無鉚釘沖連質量檢驗及其影響因素

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

0 前言

隨著汽車、航天等機械行業的發展及競爭的加劇，面對多種材料的連接方式、高自動化的要求，無鉚釘鉚接憑借著其板材范圍適應廣、經濟性、強度高等優點被廣泛應用到生產中。以汽車門蓋表面件為例，介紹說明沖連工藝過程、原理及設備結構特點、沖連質量檢驗方式等，以及不同模具形式的鉚點在金相檢驗質量評價時的注意事項，通過分析生產過程中遇到的沖連質量問題，闡述影響沖連質量的相關因素——板材厚度、凸凹模的形狀及尺寸、凹模的深度及凹模環形凹槽深度，鉚鉗的對中性、零件與凸凹模的垂直度等方面因素對沖連點質量的影響，為無鉚釘沖連工藝的制定及質量優化提供一定的參考和指導。

1 無鉚釘鉚接工藝過程及特點

無鉚釘TOX連接也稱之為Clinch，是德國TOX公司在20世紀80年代末研發的，并獲得了國際專利技術。TOX板件沖壓連接技術又稱無鉚釘鉚接，是在TOX氣液或電動缸驅動下，采用TOX專用連接模具對被連接件進行冷擠壓，通過板件自身材料塑性變形，完成板材鑲嵌而形成TOX連接點的工藝技術，適用于單層板厚小于等于3 mm、總厚度小于等于5 mm，凸凹模側兩側板材厚度比例大于0.5的板材組合。

沖連過程主要分為壓入準備、前期成型、填充、保壓及退模幾個階段，沖擊過程示意如圖1所示。

圖1 沖連過程示意

TOX連接是板材間的冷作硬化，連接點無微觀損傷，無應力集中，組織更細密。它的連接強度高，曾有試驗數據統計，TOX單點連接靜態強度相當于點焊的70%，雙點連接則可與點焊相等，而在動態強度上則相當于點焊的2～3倍，也就是說TOX沖連連接點的壽命比焊點長，TOX模具焊接點數為10～35萬次，鉚接疲勞強度示意如圖2所示。由于板材表面原有的鍍層、漆層不受損傷，板材無需特殊處理，對連接板材表面要求低；自動化程度高，工藝步驟簡單，無需預先沖孔；節能環保；模具使用壽命長等多方面優點，TOX連接被越來越多地應用到車身生產中。點焊、鉚接、沖連工藝對比如表1所示。

圖2 鉚接疲勞強度示意

表1 點焊、鉚接、沖連工藝對比

2 TOX鉚接設備

2.1 TOX鉚接設備結構

按照無鉚釘鉚接設備驅動形式的不同分為電動及氣液混合驅動形式，無鉚釘設備主要由鉚鉗鉗體、驅動缸、上下模具、控制器等組成。沖連鉚接設備連接加工過程可實現連續的在線實時監控及數據存儲和處理，鉚鉗或電缸上帶有壓力檢測，通過鉚鉗鉚接時的變形量進行壓力和位置換算，設備可以設置底厚監控（見圖3），在鉚接過程中對質量進行監控報警。TOX氣液鉚接鉗如圖4所示。

圖3 設備底厚監控

圖4 TOX氣液鉚接鉗

2.1.1 氣液混合驅動增力缸驅動

氣液混合驅動，上部氣缸驅動凸模運動，下部液壓增力缸驅動進行鉚接，完成鉚接后，由氣液缸共同驅動脫模。此種驅動形式鉚鉗的價格相對便宜，但參數調節不方便，需要手動調節氣缸的硬限位來調節壓力，操作上沒有電子壓機方便，但價格比電子壓機便宜。TOX氣液鉚接鉗驅動過程如圖5所示。

2.1.2 電子壓機結構

圖5 TOX氣液鉚接鉗驅動過程

電機驅動式鉚鉗（見圖6）通過電機驅動絲杠運動完成鉚接，該設備可以實現多種板材組合形式的沖連，鉚接不同板材時調用相應的程序完成沖連連接，設備精度高，壓力調節方便，程序更改設定可自動調節。TOX電缸結構如圖7所示。

圖6 TOX電動鉚鉗

2.2 TOX鉚接模具結構

TOX沖連模具有多種形式，如圖8所示。

圖7 TOX電缸結構

圖8 TOX鉚接形式

TOX鉚接模具根據其外部形狀分為圓形和方形無鉚釘鉚接。圓形無鉚釘鉚接是軸對稱的，用于使上、下板料相互鑲嵌的凹模底部凹槽是軸對稱的，鉚接點上、下板料互相嵌入的部分也是軸對稱的環形。

沖連使用的SKB模具鉚接接頭只有矩形凹模四邊有上下板料的相互嵌合，嵌合最大點對應的承載能力也最強，所以剪切作用時載荷垂直于相嵌合的面時，承載能力為最大[1]。

2.3 不同工藝對應的設備差異

沖連工藝有帶膠和不帶膠兩種形式。帶膠時凸模與工件優先接觸，先完成膠的擠壓，然后進行沖連鉚接，不帶膠時脫模套與工件接觸直接進行沖連。

鋁件與鋼件對應的沖連設備除模具材料上的差異性，同時考慮到鋁件易粘連，鋁件鉚接設備上還帶有潤滑保護裝置（見圖9），在鉚接過程中起到模具的潤滑和保護作用。

圖9 TOX鋁件噴液保護裝置

設備安裝調試過程中，設備廠家根據對應的板材組合形式，通過試片試驗的形式選擇確定匹配的模具型號，并調整參數，確定最終的鉚鉗設備參數。在設備選型調試結束后，將TOX檢驗報告附到相應的設備上，作為后續調整優化及沖連點檢驗的依據。沖連檢驗報告中對于鉚接對應的板材信息、凸凹模模具型號、抗拉及抗剪力、沖連壓力及脫模力、沖連點底厚范圍等都做出了定義，如圖10所示。

3 沖連質量檢驗

沖連質量的檢驗分為破壞性及非破壞性兩種。非破壞性檢測主要為外觀目視檢查及底厚的測量；破壞性檢驗主要有抗剪力、抗拉力及金相檢驗[2]，檢驗標準為大眾標準PV1607及VW01087。

3.1 外觀檢驗

圖10 TOX檢驗報告

外觀檢驗主要檢驗鉚點的位置、數量、大小、同軸度及外觀缺陷，如裂紋、鉚穿、底厚的測量等?？梢酝ㄟ^底厚表測量底厚，如圖11所示。TOX尺寸定義如圖12所示。

圖11 TOX檢驗底厚表

圖12 TOX尺寸定義

3.2 破壞性檢驗

3.2.1 抗剪/抗拉力檢測

沖連點的質量可以通過制作試片形式，進行抗剪、抗拉力力學檢驗來評判鉚點強度是否符合要求，檢驗在拉伸試驗機進行，試片數量最少5件。該檢驗一般適合于調整鉚鉗參數及驗證設備性能。拉伸試片如圖13所示，拉伸試驗及抗剪力曲線如圖14所示。

圖13 拉伸試片

3.2.2 金相檢驗

通過對沖連點切樣、鑲樣、磨拋，并在金相顯微鏡下測量鉚點的內部嵌入尺寸，來評定沖連點是否滿足要求。雖然該檢驗操作程序較復雜，檢驗周期相對較長，但該方式能夠檢測實際鉚接工件的沖連點強度。

圖14 拉伸試驗及抗剪力曲線

（1）評價指標及標準。

金相檢驗的評價指標主要有沖連點的咬邊深度、頸部厚度及底厚值[3]。咬邊深度是指處在頸部的上板料嵌入下板料的最大外凸臺處的水平距離，咬邊鑲嵌量反映鉚接完成后鉚接件的自鎖性能好壞，鑲嵌值越大，接頭自鎖性能越好。頸部厚度是指在鉚點的上板料環形面凹陷處的最小徑向距離，這個距離越小，抗剪切能力越弱，而且在此頸部的某處出現裂紋的可能性越高。底部厚度為鉚點位置上下板材的厚度距離，即底厚，它是鉚點力學強度的重要評價指標。金相檢驗各指標定義標準如表2、圖15所示。

表2 金相檢驗各指標定義標準

圖15 金相檢驗各指標定義

（2）檢驗過程。

金相檢驗主要分為切割、鑲嵌、磨剖、腐蝕等步驟，檢驗涉及到帶鋸機、切割機、鑲嵌機、磨剖機及顯微鏡等設備，檢驗過程及設備如圖16所示。

（3）金相檢驗注意事項。

金相檢驗需要在檢驗操作、切樣位置、切樣方向等方面十分注意，因為針對不同的鉚接結構，操作的合理性直接影響了沖連點的檢驗結果。注意事項為：

①切割是試樣制備中的重要工序，注意切割參數優化，如：切割片類型、厚度、磨料的濃度、切割潤滑劑等。

②對于SKB圓點連接，切樣時要垂直于凹模鉚點成型方向，如圖17所示，不要切在沖連點斜邊位置，不同的切樣位置將得到不同的咬邊及頸部厚度值。

圖16 金相檢驗過程及設備

圖17 正確的切樣位置

③切樣時要預留出磨拋量，一般在最大截面處預留2～3 mm的磨拋量，如圖18所示，以保證金相檢驗部位為沖連點樣件的中心，此時測量的指標值也最大。錯誤的檢測位置如圖19所示。

圖18 磨拋后正確的檢測位置

④磨拋時要盡量接近最大截面位置，以保證測量時獲取最大咬邊及頸部厚度值，如圖19所示。

⑤選擇合適的顯微放大倍數。

⑥采用不同的腐蝕液進行腐蝕，鋁件采用NaOH，鋼件用5%硝酸酒精溶液進行。

⑦拋光分為粗磨、精磨、拋光3個階段，要求使用材料為不同粒度的SiC砂紙及研磨料，拋光后在顯微鏡下進行檢測。

圖19 磨拋后錯誤的檢測位置

由于SKB模形成的鉚點（見圖20）只在凹模接觸的位置處，咬邊及頸部厚度嵌入值最大，所以金相檢驗時要確保截取此位置的嵌入值，切樣方向、測量截面的位置直接影響了評價的準確性。不同檢測切面對應的檢測結果如圖21所示。

圖20 SKB模具及沖連點

4 沖連缺陷及分析

通常沖連缺陷形成原因主要涉及設備、參數及環境因素等的影響。常見缺陷為位置偏、底厚小、鉚穿、裂紋、咬邊小、頸部厚度不足等。

設備方面涉及到設備本身的精度、鉚鉗對中性、模具狀態等[4]。

圖21 不同檢測切面對應的檢測結果

參數方面涉及到鉚接壓力、脫模力、鉚接位置參數、底厚、行進距離等。

環境因素包括很多方面，如：板材材料、板厚、表面狀態的變化；現場零件的匹配狀態；工件與設備的垂直度、氣壓、電壓的波動等都會影響沖連點質量。

4.1 缺陷分析、優化

（1）實例1：板材咬邊值小。如圖22所示，咬邊深度0.1 mm，標準要求為0.2 mm。

圖22 沖連點咬邊小

優化措施：調整機器人軌跡及鉚鉗的位置；更換模具，模具凹槽深度由1 mm調整為0.8 mm（見圖23）；調整設備參數零點，鉚接位置設置與凹模深度值匹配。

在鉚點位置對中的情況下，通過降低凹模模具凹槽的深度，可實現咬邊值的增大，但在調整時要注意保證底厚值在標準要求的公差范圍內。

圖23 更換前后模具狀態

（2）實例2。缺陷描述：沖連點不對稱，一側沖連頸部厚度不足。如圖24所示，左側0.134 mm，右側0.26 mm，沖連位置偏。

圖24 優化前

優化措施：鉚鉗對中性調整；調整機器人帶鉚鉗模具與工件的垂直度。優化后沖連點位置如圖25所示。

（3）實例3：帶膠鋁件沖連點斷裂，如圖26所示。

優化措施：調整匹配狀態、軌跡檢查，如圖27所示；檢查、修復噴油裝置，如圖28所示；更改設備噴液參數，如圖29所示。

圖25 優化后

圖26 缺陷圖片

圖27 設備軌跡調整

圖28 噴油裝置修復

圖29 噴油參數更改

4.2 沖連常見缺陷及產生原因

沖連常見缺陷及產生原因如表3所示。

表3 沖連常見缺陷及產生原因

5 Clinch沖連點返修

汽車上常用的點焊、凸焊、激光焊、螺柱焊等焊接方式都可以通過焊點補焊或弧焊的方式進行返修。沖連的返修可采用在原沖連點旁補壓一個新沖連點的方式進行，距離原鉚點大約15 mm；或者當位置受限時在零件功能性、表面沒有特殊要求的情況下，將原不合格沖連點移除，重新鉆一個圓孔，通過拉鉚的方式進行返修。沖連工藝的設備運行穩定性較好，設備參數一旦調試完成檢驗合格，后期的質量狀態波動很小，返修量也很少，返修過程如圖30所示。

6 沖連工藝的發展趨勢

隨著工業4.0的到來，鉚接技術將大量應用在航空航天，輪船，五金等制造業中，尤其是在汽車產業異常迅猛發展的今天[5]，伴隨著電動汽車及汽車輕量化、智能化、高性能化的發展需求，為了提高燃燒效率、降低汽車燃料消耗率、節省能源，改善環境以及對汽車安全、可靠、舒適、美觀等方面的需求，鋁合金、復合材料已經在國外及國內汽車行業逐漸采用，且范圍越來越廣，TOX沖連工藝作為延展性好的多種材料連接的必要工藝已在全球范圍內被廣泛應用于奧迪、奔馳、寶馬等高端車型的前后蓋、車門、翼子板等表面覆蓋件區域，它以獨特的冷擠壓變形工藝、成本低、高自動化率、高機械性能等優勢，將在汽車行業中發揮更大的作用。

圖30 Clinch沖連點返修過程

[1]嚴柯科，何曉聰，邢保英，等.輕型車身自沖鉚接頭拉伸剪切實驗的研究[J].機械設計，2012，29（2）：79-82.

[2]PV1607車身Clinch連接接頭評價標準[S].

[3]VW01087 TOX連接標準[S].

[4]汪玲.淺析鉚接技術[J].華東科技：學術版，2015（7）：328.

[5]孫顏良.鉚接技術的現狀與發展[J].科技致富向導，2013（19）：[頁碼不詳].