多材料车身机械点连接技术的应用

段吉超　杨冰　张乙琳　秦兴国

摘 要：车身轻量化是降低原油消耗与尾气排放的必要措施，而轻量化新材料的使用对多材料车身零部件间的连接提出了新的挑战。在这种趋势下，新的车身连接技术不断被开发出来并投入量产应用。常用的白车身零部件连接方式包括点连接、线连接和一般紧固件连接几类。本文介绍了几种典型的多材料车身机械点连接技术，分析了其原理、优缺点、应用和开发进展，并对其选择和应用策略进行了浅析，为多材料车身轻量化设计提供连接方法上的新参考。

关键词：多材料；新工艺；轻量化；机械点连接

中图分类号：TG938 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）06-0075-07

Abstract： Lightweight of automobile body is a necessary measure to reduce oil consumption and exhaust emission. The use of new lightweight materials put forward new challenges for joining of multi-material body parts. In this trend， new body joining technologies have been developed and put into mass production applications. Common BIW parts joining technologies include spot joining， seam joining and general fastener joining. In this paper， several typical spot joining technologies of multi-material body are introduced. Their principles， advantages and disadvantages， application and development progress are analyzed. How to choose them and their application strategies have also been analyzed. New reference on the joining methods for multi-material body lightweight design are thus provided.

Key Words： Multi-material； New technologies； Lightweight； Mechanical spot joining

1 车身轻量化方法及对连接技术的挑战

车身轻量化是在保证车身刚度、模态、NVH等性能要求的前提下，在合适的位置使用合适的材料、工艺和结构，以达到尽可能减轻车身重量的目的。铝合金、碳纤维等轻量化材料的应用使得多材料混合车身成为主流趋势，由于传统点焊、弧焊以及预开孔紧固件的局限性，车身零件的遇到了新的挑战。

传统白车身以钢为主要材质，而电阻点焊因其高效率、低成本、易于自动化等优点在轿车生产中占主导地位，典型钢制车身80%以上装配量由点焊完成[1]。

随着轻量化材料的应用，异种材料在传统焊接时由于电阻、导热系数不同易产生裂纹、气孔等缺陷，还会出现电化学腐蚀等问题，因此有必要开发新的连接技术。从连接形式来分，连接方法可分为点连接、线连接和一般紧固件连接，其中点连接的应用最为广泛，本文介绍几种典型的新型点连接技术，并分析其选取和应用策略。

2 无铆连接与自刺穿铆接技术

机械点连接技术中目前应用较广泛的是无铆连接（Clinching）和自刺穿铆接（Self-piercing rivet， SPR）。这两种技术起源较早，设备与工艺成熟稳定，经济性与材料适应性较强，适合大批量生产，已在国内外车型上广泛应用。

2.1 Clinching

无铆连接又称为冲压铆接，在一个气液增力的冲压过程中，依据板材的挤压塑性变形而使两个板件在挤压处形成一个互相镶嵌的连接点而连接起来，具体过程如图1[2]，分为板料预备、压入成形、板材塑性成形、接頭保压、退模等阶段。

无铆连接工艺灵活性强、不消耗铆钉、经济环保、动态疲劳强度高于点焊、不损伤表面镀层或漆层、耐腐蚀、应用范围广，但通常由于表面凸点明显而不适用于乘客可见区域[3]。当然，现在也有一些低凸起和平点的无铆技术可避免该问题。该技术属于双侧连接，连接过程可自动监控及数据处理和存储，可简便无损伤地对连接点进行质量检测，已在国外大量应用，国内SGM、SVW、DPCA等公司已经在经济型乘用车上广泛采用该技术。由于静态强度较低，通常用于汽车上的覆盖件等非承载部位，如图2所示：

在工业应用中，无铆可应用于厚度为0.1mm的单个板件到总厚度12mm的多层板件组合，可实现高达800N/mm2的抗拉强度[4]。接头质量由很多因素决定，它取决于连接方法、设备、所使用的工装和特定的连接参数，特别是待连接零件的数量、材料强度、厚度与表面条件、接头几何形状、可接触性、连接方向等。

对于无铆连接，接头强度和铆接接头的几何形状间存在因果关系。因此可以通过视觉评价以及几何参数测量来初步判断连接质量。对于普通圆点无铆连接，视觉上要求连接点剖面两侧对称，无铆穿、开裂等缺陷；连接强度主要由嵌入量和颈部厚度两项几何参数共同决定。。较大的嵌入量可以提升正向拉伸强度，而较厚的颈部厚度可以保证剪切方向不易拉破，而这与实际振动、碰撞工况下的要求是相对应的。图3（a）是无铆接头剖面的几何示意图，图中tn、ts、X分别代表颈部厚度、嵌入量和底部厚度。这些值受工装尺寸，如冲头直径、模腔的深度、直径以及上模的位移限值设置等影响。由于实际生产时tn、ts不容易测量，因此一般通过测量接头底部厚度X与凸点外径监测连接质量，如图3（b）。通常tn、ts和X值越大，连接强度越高。对于越厚的板材，为提高连接强度，需要更大的外径。endprint

2.2 SPR和SSR技术

SPR（Self-piercing rivet）也称为锁铆连接，其原理如图4[5]，板料重叠放置，设备定位后加载使板料压紧，接着铆钉在冲头作用下刺穿上层并刺入下层板料，铆钉随下层板料流入凹模后腿部向外伸展，最终翻开锁紧，使铆钉与上下板形成牢固的互锁接头。

SPR為双侧连接，对于裸板、镀层板都适用，可进行两层及以上的材料连接，不需预冲孔，工艺稳定环保，生产效率高。与无铆连接相比，其静态强度更高，可用于车身承载部位的连接。而与电阻点焊相比，其动态疲劳强度更好，不破坏材料表面镀层，不会产生界面硬脆相等焊接问题。该技术对材料适用范围广，对于深冲钢板，抗拉强度可达到500N/mm2，而对于高强度钢板，抗拉强度可达到1000 N/mm2。目前该技术已应用在奥迪Q7、马自达MX5等众多车型上。

SPR工艺材料组合的连接方向是从较薄的材料到较厚的材料、从较硬的材料到较软的材料，这是由铆钉不能刺破底层材料和上下层材料塑性变形形成牢固互锁的要求决定的。此外，铆接过程中还要避免图5（a）封闭型材、（b）垂直翼缘、（c）C形钳无下移空间而直接横向移除、（d）铆接点模具空间不够等几类状况。

2015年ECB会议上奥迪公司展示了Q7车型上应用的SSR（special semitubular riveting）技术，这是一种特别的SPR技术。如图6[6]，该技术具有与普通SPR相似的成本效率（铆钉、送钉系统、限制条件），可实现热成型钢、铝板、铝铸件的三层连接，是少有的几种可实现热成型板与铝板连接的技术之一，可与结构胶配合使用，最大允许单层钢板厚度1.6mm。连接工艺中热成型钢放在中间层，不需要预冲孔，铆钉刺穿并流动扩展后，上层板料流入铆钉半空心环槽内，中间层热成型钢则断裂沉积在铆钉脚部，铆钉不刺穿底层材料。该技术的缺陷是底部凸起可达2.5mm，同时C型钳的重量明显增加，对设备提出新的要求。为缓解C型钳重量增加带来的操作不便，可采用优化减重设计的新型C型钳，如图7（b）所示。

3 新型的机械点连接技术

3.1 FDS?技术

EJOT公司开发的流钻螺丝技术（Flow drilling screw， FDS）作为单点冷连接技术，其原理如图8[7]，通过螺钉的高速旋转接触并软化板材，在轴向载荷作用下，螺丝挤压并旋入待连接的板材，在板料与螺钉间形成紧密的螺纹连接，而中心孔处的母材因此被挤出，在下层板的底部形成环状包围，从而形成牢固的接头。

图9（a）为FDS?螺钉选择的主要参数，S1和S2为上下板厚，b为螺纹有效长度，L为螺丝名义长度。9（b）、9（c）分别为不需要预冲孔的标准型螺丝和需要预冲孔的PKS型螺丝。螺纹有效长度是基于上下板厚来确定的，确定了螺丝的外径和螺纹有效长度，便可以查询到该公司已开发螺丝的名义长度。对于标准型和PKS型螺丝，其b与S1和S2的关系是不同的，标准型的b值会长出一个S2值。

FDS?属于单边连接，一般不需要预制孔，可应用于普通双侧连接不便操作的封闭或半封闭型腔处的连接，使用方便，疲劳性能优于点焊。该技术可用于强度最高达700Mpa的板材、型材的连接。由于螺丝会刺破底层金属，也存在装配干涉与抗腐蚀能力等方面的问题，需要配合适当的防腐工艺实现更好的连接效果。而且操作时冲击力较大，需要有高强度的刚性支撑。当铆接的上层材料强度过高时，由于难以穿透，因此需要预制孔。目前该技术已应用于奥迪的多款车型以及宝马7系[8]等车型，图10为其应用案例。

3.2 RIVTAC?技术

RIVTAC?技术是博尔豪夫公司开发的一种创新的连接工艺，它属于高速螺钉连接（High-speed bolt joining）。由Bollhoff与戴姆勒公司一起开发并用于奔驰C级的冲钉技术也称为ImpAcT（Impulse Accelerated Tacking）。该工艺简单快速，不需要预冲孔，带有倒刺的铆钉在压缩空气作用下可加速到20-40m/s，铆接时间与周期非常短，同FDS工艺一样需要高强度的支撑，适合单侧进入的中厚板连接。图11为该工艺的工序图，主要包括定位、刺入、穿透、铆紧4个步骤。

如图12，与连接方向相同的材料流动形成一个锥状突起环抱在钉体前端，而与连接方向相反的材料则会聚集在钉帽下端的环形空槽内，这就避免了切屑的不良影响，同时具有较高的铆接强度。铆钉的进入速度可以通过可调的压力进行控制以适应不同的材料类型与厚度。为保证待铆接材料能够承受下压冲击力而不发生不良变形，一个先决条件就是待连接件具有足够刚度。该工艺的缺点是连接时冲击噪声较大，而且需要较强的刚性支撑。连接方向为从较薄的材料到较厚的材料，从较软的材料到较硬的材料。该工艺的接头质量同样可通过目视或断面观察来判断，另一种质量控制办法是在线全程监控。

3.3 Automatic Blind Riveting

抽芯铆钉（Blind Riveting）技术是一类单面铆接用的铆钉，须使用专用工具（即拉铆枪）进行铆接。铆接时芯轴由专用铆枪拉动，使钉体膨胀，从而起到铆接作用。传统的抽芯铆钉连接前需要预制孔，工序较多不利于大批量生产。

Gao等人[9]最先进行了FSBR相关研究，如图13、14[10]，FSBR（Friction stir blind riveting）技术是一种利用搅拌摩擦热效应与铆钉物理膨胀相结合的工艺，在此过程中，铆钉高速旋转并垂直刺破待连接的材料表面，被移除的材料会填充到铆钉头部空心部分，而在钉头穿透材料后留下一个比钉头直径稍大的孔洞，然后铆钉剩下的部分以一定的速度被送至目标位置（例如当钉帽接触工件表面时）。之后，芯轴被拉回到一个点，这个点就是预设缺口破裂的位置。在此过程中，钉体扩张，工件借此锁紧，形成一个紧密的连接点。相对于FDS工艺依靠部分螺纹连接，FSBR依靠钉体膨胀锁紧带来更大的正拉强度。但是由于巨大的穿透力，FSBR仍然需要在工件背面有一个刚性的稳固支撑。endprint

相對于传统抽芯铆钉，FSBR工艺不需要预冲孔，适合于封闭型腔处的连接。澳大利亚联邦科学与工业研究组织[11]、美国夏威夷大学[12， 13]以及兰州理工大学[14]等对铝合金、镁合金、高强钢以及复合材料的FSBR工艺开展了大量研究，验证了该工艺的可行性。然而，FSBR工艺过程十分复杂，包括铆钉的旋转、进给、回抽以及芯轴移除等过程，目前的研究都是通过数控机床实现铆钉的旋转与进给，并手动完成回抽与芯轴移除。如何实现FSBR工艺的自动化并保证其运行的可靠性与稳定性是亟待解决的问题[15]。

Min等人[16] 研究了一种新的自动抽芯铆钉技术，如图15，该技术基于FSBR的铆钉作了3处改进：第1处改变是弯曲的芯轴端部被切开，新的端部更锋利，其内部坡度与垂直的芯轴壁呈θ角；第2处改变是在铆钉端头的圆周方向互呈90度存在4个窄缝，每个缝隙宽2a高h；第3处改变是钉杆从原始直径d1减小到略小于芯轴头部直径d2。前两处改变是为了减小穿透力，第三个改变为避免在钉杆穿透芯轴尖端在工件上留下的孔时产生更大的穿透力，因此钉杆直径不能比芯轴头部直径大。由于FSBR方法依赖铆钉端部对工件的切破作用，通过铆钉端部的合理设计，穿透力可以明显降低，以此保证理想的单侧连接。这种新的铆接工艺是对FSBR的进一步发展，该工艺中通过铆钉端部和工件之间的摩擦对工件局部进行加热，摩擦热使得穿透力明显降低，而且新技术比传统FSBR接头剪切强度更高。

4 机械点连接方法的比较与策略浅析

本文介绍的几种多材料机械点连接技术各具特点，具有相似又不同的适用性，可进行同种及异种材料的有效连接，将其归纳、比较和分析，如表1所示。

综上，机械点连接是不同于热连接的另一种技术路线，设备种类型号多，投入可根据零件设计、位置、成本等灵活选择。采用合适的机械点连接技术，可以有效避免界面硬脆相、焊接变形与应力集中、电偶腐蚀、涂层破坏等焊接问题。

SPR和Clinching已经在国外车企广泛应用，并在国内部分合资品牌应用。SPR可在部分结构件位置替代点焊，尤其是采用铝合金铸件替代传统冲焊件的减震器支座、后桥横梁等位置，钢铝异种金属的连接适合采用SPR配合结构胶复合连接。而随着铝合金板在机罩盖等位置的大量应用，需要采用Clinching进行连接。国产车型逐步采用铝合金零件，更为SPR和无铆提供了用武之地。

抗拉强度低于700MPa和延伸率大于8%的钢板可通过无铆、无铆与胶复合、锁铆工艺连接，并达到不错的承载能力。但是随着材料强度的提高和延伸率的下降，实现可接受的颈部厚度和互锁尺寸越来越困难。由于热成型零件与铝铸件未大量商业化接触应用，SSR技术目前尚未有较多的研究报道，该技术可用于解决热成型钢和铝合金的多层连接问题。而FDS适用于门槛、中通道等双侧连接不便进行的型腔处的连接，国内个别车企已经在做应用研究。RIVTAC和自动抽芯铆钉技术目前应用案例不多，自动化程度和设计干涉要慎重考虑。机械点连接技术通常需要配合结构胶使用，可以显著提高接头抗剪切载荷和防腐蚀能力，但是在正拉方向上并未有所加强，因此如何选用要与实际工况相匹配。

如何选择以上技术方案及实施目标是一个复杂的工程，需要各企业根据自身的成本策略、材料与工艺应用等技术路线合理取舍和配合应用，才能有助于轻量化和NVH等技术的进步。

5 结论

（1）车身轻量化可从材料、工艺、结构等方面展开工作，混合材料的应用使得多材料车身成为轻量化主流趋势；

（2）材料的多样化使异种材料及轻质材料自身的连接遇到新的挑战，机械点连接技术是替代传统电阻焊解决多材料连接的有效方案；

（3）如何取舍和组合应用新型机械点连接技术需要企业根据自身成本策略、技术路线等因素综合考虑。

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