SPR技術(shù)板材開裂問題的分析研究

閆旭東

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

半空心自沖鉚接（Semi-Tubular Punch Riveting）屬于機械連接，業(yè)內(nèi)簡稱SPR技術(shù)，在汽車領(lǐng)域很早就得到了應用。由于沒有熱輸入，可以有效地規(guī)避熱連接所帶來的板材變形等問題，同時可以應用于異種材料的連接，是汽車車身中最常用的連接方式之一。

在實際生產(chǎn)中，由于SPR技術(shù)實現(xiàn)了異種金屬的連接，尤其是鑄鋁件很容易因為高壓而開裂，因此對于鑄鋁件的各項性能指標要求很高。本文力求從材料、參數(shù)以及鉚點位置等相關(guān)方面探索板材開裂的原因及相關(guān)的預防辦法。同時，也對板材進行了一定的探究，通過試驗來解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。

如圖1所示，板材開裂及鉚點開裂，會影響鉚點周邊的材質(zhì)狀態(tài)，導致強度關(guān)系最大的咬邊出現(xiàn)問題，屬于較為嚴重的質(zhì)量問題。因為SPR鉚點經(jīng)常是配合涂膠工藝發(fā)揮作用，因此在涂膠工藝出現(xiàn)問題時，鉚點的強度更需要得到保證。

圖1 板材開裂典型展示

板材對開裂的影響

在實際生產(chǎn)中，我們經(jīng)常遇到由半空心自沖鉚帶來的板材開裂問題，半空心自沖鉚的鉚接壓力較大（一般壓力都在70kN左右），因此對于板材的一些要素要求是非常高的。如圖2所示，我們選取了與開裂零件總成同一個批次的零件進行研究分析，由于同一批次零件由相同的條件鑄造而成，因此對于我們材質(zhì)分析，有普遍意義。

圖2 選取的研究板材批次

借助供應商實驗室及我們現(xiàn)場的設備，進行了一系列的檢測試驗，對于可能造成板材開裂的因素進行了逐次分析如下。

1.X-Ray檢測試驗

如圖3所示，通過X-Ray檢測后發(fā)現(xiàn)沒有可見的壓鑄缺陷。

圖3 X-Ray檢測下的零件狀態(tài)

2.角部型面三坐標尺寸測量

如圖4所示，通過三坐標手段進行了尺寸測量，同時厚度也進行了測量，基本上保持在±0.5mm的尺寸公差范圍內(nèi)。

圖4 同批次零件角部型面測量

3.合金成分分析

委托零部件供應商進行了合金成分分析發(fā)現(xiàn)，各組分都在合理范圍之內(nèi)（見表1）。

表1 板材合金元素分析（質(zhì)量分數(shù)） （%）

4.拉伸及折彎試驗

實驗結(jié)果見表2，發(fā)現(xiàn)本批次零件折彎角度不穩(wěn)定，與供應商一起對零件部分進行了整改，將零件粗胚的渣包加大，同時噴涂涂膜劑后，吹氣時間增加1s，并要求增加角部金相監(jiān)控，以便改善折彎角度不穩(wěn)定的狀態(tài)。

表2 同批次板材的折彎角測試

5.斷面形態(tài)顯微試驗

斷面材料的起伏比較大，微觀缺陷很難識別出來，因此我們從斷面一側(cè)取樣研磨，在放大200倍的顯微鏡下觀察，如圖5所示。可以看到組織不致密，存在微小的孔洞，分析原因，可能是模具渣包偏小，冷料、涂模劑以及水汽可能沒有完全排出，壓鑄參數(shù)設置時，吹氣時間過短，模具上殘留的水汽可能沒有吹干。

圖5 200倍顯微狀態(tài)下的斷面形態(tài)

通過以上一系列試驗，對于板材的材質(zhì)、組分、尺寸及微觀組織等進行了各項研究，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織和力學性能指標對于開裂有重要影響。

位置對開裂的影響

如圖6所示開裂狀態(tài)，由于現(xiàn)場鉚槍位置限制，鉚點的位置距離下層板邊緣較近，這種情況容易引起開裂，通過調(diào)整鉚點位置，可以有效地避免自沖鉚造成的板材開裂，降低對車身強度的影響。

圖6 位置引起的板材開裂

圖7 半空心自沖鉚位置要求

邊距aK與中心距aM一般在允許的情況下越大越好，同時隨著板材厚度的增加，該邊距也需要增加，對于φ3mm和φ5mm的鉚釘來說，一般aK不得＜4mm，極限情況也不得＜2mm。

鉚接速度對于板材開裂的影響

如圖8所示，在板材開裂的時候，測量pH值（釘帽和板材的高度差）在-0.13（高于板材是正值，低于板材是負值），我們可以對參數(shù)進行優(yōu)化，接下來查看鉚接速度。

圖8 開裂對應的高度值變化

如圖9示，將速度從320mm/s降低至310mm/s后，鉚接pH變化，但是pH值保持在標準范圍（±0.25）內(nèi)，經(jīng)過剔試檢測，質(zhì)量是合格的，但因此產(chǎn)生的壓力降低，那么對于板材開裂問題的解決，是很有幫助的。但是參數(shù)只是對于板材開裂問題有一定幫助，如果本身材質(zhì)有問題，那么即使降低壓力，板材開裂問題也不會得到改善了。

圖9 更改速度后的高度值變化

垂直度對開裂的影響

SPR技術(shù)是利用鉚桿和鉚模的擠壓，形成咬邊結(jié)構(gòu)，從而起到連接作用的，因此鉚桿與鉚模是否對中，以及鉚模與板材是否貼合，是影響質(zhì)量的重要因素。一般情況下，鉚槍的對中，都是在安裝之前就調(diào)試好的，因此更需要關(guān)注鉚模與板材貼合、板材表面狀態(tài)，板材表面粗糙會導致貼合困難，這時候需要移動鉚點位置，并用塞尺（0.1mm）測量板材與鉚模間隙，保證貼合與垂直度。

圖10 板材表面與垂直度的影響

結(jié)果分析總結(jié)

經(jīng)過試驗驗證，以及現(xiàn)場驗證，我們得出了半空心自沖鉚鉚點板材開裂的影響因素，見表3。

表3 板材開裂的影響因素

在具體生產(chǎn)中，開裂問題需要結(jié)合實際情況調(diào)查分析，尤其是板材問題調(diào)查周期比較長，為了保證生產(chǎn)，我們經(jīng)常會在其他影響因素上作出一部分具體修改，尤其是參數(shù)和鉚點位置，沒有一定的標準，需要根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。

結(jié)語

本文對半空心自沖鉚原理，設備以及質(zhì)量檢查等情況進行介紹，并著重分析了鉚點板材開裂的影響因素。板材的壁厚、折彎角、合金成分以及渣包大小等都會對開裂造成影響。鑄鋁件模具更換周期較短，在模具使用后期，問題會比較突出，對于各項考核更應該嚴格執(zhí)行。此外，設備本身的參數(shù)設置、現(xiàn)場鉚點的位置，以及板材貼合等都會對開裂造成影響。在生產(chǎn)實際中，需要對以上因素進行靈活把握，避免出現(xiàn)批量的質(zhì)量問題。