半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用

摘要 : 介绍了自冲铆接技术的概念、类型、工艺原理以及在汽车车身制造中的应用 , 对自冲铆接和点焊的工艺连接做了比较 , 指出了自冲铆接技术的应用前景。

随着汽车制造业竞争的日益剧烈 , 各汽车制造厂家不断向市场推出新款车型 , 新车型除了突出安全性
好、性价比高、款式新颖等特点之外 , 主要的竞争矛头指向汽车的行驶经济性 . 在过去的 20 a 中 , 汽车制造商一直在寻找解决问题的方法 , 试验证明 , 采用新型轻金属材料实现车身轻量化 , 对改善汽车行驶经济性
是行之有效的 . 同时 , 降低整车质量可使汽车的多种性能得到改善和提高 . 研究表明 , 当整车质量降低
10 % 时 , 燃油经济性提高 3. 8 % , 加速时间降低 8 % ,CO 排放减少 4. 5 % , 刹车距离减少 5 % , 轮胎寿命提高7 % , 转向力减少 6 % [1] . 由此可以看出 , 汽车轻量化的重要性 . 汽车轻量化的重要潜力是在车身的制造中大量使用轻金属和非金属材料 , 例如铝合金、强化塑料等等 . 显然这些材料的连接采用目前的点焊技术不行 , 随之提出采用铆接技术对车身的内外覆盖件连接 . 而传统的铆接工艺都需要对铆接材料进行预冲孔 ,然后再用铆钉进行连接 , 这种铆接工艺复杂、外观质量差、效率低且不易实现自动化 . 自冲铆接
（Self2piercing riveting）工艺克服了传统铆接的弊端 , 实现了冲铆一次完成 , 为汽车车身的连接开辟了新途径 。

国外许多汽车生产企业已经应用了此工艺 , 例如美洲虎汽车公司已经在 X350 系列、 XJ 型豪华轿车的铝制车身上应用自冲铆接技术 , 每辆车至少应用 3 000 个铆钉 ,U K 系列也将陆续应用 , 奥迪汽车公司在私家轿车的铝质车身上至少应用 1 400 个铆钉 . 沃尔沃汽车公司不但有自己的自冲铆接车辆生产线 , 还建成了自冲铆接设备和铆钉生产线 , 并首先在 Volvo FH12 系列重型货车驾驶室应用自冲铆接技术 , 重量比以前减少了 30 % , 每 a 节省 244 ,000 美元生产成本 [2] 。

1 　自冲铆接工艺的类型

1. 1 　实心铆钉的自冲铆接工艺 [3]

腰鼓形实心铆钉自冲铆接工艺 , 如图 1 所示 , 冲头推动实心铆钉一起向下运动 , 铆钉下部的刃口将铆
接材料冲掉 , 置于凹模内落下 , 铆钉到达凹模后停止运动 ; 随着冲头的继续下行 , 冲头下端面的凸台对铆接
材料加压 , 迫使其发生塑性变形而向内做径向流动 , 使其紧紧包住腰鼓形铆钉 , 从而形成稳定的锁止状态 .
这种铆接工艺只用于塑性金属间的连接 。

另 1 种实心铆钉的自冲铆接工艺如图 2 所示 , 其铆钉形状并非腰鼓形 , 但铆钉上有一环形凹槽 . 当冲
头下行至下死点后挤压铆接材料 , 下层的被铆材料受压产生塑性流动充满凹槽 , 而铆钉的上端面则产生
“镦头” , 而将两层材料铆接在一起 . 这种铆接工艺适用于相同金属材料间的连接、不同金属材料间的连接以及非金属间的连接。

1. 2 　半空心铆钉的自冲铆接工艺
半空心铆钉的自冲铆接工艺如图 3 所示 , 压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧 , 防止材料在铆
钉的作用力下向凹模内流动 , 而后冲头向下运动推动铆钉向下刺穿上层材料 . 在凹模与冲头的共同作用下 ,
铆钉尾部在下层金属中张开 , 形成喇叭口形状以便锁止铆接材料 , 达到连接目的 . 半空心铆接工艺铆接两层
相同金属材料时 , 较厚的放在下层 ; 铆接两层不同金属材料时 , 将塑性好的材料放在下层 ; 铆接金属与非金属材料时 , 将金属材料放在下层 . 在汽车车身制造中 , 考虑到具体的生产环境、自冲铆接工艺的特点、连接强度以及所应用材料的物理性质等 , 实心铆钉的铆接工艺有很多自身的局限性 , 所以在汽车轻量化生产中主要应用半空心铆钉的自冲铆接工艺。

2 　半空心自冲铆接件与点焊件连接质量比较

2. 1 　半空心自冲铆接件与点焊件抗静拉力比较

通过对相同材料的焊接件和铆接件进行静拉力试验 , 比较焊接件与半空心自冲铆接件的抗静拉力的情况 . 静拉力试验通常是将连接件的两端分别装卡在材料试验机的两个卡头上进行拉伸 , 测出连接点破坏时的拉力峰值 , 作为其抗静拉指标 [4 2 5] . 针对汽车车身制造的实际情况 , 制作两种连接形式的试验样本 A
和 B , 尺寸和形状如图 4 ,5 所示 , 其中图 5 中 L 为试验时的夹紧长度 , 可以按照试验要求选取 . 连接件的材料匹配如表 1 所示 [6 2 7] 。

       对 A ,B 两种连接形式的试件 , 按照材料分别制成焊接件和铆接件 . 对所有的焊接试件和半空心自冲
铆接试件进行静拉力试验 , 记录试件的最大抗静拉力值 . 对于焊接试件 , 最大抗静拉力值为试件断裂或脱
落时的最大拉力值 ; 对于半空心自冲铆接试件 , 最大抗静拉力值为铆钉脱落时的最大拉力值 . 将 A 形式的
焊接件与铆接件的最大拉力值按照序号制成直方图进行对比 , 如图 6 ; 同理 , 将 B 形式的焊接件与铆接件
的最大拉力值也按照序号制成直方图进行对比 , 如图 7 所示。

通过对图 6 和图 7 的分析可以得出以下结论 :

（1）钢板与钢板间 : 焊接件的抗静拉力能力好于铆接件 , 特别是厚钢板之间的连接 .

（2）铝板与铝板间 : 薄铝板铆接件的抗静拉力能力好于焊接件 , 厚铝板铆接件的抗静拉力能力不如焊接件好 。

（3）A 形式试件的抗静拉力能力好于 B 形式的试件

2. 2 　半空心自冲铆接工艺与点焊工艺其他性能比较

试验证明了对于铝板的连接 , 半空心自冲铆接件无论是抗静拉力还是抗疲劳性方面都好于传统的焊
接件 . 除了以上良好的连接性能外 , 半空心自冲铆接工艺还有其他优点 , 如表 2 所示 . 因此 , 可以充分肯定
半空心自冲铆接工艺将在汽车车身轻量化生产中广泛应用。

3 　结 　　语

通过对自冲铆接工艺的全面介绍及与现在汽车制造行业惯用的电阻点焊工艺进行的全面比较可知 ,
自冲铆接可以进行轻型金属与非金属 ( 如铝和塑料 ) 、黑金属与有色金属、有色金属 ( 如薄铝板 ) 之间的连接 , 总之 , 凡是难于进行焊接的材料都可采用自冲铆接工艺连接 , 且自冲铆接连接点的疲劳极限高于点焊
的疲劳极限 , 能够适应汽车车身承受变频振动的状态 . 在车身生产中 , “自冲”的特点为快速生产和流水线
制造创造了条件 . 该工艺可用于汽车底盘件、汽车覆盖件、车座椅、内饰件之间的连接 , 特别是对于货车车厢板间的连接有重要的意义 . 随着汽车制造业的不断发展 , 各种新型材料的广泛应用 , 自冲铆接工艺在实
现汽车轻量化中将呈现异军突起的势态。