自沖鉚接技術的工藝分類和連接特點

摘要：本文介紹了一種新的連接工藝-自沖鉚接工藝；劃分了該工藝的不同類型以及各自的連接原理。對照電阻點焊工藝，介紹了自沖鉚接工藝的優缺點，描述了自沖鉚接的應用范圍，指出了自沖鉚接的應用前景。

關鍵詞：自沖鉚接；點焊；連接技術；汽車輕量化

1 引言

隨著汽車制造業競爭的日益劇烈，汽車制造廠商都不斷向市場推出新款車型，新車型除了突出質量好、價格低、樣式新、功能全等特點之外，主要的競爭集中在汽車行駛的經濟性上。在過去的20年中汽車制造商一直在尋找解決問題的方法。試驗證明，應用新材料，使用輕型材料實現汽車車身的輕量化，改善汽車行駛經濟性是行之有效的。通過降低整車質量可使汽車的很多性能得到改善和提高。研究表明，當整車質量降低10%時，燃油經濟性提高3.8%，加速時間降低8%，CO排放減少4.5%，剎車距離減少5%，輪胎壽命提高7%，轉向力減少6%[1]，可見汽車輕量化的重要性。汽車輕量化的重要潛力是在車身的制造中大量使用輕金屬和非金屬，例如鋁、鋁合金、鎂合金以及強化塑料等板料之間的應用。迄今為止，電阻點焊是連接鋼板車身結構的主要方法，不僅有利于大批量生產，而且質量也牢固可靠；但是對于黑色金屬與有色金屬的連接，大部分有色金屬（如薄鋁板）之間的連接，金屬與非金屬的連接，非金屬之間的連接，以及可焊性差的、預先涂漆或有鍍層的黑色金屬之間的連接，點焊就很困難或無能為力了[1，6]。故提出采用鉚接技術連接車身的內外覆蓋件而替代點焊，特別是自沖鉚接（SPR-Self Piercing Riveting）工藝，越來越受到重視和青睞。

2 自沖鉚接工藝類型

2.1 實心鉚釘自沖鉚接工藝[2][3][4]

腰鼓形實心鉚釘自沖鉚接工藝，如圖1所示，沖頭推動實心鉚釘一起向下運動，鉚釘下部的刃口將鉚接材料沖掉并從凹模內落下，鉚釘到達凹模后停止運動；隨著沖頭的繼續下行，沖頭下端面的凸臺對被鉚接材料加壓，迫使其發生塑性變形而向內做徑向流動，使其緊緊包住腰鼓形鉚釘，從而形成穩定的鎖止狀態。這種鉚接工藝只能用于塑性金屬與金屬間的連接。

另一種實心鉚釘自沖鉚接工藝如圖2所示，其鉚釘形狀并非腰鼓形，但鉚釘上有一環形凹槽。當沖頭下行至下死點后擠壓鉚接材料，下層的被鉚接材料受擠壓產生徑向流動將凹槽的凹槽充滿，而鉚釘的上端面則產生“鐓頭”，而將兩層材料鉚接在一起。

2.2 半空心鉚釘自沖鉚接工藝［6］

半空心鉚釘的自沖鉚接工藝如圖3所示，壓邊圈首先向下運動對鉚接材料進行預壓緊，防止鉚接材料在鉚釘的作用力下向凹模內流動，而后沖頭向下運動推動鉚釘刺穿上層材料。在凹模與沖頭的共同作用下鉚釘尾部在下層金屬中張開形成喇叭口形狀以便鎖止鉚接材料，達到連接目的。半空心鉚接工藝鉚接相同金屬材料時，較厚的放在下層；鉚接兩層不同金屬材料時，將塑性好的材料放在下層；鉚接金屬與非金屬材料時，將金屬材料放在下層。

在汽車車身制造中，考慮到具體的生產環境、自沖鉚接工藝的特點、連接強度以及所應用材料的機械性能等要求，又由于實心鉚釘的鉚接工藝有很多自身的局限性，所以在汽車輕量化生產中主要應用半空心鉚釘的自沖鉚接工藝。

3 自沖鉚接的優缺點[5]

3.1主要優點

材料屬性不同的、有鍍層的及很難用焊接方法連接的材料可以進行鉚接；用自沖鉚接方法對鋁及高強度鋼材料進行鉚接，鉚接牢靠性要比點焊好；鉚接質量穩定，達到牢固一致的鉚接效果；鉚接過程清潔，無煙霧；比焊接消耗能量少得多；鉚接過程比較容易進行自動化。

3.2 主要缺點

連接鋼板時，自沖鉚接比點焊的抗拉強度小；鉚接時，尾部出現突出的“鉚扣”，不夠平齊；由于鉚接過程需要較大壓力，鉚接設備比較笨重；在進行自沖鉚接時，鉚接處材料的兩面都必須接觸（一面是沖頭，一面是模具），而不進行單面鉚接。

4 自沖鉚接工藝的應用范疇[5]

自沖鉚接的鉚釘可以廣泛地適用于制造業諸多方面：

用于連接碳鋼和不銹鋼、鋁、銅和磷青銅等材料；可以鉚接涂上一層具有金屬性或有機性的材料，極好地適應防腐保護的要求；可以大批量生產，且鉚接過程可進行監控；可由傳送帶、鉚釘盒或可裝200-10000鉚釘的管子供應，也可以從經過篩選的100%合格的密封包裝里隨用隨取；鉚接過程可手工操作或半自動操作，或設計為裝配線全自動化或機器人操作。

5 結論

與電阻點焊相比，對連接兩層相同的鋼制材料而言，點焊比自沖鉚接更方便，外觀更好些，連接設備更輕便些；對難于焊接的材料，對不同材質的板料，對于兩層以上的材料，焊接就無能為力了，可顯出自沖鉚接的優勢。

自沖鉚接技術是一種很有前景的新型連接技術，解決了進行車身輕量化時不同材料連接的技術關鍵。

參考文獻

[1]Boeman R. Development Of A Cost Competitive. Composite Intensive Body -In-White，SAE Paper，2002:1905～2010

[2]W.Velkner， Present and future development of metal forming:selected examples.Journal ofMaterials Processing Technology， 2000(106): 236～242

[3]self-piercing riveting process description:www.twi.co.uk/j32k/protected/band 3/kschjg002.html

[4]Maofeng Fu，P K Mallick. Fatigue of Self-Piercing Riveted Joints in an Aluminum Alloy 6111.International Journal of Fatigue

[5]劉瑞軍等，自沖鉚接技術在汽車車身輕量化中的應用，汽車技術，No.11， p33-36， 2004

[6]萬淑敏、李雙義等，半空心鉚釘自沖鉚接地工藝參數及模具質量的判定，天津大學學報，494-498，No.4，Vol.40，2007