無鉚連接技術在金屬防火門行業的應用可行性研究

摘要：簡要介紹了無鉚連接技術原理，闡述了金屬防火門行業的無鉚連接技術應用現狀，分析了無鉚模具參數的確定及測試樣板制作過程，并按照標準對試制樣板進行了可靠性及耐火性能測試，結果完全符合要求，證明了無鉚連接技術可以應用于裝甲門及鑄鋁門等金屬防火門行業。

關鍵詞：無鉚連接技術;金屬防火門;門芯板

1 無鉚連接技術原理

無鉚連接技術是金屬板材連接中應用的一種新型技術，在電梯箱體、家用電器外機體以及轎車白車身等方面的金屬板材連接中得到了廣泛應用[1]，以代替傳統的點焊、電阻點焊及拉釘鉚接技術。無鉚連接技術原理如圖1所示，由5個過程組成[2]，在壓力作用下，凸模擠壓板材進入凹模型腔，由于凹模是由中間的模心與四周的活動瓣組成，隨著凸模施加于板材的壓力不斷增大，板材發生塑性變形，充滿凹模型腔，并將下模活動瓣向外圍推動，經過一個保壓過程，在上下層板之間能夠形成鼓形的“紐扣”，使上層板料鑲嵌到下層板料之中，從而形成一個既無棱邊、毛刺，又無應力集中現象的牢固不可拆卸的連接圓點。

無鉚連接技術主要是通過對材料進行冷擠壓，使金屬流動形成需要的型體。路東昕[3]等對圓點無鉚連接與點焊連接的強度進行了研究，得出圓點無鉚單點的靜態強度是單點點焊強度的70%，但是動態強度超過點焊。黃志超[4]等就電阻點焊、自沖鉚接與無鉚連接3種連接方式的強度針對不同的材料進行了研究，得出電阻點焊接頭的抗剪性能優于自沖鉚接和無鉚連接接頭，而自沖鉚接接頭強度優于無鉚連接接頭的結論。沈永飛[5]等對無鉚連接接頭的失效型式進行了研究，發現了3種失效型式，針對每一種失效型式的原因進行了分析，得出在下層板不變的情況下，隨著上層板厚度逐漸增加，鉚接點失效的模式由上層板紐扣壓潰失效逐漸向界面斷裂失效、下層板塑性變形失效過渡，鉚接點的強度逐漸增強的結論。劉亞麗[6]在研究無鉚連接失效的基礎上，得出影響無鉚連接點強度的關鍵參數是底厚值、互鎖參數與頸厚值，并且底厚值越大，無鉚連接點的剪切強度與抗拉強度越大，互鎖參數越大，可以保證拉出強度與靜態強度高的結論。

2 金屬防火門行業的無鉚連接技術應用現狀

在金屬防火門行業，各結構件的連接多采用點焊和電阻點焊連接方式，而隨著90后逐漸成為就業大軍的主力，焊工這個崗位的吸引力越來越小，同時，由于焊接造成的煙塵與光輻射比較大，隨著國家環保要求的提高，迫使金屬防火門行業改進連接工藝。金屬防火門行業普遍使用的材料一般為鍍鋅板和電解板，這些都是低碳合金鋼，材料延展率超過12%，材料厚度在0.8～3 mm，材料組合厚度在1.8～4.5 mm，是無鉚連接技術使用比較成熟的材料組合，普通員工就可以操作，所以將無鉚連接技術引進到金屬防火門行業具有一定的可行性。

但是目前無鉚連接技術在金屬防火門行業應用較少，主要由以下幾方面的原因造成：（1）2019年8月國家對防火門在采取自愿性認證之前采取強制性認證方式，嚴格要求了防火門產品工藝結構的一致性，采用點焊方式的金屬防火門工藝結構很難滿足無鉚連接要求，采用無鉚連接技術必須改變金屬防火門的工藝結構，變更產品結構意味著每一款防火門主型都要在國家指定消防產品檢測中心重新進行型式試驗，取得合格實驗報告后，再向國家消防產品合格評定中心重新申請證書，不僅費用較高而且周期較長，實力一般的工廠很難承受這樣的壓力。（2）鑒于金屬防火門的特殊結構，門芯板的所有鉚接點的圓型凸點必須在門芯板內部，所以將骨架鉚接在門芯蓋板上面（門芯蓋板的材料厚度為0.8 mm，骨架材料厚度為1.5 mm），將鉸鏈位補強板鉚接在骨架上面（補強板厚度為3 mm），這樣材料厚度小的板材在靠近凸模一端，會影響鉚接點的強度，能否符合金屬防火門對鉚接強度的要求還需要測試驗證。（3）鑒于無鉚連接技術對材料延展性的要求，如果使用再生鋼材，因材料的延展性不一致會影響鉚接質量，所以各種配件的材料必須采用全新材料進行生產，無形中增加了材料成本。

3 無鉚模具參數的確定及測試樣板制作

3.1? ? 不同材料組合與模具參數確定

裝甲門的隔熱耐火完整性主要取決于其鋼質門芯板的隔熱耐火完整性，利用無鉚連接技術制作測試樣板的鋼質門芯板。由于鋼質門芯板使用的材料為0.8 mm、1.5 mm鍍鋅板及3.0 mm的冷板，鉚接材料組合為0.8 mm+0.8 mm，0.8 mm+1.5 mm，1.5 mm+0.8 mm，1.5 mm+1.5 mm，1.5 mm+3.0 mm等4種，每一種組合之間材料的厚度不同，為了保證鉚接點的強度能夠滿足要求，要選取每一種材料組合模具的最佳參數。將幾種材料制作成40 mm×120 mm的標準試樣，如圖2所示。

鉚接模具選用BTM凹模分瓣結構，選用6 t氣液增壓缸，調節進氣壓力，控制氣液增壓缸的輸出壓力，每一種材料組合采用同一壓力。根據鉚接點強度確定3個關鍵參數，即底厚值（X）、互鎖參數（As）與頸厚（C1）的實際測量數據，橫剖每一個鉚接樣板的鉚接連接點，如圖3所示，實際測量每一個鉚接連接點的底厚值（X）、互鎖參數（As）與頸厚數（C1），確定每一種材料組合的最佳上下模具參數。

3.2? ? 鋼質門芯板采用無鉚連接方式的工藝結構設計

根據無鉚連接工藝要求，兩種材料搭接的重疊部分的寬度不小于16 mm，并且是開放結構，以方便上下模具閉合。鋼制門芯板的工藝結構如圖4所示。

鉚接順序：首先將門芯板的鉸鏈邊及鎖邊的長骨架與門芯板蓋板1鉚接在一起，其次將上下端短骨架與長骨架及門芯蓋板1鉚接在一起，然后放置防火隔熱材料在門芯板內，涂防火膠水，再將門芯板蓋板2蓋合，同時將上下短骨架與門芯板蓋板2鉚接完成，用冷壓機膠合，完成門芯板的制作。

4 采用無鉚連接技術的成品防火門性能測試

4.1? ? 可靠性測試

采用的試件為防火隔熱裝甲門，尺寸為2 253 mm×1 068 mm×128 mm，門扇重量為120 kg，檢測設備為河北方盾儀器設備有限公司生產的防火門可靠性試驗裝置。將試件牢固安裝在可靠性測試裝置上面，每次開啟角度為70°，進行開啟閉合測試，每完成一個循環的周期為8～14 s。經過500次循環后，裝甲門沒有出現松動、脫落、嚴重變形和開啟卡阻現象[7]，證明鉚接的連接強度滿足要求。

4.2? ? 耐火性能

采用試件為防火隔熱裝甲門，尺寸為2 400 mm×1 100 mm×128 mm，按照防火隔熱甲級標準進行測試，按照《門和卷簾的耐火實驗方法》（GB/T 7633）標準進行測試，測試地點為廣州國家消防產品檢測中心。經過90 min的測試，試件的背火表面平均溫升為79.0 ℃（標準為≤140 ℃），試件背火表面的最高溫升為102.0 ℃（標準為≤180 ℃），耐火隔熱性能合格。試件的背火面未出現火焰，同時也未出現貫穿至實驗爐內的裂縫，耐火完整性合格[7]。

5 結語

本文針對無鉚連接技術在金屬防火門行業的應用，特別是防火隔熱裝甲門的門芯板制作的可行性進行了研究，包括使用材料的可行性，不同組合材料匹配的模具參數確定，門芯板的工藝結構設計，并按照標準對試制樣板進行了可靠性及耐火性能測試，結果完全符合要求，證明了無鉚連接技術可以應用于裝甲門及鑄鋁門等金屬防火門行業，進而開發出無焊點門扇結構，可以實現裝甲門與鑄鋁門防火門的快速量產。

[參考文獻]

[1] 馮玉濤，趙卯，單紅，等.無鉚釘鉚接技術在轎車白車身制造中的應用研究[J].汽車工藝與材料，2014（8）：1-8.

[2] 戚桂悅.無鉚釘鉚接成形參數對連接強度及疲勞壽命的影響分析沖[D].長春：吉林大學，2009.

[3] 路東昕，寧生科，馬保吉，等.板件圓點沖壓連接技術及其應用[J].西安工業學院學報，2002，22（4）：288-291.

[4] 黃志超，劉曉坤，夏令君，等.自沖鉚接、無鉚釘鉚接與電阻點焊強度對比試驗研究[J]中國機械工程，2012（20）：2487-2491.

[5] 沈永飛，李昊，熊志明，等.輕量化薄板無鉚釘鉚接的力學性能及接頭斷裂機理[J].機械設計與研究，2018（1）：99-102.

[6] 劉亞麗.無鉚釘連接技術研究及有限元模擬[D].南京：南京航空航天大學，2005.

[7] 防火門：GB 12955—2008[S].

收稿日期：2020-03-25

作者簡介：楊照軍（1971—），男，河南泌陽人，工程師，研究方向：無鉚及穿刺鉚接技術及金屬防火門耐火穩定性。