白车身新材料连接工艺介绍
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作者: 沈波
摘要：本文针对车身轻量化新材料发展趋势，介绍自冲铆接和旋转攻丝铆接两种新兴的白车身连接工艺，重点分析了新工艺的特点，为该技术的推广提供借鉴。
关键词：电阻点焊；自冲铆接；旋转攻丝铆接
前言
随着节能和环保意识越来越强，轻量化车身已经成为汽车发展的趋势之一。在世界铝业协会提出的报告中明确得指出，汽车重量每减轻10%，则可降低6-8%的油耗，并且降低5%的排放。汽车轻量化通常采用以下方式，优化汽车结构设计，采用新型材料。相对而言，采用轻质高强材料来替代传统的钢材是最有效的方式。
在汽车上使用的新材料以高强钢（HSS），超高强钢（AHSS），铝材为主。比如原来GM6093M180AHD60G60GE在等强原则下采用GMW3399MSTSCR780T/420YDPHD60G60GU，厚度可以大大减薄，从而使板材的重量得以大幅下降。对于铝材，在满足相同使用和机械性能条件下，它比钢轻60%，例如奥迪A8轿车在采用铝质车身后，整车的质量可以减少15%。
这些新材料的使用而带来的减重效果对汽车的性能来说是一个大飞跃，不过随着新材料的使用，传统的点焊方式也受到了极大的挑战。特别是针对铝合金材料，由于其电阻率低，导热率高，电阻点焊方式难以形成合格的熔核。于是产生了一些新的机械连接方式，例如搅拌摩擦焊，空心铆接，自冲铆接，旋转攻丝铆接等。本文主要针对后两种连接方式，着重介绍其工艺特点及质量控制特性，为其广泛应用提供参考。
1.新工艺介绍
1.1自冲铆接
1.1.1自冲铆接工艺介绍
自冲铆接工艺是一个在铆钉与两层或多层板料之间形成牢固互锁的冷成型工艺，不需板材进行预开孔，简称SPR。单个铆接周期的步骤见图1。
图1：自冲铆接周期
启动：在设备启动时，上模垂直向下运动，铆钉此时是被固定在压套内。
接触工件：当压套接触到板材时会保持一个较小的压力，让板材贴合得更为紧密，同时压套内铆钉在冲头的推动下，位置开始发生变化。
铆接前半周期：板材和铆钉在冲头的推动下，依照下模内腔的轮廓逐渐形成接头。
铆接后半周期：在接头快要结束，由于铆钉压入板材的原因，压套将对板材施加高压力，以确保板材的不变形。
上模返回：铆接结束后，压套离开板材上表面3mm，冲头返回起始位置，下一个铆钉被送入并定位，设备进入准备状态。
1.1.2影响自冲铆接质量的因素
对于SPR，接头部分质量的好坏主要是和下面3个因素相关：
铆钉的选择：铆钉是根据板材的厚度，硬度来选择。目前使用的铆钉有2种。?3长度4-8mm，适用于翻边较小，表面质量要求高的区域。铆点最大容许总厚度钢材3mm，铝板6mm。?5长度5-14mm，适用翻边大，铆点厚度超过?3或强度要求高，铆点最大容许总厚度钢材6mm，铝板 12mm。铆钉的表面有复合机械合金涂层（防止AL-Steel电化学腐蚀）。
工艺参数：工艺参数包括铆接压力和铆钉位置，在铆接的过程中，随着铆钉位置的变化而需要铆接压力的调整，它们之间的关系见图2。
图2：铆接压力与铆钉位移关系
凹模的选择：凹模选择则主要根据铆钉和板材信息，来确定一个合适的内腔型面。
1.1.3自冲铆接工艺特性
SPR它适用于多种材料连接（钢、铝、塑料）；AL SPR铆接点的静态强度、疲劳强度均高于等厚AL板材RSW电阻点焊强度；它属于单步工艺，CT时间短2S（纯铆接时间）；能耗低，绿色工艺；工艺质量过程可以进行监控并能及时提供报警功能，将质量溢出风险控制的最小。
但是此工艺也是有一定的局限性；只能使用C型的铆接枪；对于不同的材质、厚度、硬度的接头组合需要不同的铆钉和冲头及凹模；设备投资和铆钉成本较高，铆钉约0.7RMB/个；接头处不能含有脆性材料；凸模处板材是铝材则要求其延伸率必须大于12%；铆点对翻边宽度的要求比RWS高。
1.1.4设备构成
SPR的设备由铆接枪，控制箱，送料子系统/料带，控制和通讯电缆，执行机构等部件。可支持手动和自动两种工作方式。
铆接枪：根据控制器的命令，提供设定的压力将铆钉压入板材。铆接枪的动力分液压和伺服马达两种，最大可提供6吨的压力；枪的C型框架结构主要是根据工件的外形来设置，以便枪能顺利达到铆点在工件上的位置。
控制器：保存预设的程序和监控铆接过程，发现异常进行报警。根据机器人的指令，让铆接枪按事先设定的程序进行铆接；控制送料器按要求进行送钉。
送料机：通过送料管，按控制器要求进行送钉。手动方式则采用料带方式送钉。自动方式则可以选用送料管或者盘式送料。
机器人：运动机构，让铆接枪能到达正确的铆接点。
1.2旋转攻丝铆接
1.2.1旋转攻丝铆接工艺介绍
旋转攻丝铆接是一种通过高速旋转使板料热变形后攻丝铆接的冷成型工艺，简称FDS。此工艺单个周期的具体步骤见图3。
图3：旋转攻丝铆接周期
加热：通过螺钉的高速旋转，对零件表面开始加热。
穿透：随着温度的升高，螺钉开始向下旋入软化的金属板材。
翻边：最终螺钉穿透板材，软化的金属在螺钉头部周围形成翻边。
螺纹成型：螺钉降低转速，对零件翻边进行攻丝。
螺纹咬合：攻丝结束，螺钉和螺纹相互咬合。
紧固：按规定的扭矩把螺钉拧紧在零件上。
1.2.2质量关键点
同样对FDS而言，要得到一个良好质量的接头，关键和下面几个参数相关。
螺钉的选择：螺钉的种类很多，是根据工艺设计、板材厚度、板材材质及工作方式来确定。比如EJOT的BS系列螺钉，它适合的范围就是适用于手工或机器人工位；设计上可以不要求有预留孔；高强度的中碳钢，板材厚度在0.4-1.5mm；铝材和镁材的厚度在0.8-2.0mm。所有FDS的螺钉都是经过特殊的感应加热高频淬火的处理，目的是提高螺钉表面硬度从HV320提高到HV450-HV600。 工艺参数：工艺参数包括转速（N）、压紧力（F）、扭矩（M），每个工艺参数在具体的6个步骤中数值是发生变化的，具体情况参见图4。
图4：旋转攻丝铆接各参数关系
1.2.3工艺特性
FDS可以代替气保弧焊，以便减少零件和焊缝的变形；它属于单面连接工艺，设计上可以同时接受预开孔和没有预开孔；可连接不同的材料，主要是AL和钢的接头；连接过程中的旋转摩擦生热使得攻丝旋转扭矩低；大的螺纹接触面从而产生大的旋紧扭矩；连接头处水密性和气密性好；动态承载性强；攻丝后产生的螺纹可以重复使用；可用公制的螺纹攻丝工具进行螺纹返修。
工艺的局限性在于连接点处需要高的刚性支撑；工艺周期时间长，大约为5-8秒；设备投资比传统的点焊高；螺钉成本，1.2RMB/个；工艺完成后连接点正反面都有较大凸起；对于工装设计，在正面铆接方向需要较大的进枪空间；接头中含有铝材质，则铝材只能放置在底层；接头中不能还有脆性材料；车身设计中无预开孔，则攻丝方向只能采用“软到硬/薄到厚”的原则。
1.2.4设备构成
FDS的设备由铆接枪，控制箱，送料子系统，控制和通讯电缆，执行机构等部件。只限于自动的工作方式。
铆接枪：根据控制器的命令，提供设定的压力和扭矩将螺钉旋转并拧入板材。铆接枪的动力有两个马达，一个用来提供压力最大可提供1.5吨的轴向压力，另外一个则提供高达5000RPM的转速和20N/M扭矩。
控制器：保存预设的程序和监控铆接过程，发现异常进行报警。根据机器人的指令，让铆接枪按事先设定的程序进行铆接；控制送料器按要求进行送钉。
送料机：通过送料管，按控制器要求进行送钉。手动方式则采用料带方式送钉。自动方式则可以选用送料管或者盘式送料。
机器人：运动机构，让铆接枪能到达正确的铆接点。
2.连接点性能对比
在下面的表中（见表1）分别在连接点性能、设备投资、设备能力和对环境影响四个方面进行了对比。通过对比可以看出新工艺除了在投资和运营费用上比点焊要贵而其他各方面都不低甚至优于点焊。
3.结论
白车身新材料的应用推动了新的连接方式的发展，自冲铆接和旋转攻丝铆接正是在这种背景下产生的。通过以上分析，初步了解了自冲铆接和旋转攻丝铆接的工艺，设备，接头特性，也明确了工艺特点及质量控制方法；通过与电阻点焊全方位的对比，也为工艺开发初期设备选型提供了很好的参考。
参考文献：
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[2]Ejot gmbh. Ejot fds[J].2008，4-6
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