汽車輕量化機械連接工藝技術研究

摘要：為積累輕量化車身連接技術設計及制造經驗，提升車身機械連接工藝質量，針對自沖鉚接、無鉚連接、熱熔自攻絲鉚接、螺栓連接、拉鉚、壓鉚車身輕量化機械連接技術進行了總結分析，詳細闡述了各個工藝的工藝原理、工藝特點、質量控制方法和創新工藝方案。

關鍵詞：輕量化連接 自沖鉚接 無鉚連接 熱熔自攻絲鉚接

中圖分類號：U466 "文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240045

Research on the Technology of Automotive Lightweight Mechanical Connection

Han Qiusheng， Yao Qingtai， Wang Ziguo， Bai Ming

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： To accumulate experience in the design and manufacturing of lightweight vehicle body connection technologies and enhance the quality of vehicle body mechanical connection processes， this paper summarizes and analyzes lightweight vehicle body mechanical connection technologies such as self-piercing riveting， rivetless connection， hot-melt self-tapping riveting， bolt connection， pull riveting and pressing riveting， and elaborates in detail the process principles， process characteristics， quality control methods and innovative process schemes of each process.

Key words： Lightweight connection， Self-piercing riveting， Riveterless connection， Hot melt self-tapping riveting

1 前言

當前，汽車行業正朝輕量化、低碳化方向發展，根據Pradeep等[1]的研究，新能源汽車質量每降低10%，續駛里程可提升5%～6%。傳統燃油車的質量降低10%，油耗可降低6%～8%，尾氣排放可減少4%。因此，無論是燃油車降耗減排，還是新能源汽車提升續駛里程，都對輕量化水平提出了更高的要求。

目前，提升汽車輕量化水平的途徑[2]主要有3種：采用更輕質的材料、優化汽車結構以及使用更先進的制造工藝。其中，選擇輕質材料來代替傳統鋼材是最直接、應用最多的一種方式，越來越多的新材料應用到新能源汽車產品設計中，包括高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料等。不同材料的性能、特點差異明顯，導致部分傳統的連接工藝不再適用，特別是鋼-鋁、碳纖維-鋁合金等混合材料的連接。

汽車車身制造應用的主要連接工藝包括焊接、機械連接和膠接。其中，機械連接作為一種冷連接工藝，在進行輕量化材料特別是異種材料的連接時有較大優勢，近年來在汽車制造中的應用比例和工藝種類均有所提高。

本文主要針對輕量化汽車制造過程中較為常見的幾種機械連接工藝進行分析，從工藝原理、技術特點、應用場景及質量控制方式等維度進行對比，為有輕量化連接技術需求的汽車設計與制造提供支撐。

2 輕量化機械連接工藝技術分析

2.1 自沖鉚接

自沖鉚接（Self-Piercing Riveting，SPR）是一種通過對鉚釘施加外力，穿刺上層母材但不貫穿下層母材，利用鉚釘尾部的變形擴張形成穩定鉚接點的機械連接工藝。如圖1所示，工藝過程分為以下4個階段：

a.夾緊階段：由壓邊圈及沖頭對板料和鉚釘進行預壓。

b.穿刺階段：沖頭驅動鉚釘穿刺上層板材。

c.擴張階段：鉚釘尾部向外擴張，下層板料通過塑性變形填入凹模。

d.成型階段：釘頭與上層板材上表面平齊，鉚接完成。

SPR接頭由上層、下層板料（或三層板）和鉚釘組成，部分會在板間添加結構膠以提高連接強度，典型的SPR接頭如圖2所示。

2.1.1 工藝特點

自沖鉚接可以實現不同材質、不同厚度的多層板連接，廣泛應用在新能源汽車車身板材零部件中，其優點如下：

a.綜合成本低、效率高、無污染，連接強度及動態疲勞強度均高于電阻點焊等工藝。

b.可實現不同材料組合的雙層或多層連接，包括帶有涂層或鍍層的材料以及帶有膠粘劑的材料。

c.無需預開孔，鉚釘不穿透下層板材，密封性能好。

自沖鉚接工藝也存在一定的局限性，在進行工藝方法選擇時，應著重注意以下3點：

a. SPR工藝必須保證鉚接槍雙面可達，無法實現單邊連接。

b.當下層板厚度過薄或者延展率低時，無法達到較好的連接效果。

c.所連接的材料硬度不能過高，否則鉚釘無法使板材產生足夠的塑性變形。

2.1.2 應用場景

SPR連接工藝主要應用于鋼-鋁混合材料連接、鋁-鋁材料連接、復合材料（包含碳纖維）與金屬材料連接，可根據強度、密封等需求選擇是否在連接表面涂覆密封膠或結構膠。該工藝最早在奧迪A8車身上應用，當前已被各主機廠大量應用于白車身制造中，圖3為奧迪A8白車身的SPR鉚接點，在其減震塔、前風窗橫梁、頂蓋、門環、地板、門檻等位置均有SPR連接工藝。

2.1.3 連接質量評定

自沖鉚接工藝的連接質量受鉚釘規格、鉚模結構及鉚接過程參數控制的影響較大。在實際制造應用中，關于連接質量的評定主要包括外觀評價、剖面檢驗及力學性能測試。外觀評價主要檢查幾何尺寸及表面質量，如鉚釘傾斜角度、是否存在表面裂紋、是否破壞表面涂層等；剖面檢驗是通過剖切截取截面，測量相應技術指標，包括互鎖值、頭部高度和底切量[3]等，測量方法如圖4所示；力學性能測試通常包含剪切強度、剝離強度及十字拉伸強度測試，測量方式如圖5所示。

2.1.4 工藝創新方案

由于SPR工藝不適用于低塑性的輕質材料，技術人員提出一種將SPR工藝與攪拌摩擦點焊工藝相結合的新型工藝[4]。通過使鉚釘高速旋轉，將板材軟化，同時控制攪拌時間與攪拌速度，實現鉚釘與材料的固相連接，在連接鎂合金、鑄鋁等材料時效果顯著。

2.2 無鉚連接

無鉚連接是一種通過模具沖壓使板材發生塑性變形進而形成鎖緊連接的工藝，因此又稱作沖壓連接，工藝過程包括接觸、初壓、填充、成型4個階段[5]，過程示意如圖6所示。

2.2.1 工藝特點

無鉚連接的最大優勢是工藝簡單、成本低，通過板材自身的塑性變形即可形成可靠的連接，不受工件表面清潔度及鍍層的影響，連接點綜合疲勞性能較好。

但無鉚連接在實際應用時也存在一些缺點，對待連接材料力學性能較為敏感，延伸率過低或強度較高的板材無法連接，連接點表面存在較高的凸起，影響外觀質量，連接點靜態強度略低等。

2.2.2 應用場景

無鉚連接目前已被國內外企業成熟應用，據統計，奔馳E級車中的無鉚連接點約有500處。但受限于連接強度，無鉚連接多數應用在發動機罩、機蓋、行李箱[6]等非重要承載部件的連接場景中。

2.2.3 連接質量評定

無鉚連接接頭的質量評定包括以下幾個方面：首先是力學性能檢測，具體方式與上述SPR工藝相同；其次也可通過截取剖面，測量頸部厚度、嵌入量和底厚來評定接頭連接強度，具體測量方式如圖7所示。

2.2.4 工藝創新方案

技術人員針對無鉚連接工藝連接點的凸起、連接靜強度低的缺點進行了改進。例如，對連接后的接頭再次沖壓成形，可降低表面凸起，增大頸部厚度，提高接頭強度[8]。Lee等[9]通過預先開孔的方式實現輕質材料與高強度低延展性材料的連接，獲得了較好的連接效果。

2.3 熱熔自攻絲鉚接

熱熔自攻絲鉚接（Flow Drill Screw，FDS）工藝是通過將高速旋轉的螺釘加壓旋入板材中，最終與板材之間形成螺紋連接的一種工藝。該工藝過程分為6個階段，分別為加熱、穿透、通孔、攻螺紋、擰螺紋、緊固，過程示意如圖8所示。

2.3.1 工藝特點

FDS工藝與上述2種工藝不同，其最大的特點是單向連接，比較適合一些腔體結構和其他裝置可達性不好的連接場景，連接強度高、工作環境清潔、螺釘可拆卸回收，具備廣泛的應用前景。但FDS工藝在使用過程中接頭穿透外露，需考慮電化學腐蝕的問題，且連接效率較低、螺釘較重，限制了在車身上的大規模使用。

2.3.2 應用場景

FDS目前已被各主機廠廣泛應用在車身中，例如地板橫梁和縱梁、車門內板及減震塔等位置。FDS工藝在新能源汽車電池包系統中也有應用，與密封膠共同實現電池包水冷板與托盤的連接。圖9為某車型電池包水冷板FDS連接制造現場。

2.3.3 連接質量評定

FDS工藝的質量評定可以分為非破壞性檢測和破壞性檢測。非破壞性檢測包括檢查接頭外觀是否存在裂紋、是否使連接板材彎曲過大、鉚釘與上板材的間隙以及板材間的間隙是否過大等。破壞性檢測通常包括力學性能檢測與金相檢測，力學性能檢測與上述其他工藝相同，金相檢測是截取連接接頭剖面，觀察接頭內部成形質量，具體內容如圖10所示。

2.3.4 工藝創新方案

FDS工藝的創新方案大多是針對鉚釘結構的改進，根據使用要求制定鉚釘規格，如在一些承載要求低的連接位置，可通過降低鉚釘質量、犧牲連接強度的方式提升效率。

高速射釘連接工藝與FDS較為相似，是通過壓縮空氣將鉚釘高速壓向板材實現連接。該工藝效率高、工藝過程簡單，但需要背面有足夠的剛性支撐。

2.4 其他連接工藝

除上述幾種連接工藝外，在汽車制造中應用較多的機械連接工藝還包括螺栓連接、拉鉚、壓鉚等，可根據工藝特點靈活選用。

在鋼-鋁等異種材料連接時，還可以應用新型的復合機械連接工藝，攪拌摩擦盲鉚（Friction Stir Blind Riveting，FSBR）工藝將FDS工藝和拉鉚工藝結合，用抽芯鉚釘代替FDS鉚釘，實現穩定連接。摩擦塞鉚焊（Friction Element Welding，FEW）工藝[10]是將高速旋轉的鉚釘加熱穿透上層板材，與下層板材固相焊接，目前已經被量產使用。隨著汽車輕量化技術的不斷發展，這些新工藝未來會有更廣泛的應用空間。

3 結束語

連接工藝的創新發展，不但能為汽車輕量化制造提供穩定的支撐，更能引領汽車的輕量化設計。隨著輕質材料越來越多地應用在汽車制造中，部分傳統連接工藝已不再適用，同時也會有更多的新型工藝應運而生，本文僅針對現階段有代表性的工藝進行介紹，期待未來輕量化機械連接工藝的蓬勃發展。

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