性參數相差較大，板件間不易形成點焊熔核，同時焊接時鋁和鐵易形成脆性的金屬間化合物，導致傳統點焊工藝下鋼鋁異種金屬連接接頭強度較低?；谌缟箱X/鋁和鋁/鋼材料的連接特點，傳統的鋁點焊技術已無法滿足鋁/鋼混合和全鋁車身的開發應用。自沖鉚（SPR）工藝作為一種高效的冷連接工藝，能夠克服如上缺點，同時自沖鉚接頭的靜態強度和抗疲勞性優于傳統的點焊工藝，目前已逐漸作為主流的鋁合金及鋁鋼異種金屬連接技術，應用于全鋁和鋼鋁混合車身制造。

自沖鉚技術

1.自沖鉚接過程

自沖鉚是一種冷成型連接工藝，能將兩層或更多層相同或不同材質和牌號的金屬及非金屬板進行機械連接。鉚接過程中，鉚釘首先刺穿上層板材，之后在沖頭和鉚模的作用下，鉚釘腿部的中空部發生變形擴張，并在底層板材形成機械互鎖。自沖鉚接成型過程包括六個階段：定位→預壓→進給→沖裁→擴張→成型，具體鉚接過程如圖1所示。自沖鉚接后會在板材表面形成典型的自沖鉚接接頭，其形貌及截面特征如圖2所示。

典型自沖鉚過程的力與位移關系曲線如圖3所示。自沖鉚過程中基于鉚釘和板材的變形過程，通常將力-位移關系曲線分為4個階段。

階段1，待鉚板材局部產生彎曲，鉚釘開始刺入上層板材。

階段2，鉚釘刺穿上板開始刺入下板，同時更多的材料流入下模，板材間局部產生間隙。

階段3，鉚釘進一步擴張，板材間隙消失，板材在凹模中進一步充型。

階段4，鉚釘頭部被壓入規定的位置，機械互鎖最終成型。通常階段3和4時由于變形阻力的增大而需要更大的鉚接力。

2.自沖鉚接特點

自沖鉚接與傳統連接工藝相比有如下優點：

1）鉚接時無熱量、煙、火花、粉塵或碎屑等產生，且噪聲和能耗低。

2）鉚接無熱效應，對鉚接的板材及接頭周邊無熱影響。

3）可用于連接異種金屬或者金屬與非金屬材質的連接，如鋼板、鋁板、鑄鋁、塑料板及復合夾層板等，同時可以連接多層板材。

4）不需要預先鉆孔/沖孔，無需對鉚接點位置進行調整。

5）待鉚接材料表面質量要求相比點焊的波動敏感性低。

6）鉚接質量持續穩定，重復性高。

7）具有較高的靜態強度和疲勞強度，尤其鋁合金鉚接頭的疲勞性能優于鋁合金點焊接頭。

8）鉚接點質量可通過自動在線監測系統視覺檢查，確保連接質量的在線監測。

除了上述優點，自沖鉚技術同樣存在如下的局限性：

1）鉚接工具必須能夠接近接頭的上、下兩層，要求雙面可達。自沖鉚設備的尺寸限制了工具能夠接觸到接頭中的區域。

2）成形接頭的一側形成凸點，對外觀有一定影響，同時鉚釘增加了工藝成本和車身質量。

3）鉚釘、板材間由于材質的不同，存在電位差，易產生電化學腐蝕，需要采取相應的措施，如鉚釘、板材自帶涂層或使用結構膠等避免異種材料表面直接接觸。

4）不適用于連接脆性材料，基板連接厚度有限，同時對底板塑性存在一定要求，且成形過程中需要的鉚接壓強較大。

自沖鉚關鍵工藝參數設計要點

自沖鉚接頭的鉚接質量和強度與許多關鍵工藝參數強相關，如鉚釘、鉚模、板材組合及鉚接參數等。開展自沖鉚工藝參數設計時，只有綜合考慮各因素對鉚接接頭質量和強度的影響才能獲得最佳工藝參數，從而確保連接質量和連接強度。

1.工藝設計基本原則

自沖鉚接工藝設計需要注意以下基本原則：

1）易碎的板材不適于鉚接，如玻璃板、脆質塑料板等，通常可用于白車身結構中的鋁板與鋁板/鑄鋁件、鋁板/鑄鋁件與鋼板、碳纖維（等復合材料）與鋼板/鋁板等材質及組合的連接。

2）建議板材抗拉強度δb≤600MPa，高強度的熱成型鋼，高強鋼和特高強度鋼（δb>600MPa）理論上也可以使用，但需使用特殊類型鉚釘，鉚接難度較大，需以具體試驗驗證結果為準。

3）底層材料必須為金屬材料（塑料件與金屬材料連接時，塑料件需位于上層），底層材料允許的最高強度不高于600MPa，延展性不小于12%，特殊情況下最好不低于8%，需結合具體板材組合及鉚釘/鉚模測試做最終確認。

4）通常強度和硬度高、延伸率低的材料作為上板，強度和硬度低、延伸率高的材料作為底板。

5）厚度薄的材料作為上板，厚度大的材料作為底板，且底層板材的厚度應超過整個板材組厚度的1/3。

6）自沖鉚為雙面可達的冷連接工藝，板材兩側需滿足鉚槍的作業空間要求。

7）鉚接接頭強度能否滿足要求，需要基于特定的鉚接接頭強度實驗測試來最終確定。

2.關鍵工藝參數設計要點

（1）鉚釘選擇 ?汽車常用自沖鉚釘直徑有兩種：3.3 mm（名義尺寸3mm）和5.3mm（名義尺寸5mm），鉚釘長度范圍3.5～14mm，通常鉚釘的頭部直徑d1=d2+（2～3）mm。典型鉚釘尺寸特征如圖4所示。

鉚釘腿部直徑（d2）和長度（L1）是鉚釘的關鍵尺寸參數。鉚釘直徑的選擇與待鉚接板材的厚度相關，一般待鉚接板材的厚度越厚，則需選擇越大直徑的鉚釘。通常3mm鉚釘適用于2層板搭接，且連接板總厚度（鋁-鋁）為1.4～4mm，5mm鉚釘適用于2層及3層板板搭接（車身不建議大于3層板連接），鋁/鋁連接總厚度最大9mm，鋼/鋁連接總厚度為2.5～8mm。

鉚釘直徑確定后，需重點結合待鉚板材組合厚度和鉚釘直徑確定鉚釘長度。歐洲鋁業協會建議：3mm直徑的鉚釘，鉚釘長度比板材組合總厚度長2.5mm；5mm直徑的鉚釘，鉚釘長度比板材組合總厚度長3.5mm。對鉚釘，長度的選擇其他一些機構同樣提供了一些不同的建議，例如Henrob公司建議對于3mm和5mm直徑的鉚釘其鉚釘長度應分別比板材組合總厚度1.5～3mm和2～4mm。

通常鉚釘硬度為250～600 HV。鉚釘硬度的選擇由待鉚接材料決定，基本上強度高、硬度高的材料應選擇硬度較高的鉚釘。一方面如果鉚釘較軟，鉚接過程中鉚釘易發生屈曲或壓縮；另一方面如果鉚釘較待鉚接材料太硬，鉚接過程中鉚釘腿部張開變形較小，導致鉚釘與底層材料互鎖程度較小，鉚接接頭的連接強度較小。此外，鉚釘硬度過大易使鉚釘變形時自身產生裂紋，也會降低鉚接接頭質量和強度。

鉚釘和板材間由于材質的不同，存在電極電位差，易產生電化學腐蝕，需要采取適當表面處理的鉚釘，同時鉚接過程中鉚釘表面的涂層可以減小鉚釘和材料間的摩擦系數，對于鉚接質量及參數也有一定的影響，因此鉚釘的表面處理類型也是自沖鉚接工藝設計時要考慮的一個方面。

（2）鉚模選擇 ?鉚模有不同的直徑、深度和形狀，模具內腔可以為平底或者中部有凸起，模具壁近乎垂直或者存在一定的拔模斜度，典型鉚模如圖5所示。鉚模的形狀會影響鉚接力和鉚釘腿部的擴展，模具內腔直徑需要比鉚釘腿直徑大，鉚接過程中釘腿在內腔中有足夠的擴展空間。通常如果模具直徑足夠大，其對鉚釘腿部擴展沒有太大的影響，然而會影響機械互鎖長度。在其他參數一樣的情況下，模具內腔直徑較大會使機械互鎖長度較小。通常3mm直徑鉚釘需要較小的模具直徑，模具內腔通常為6mm或7mm；5mm直徑鉚釘需要較大的模具內腔直徑，通常內腔直徑＞8mm。模具內腔存在凸起能夠增加鉚釘的變形從而增加機械內鎖的長度，但會增加底部板材的變形程度導致更大的鉚接力，因此當塑性較差的材料作為底材時，采用帶有凸起的凹模易使底材產生更嚴重的開裂。

鉚模深度也是鉚模設計和選擇的一個關鍵參數。通常較深的模具對底材的支撐較小，導致較小的鉚接力，且機械互鎖長度較小，同時較深的模具會使底板產生更大的塑性變形，可能會使鉚接接頭產生頸縮問題，塑性較差的材料甚至會發生開裂，如圖6所示。因此對于底材為塑性較差的材料時不宜選用深模具，同時使用具有一定拔模斜度的模具有助于避免底板發生過大的塑性變形和開裂，且有利于在鉚接結束后模具的脫離。

鉚釘和鉚模是自沖鉚的關鍵工藝參數，為了獲得高質量的鉚接接頭，在工藝評估初期針對特定的板材組合選擇正確的鉚釘和鉚模非常重要。針對特定板材組合進行自沖鉚工藝參數優化時，通常優先對潛在的鉚釘/鉚模組合進行測試，并對鉚接接頭進行評估，然后利用下一個硬度水平或者長度水平的鉚釘或者不同模具進行工藝參數優化，直至獲得合適的參數組合。當采用不同的鉚釘和模具進行自沖鉚時，接頭會有不同的接頭特征如內鎖長度、鉚釘頭高度、剩余厚度，甚至發生板材刺穿等，從而鉚接接頭呈現不同的強度。因此在鉚接工藝設計時應充分考慮如上因素，選擇合適的鉚釘/模具組合以期獲得最優的鉚接接頭質量。

（3）板材組合 ?自沖鉚已經廣泛用于鋁合金零件的連接，同時也可以用于連接其他材料和混合材料如鋁合金、鋼、鎂合金及復合材料等。用于自沖鉚的鋁合金包括變形鋁合金、擠壓鋁合金和鑄造鋁合金，鋼包括軟鋼、高強鋼以及先進高強鋼，特殊條件下可鉚接含熱成型的板材組合。

對于兩層材料的板材組合，上層和下層板材的厚度比例會影響板材組合的鉚接性能和鉚接接頭強度。通常薄板作為上板而厚板作為下板時板材具有較好的鉚接性能和接頭強度。然而由于設備可達性和一些其他問題，有時候鉚釘只能從較厚的一側刺入，這種情況下需要仔細的設計鉚接工藝和選擇鉚釘和模具以期獲得滿意的接頭質量。

自沖鉚連接復合材料和鋁合金時由于自沖鉚過程會破壞纖維并且引起分層，而降低復合材料強度，玻纖增強復合材料和6082鋁合金自沖鉚接頭截面如圖7所示。除了纖維損傷、分層和開裂外，采用自沖鉚連接含有復合材料疊放的板材時，要考慮不同的材料具有不同的熱膨脹和收縮系數。此外，采用自沖鉚連接碳纖維增強復合材料時，比較突出的挑戰是鉚釘和碳纖維增強復合材料間易于發生腐蝕，因此連接緊固件通常要求采用不銹鋼或鈦合金或者特殊的涂層來降低腐蝕的發生。

圖7 玻纖增強復合材料和6082 T6鋁合金自沖鉚接接頭截面

整體上來講板材組合鉚接時應遵循以下原則：

1）鉚接兩層相同的金屬材料時，將厚度較大的板材放在下層。

2）鉚接兩層材料不同的金屬時，將塑性好的板材放在下層。

3）鉚接金屬與非金屬板材時，將金屬放在下層。

4）車身應用自沖鉚時，板材層數不建議大于3層。

（4）鉚接力/鉚接速度 ?自沖鉚需要較高的鉚接力，鉚接力通常在20～100kN。鉚接接頭需要滿足所有的截面金相和強度準則要求如剪切強度、剝離強度、釘頭高度、互鎖長度和底材最小剩余厚度，因此鉚接力需設定合理。如果鉚接力太低，鉚釘頭可能伸出板材表面，影響美觀，同時由于間隙的存在水可能滲入其中會使其容易發生腐蝕。此外，鉚接力過小會導致互鎖長度變小，降低鉚接接頭強度。如果鉚接力太大，鉚釘頭部上板壓痕會很大，底材最小剩余厚度變小，同時過大的壓痕甚至會損壞上板，減小上板抵抗鉚釘被拔出的強度。通常當鉚釘用于外觀件時，其頭高要求-0.1～+0.1mm內為合格；當鉚釘用于非外觀件時，其頭高要求-0.5～+0.3mm內為合格，鉚接力的設定需參考鉚釘具體頭高要求。

隨著低塑性底材和高強度上材應用比例的增加，需要更高的鉚接力。相比鉚接鋁合金，鉚接高強材料時鉚釘執行工具對中性變得更加重要，而且鉚接工藝窗口變得很小，在其他條件一定的情況下，需測試最優的鉚接力以求獲得最優的鉚接接頭質量和接頭強度。

鉚接速度對接頭質量及強度同樣影響很大。一定條件下，鉚接速度越大，互鎖值增大，剩余厚度越小，接頭剪切強度增加。白車身鉚接過程中較優的鉚接速度范圍為200～300mm/s，最佳的鉚接速度選取及設計需根據具體的鉚釘、鉚模、板材組合等工況，通過開展試驗驗證確認。

結語

隨著鋼鋁車身及全鋁車身的開發及應用，自沖鉚接成為一種不可或缺的主流連接工藝，同時隨著鋁合金真空高壓壓鑄結構件、高比例超高強鋼和熱成型鋼以及復合材料等輕量化材料的應用，涉及自沖鉚接搭接的板材材質類型及搭接組合越來越復雜。只有在產品開發、設計和驗證過程中的各階段，充分利用標準試片級的搭接組合和整車實物搭接組合，多階段系統的開展鉚釘、鉚模、板材組合、鉚接力及鉚接速度等關鍵工藝參數的測試、驗證和優化，并系統評價不同工藝條件下鉚接接頭的截面金相質量和強度性能指標，最終確認出適合于量產工況條件下的自沖鉚接工藝參數，確保造車質量。此外，結合自沖鉚接工藝仿真技術和企業內部及供應商的鉚接經驗庫和應用大數據，更有利于準確、高效的開發鉚接工藝參數，提升驗證效率和質量。