汽车异种材料铆接技术探讨

陈嘉乐

摘 要：无铆钉铆接技术是汽车异种材料连接的重要技术，论文主要对无铆钉铆接新型冲压变形连接工艺成形机理进行分析，然后对接头的分类、质量评价指标进行了详细的介绍;最后对接头质量的工艺参数进行总结，为异种材料铆接技术应用提供有意义的参考。

关键词：无铆钉铆接;异质材料;成形过程;工艺参数

中图分类号：TG938 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0061-02

0引言

随时现代社会的快速发展，汽车的保有量增加，节省资源，解决交通阻塞，防止污染是汽车行业发展的趋势。汽车正向轻量级，洁能，高工艺方向转化。在整车的轻量化改进过程中，应用最广的是采用高强钢、铝合金等轻质合金或异种材料混用，既能增强安全性，增大汽车空间及车身强度，又能达到轻量化改善的目的，提高燃油使用经济性。但存在的问题是，当多种异种材料混用时，由于不同的熔点、物理强度、化学性质，使一般的连接技术受限，需要一种可塑性较强，且对材质的物理和化学性质没有特定要求的连接方法。

无铆钉铆接技术作为一种“绿色”连接工艺应用于汽车，不增加额外器材、冲孔或热处理，利用板件的弹塑性变形特性，仅通过凸凹槽对板件加压，使局部位置变形而达到自锁作用，使板材发生弹塑性变形，而达到可靠连接的技术[1]。如汽车身表面覆盖件的连接：引擎盖板，行李箱盖，前后左右车门，翼子板等;以及车身部分零部件的连接：天窗，雨刮器，座椅挡板，车窗摇杆机构等使用无铆钉铆接技术。

1无铆钉铆接技术的成形机理

无铆钉铆接技术是一种没有热输入的机械冷加工方式，不需要预留孔和附加零件且能耗低，主要利用冲压模具，对两层或三层金属薄板进行冲压连接，在接头成形中，涉及到多重材料的非线性特性，其主要的影响因素是金属材料的塑性。无铆钉铆接的成形过程可分为五部分[2]：

（1）连接件定位阶段：在进行铆接之前，固定连接物件的位置，保证凸、凹模的中心线与铆接点的中心在一条线上，防止板件翘曲、折叠。

（2）塑性变形阶段：上层与下层板料在压力的作用下塑性变形，变形后的材料向凹模内流动，使金属材料发生塑性拉伸，金属晶格产生错位，形成金属硬化现象。

（3）铆接成形阶段：塑性变形之后，上下板件的金属材料在压力作用下向凹模继续流动，在凹模和凸模的共同作用下，上下板料逐渐形成铆接“S”形自锁结构。

（4）墩锻定型阶段：由于材料塑性变形在短时间内形成，为了防止回弹，则凸模需要定型停留一段时间，确保压力恒定，使材料墩锻定型。

（5）撤模阶段：保压定型结束后，需要取出铆接件，将凸模移除，此时完成整个连接过程。

2无铆钉铆接的分类

根据接头形状的不同，将无铆钉铆接分为两种类型：圆形接头式和方形接头式。圆形接头式又可分为直壁整体式、凸凹模分离式和平板式。直壁整体式是凹模为整体，其内壁与底面可垂直，或有较小坡度，这种结构方便脱模，同时利于板件防止其由于大变形而断裂。凹模分离式是凹模由几部分组成内，内壁凹模的开口处的半径比凹模底部的半径更大，形成的斜度与拔模斜度相反，造成板件的接头内嵌更加稳固，但使模具制作成本增加;平板式是凹模的下模为一平板，成本低但承受强度小。方形接头式是接头形状为方形，在拉伸或剪切时，比圆形接头承受力强。但成型时，由于受力不均匀，易便板件受破坏，对于模具的精度要求高，因此应用上没有圆形接头方式广泛。

3铆接接头的评价指标

质量评价对铆接可靠性、应用性具有决定意义。在过大载荷下，铆接接头存在三种失效形式：拉伸失效（拉断和拉脱）、剪切失效和疲劳失效[3]。所以对其质量的评价分为直观评价和间接评价。可通过对接头整体外观、尺寸、强度、金相组织结构等进行判定。从评价性能分类上主要通过视觉目测评价法、特征尺寸测量法、静、动态实验法、疲劳力学法、微观结构评价法及其它方法。

3.1视觉目测评价法

良好的铆接接头，其外观和尺寸满足如下初步条件：

第一，铆接接头外形与凹模相似，接头截面称轴对称形，而且向下带有圆环突起，易于上下板材发生互相嵌合而形成自锁。

第二，无铆钉铆接接头的上下板料均不能有裂紋，否则会影响抗剪切能力和抗拉能力。

第三，上下层板料应保持完整，无冲孔现象。

不合格的铆接类型较多，有侧倾型、穿透型、崩裂型等形式。

3.2特征尺寸测量法

主要通过测量几何参数，如厚度、高度、嵌入量等来判断性能。观察截面的形状、测量底部、颈部厚度值，接头的特征尺寸。如底厚值、颈厚值和嵌入量，这三者同时决定正拉强度和剪切强度。而且颈厚值决定接头的剪切强度，嵌入量决定接头的剥离强度。一定范围内，颈厚值增大时会增加静态剪切强度，相应的嵌入量会相应减小，进而降低剥离强度。

3.3静态实验判定法

通过静态拉伸试验测量最大失效载荷，失效能量，失效形式，抗剪强度等性能指标。各企业进行拉伸试验和剪切试验确定接头的抗拉和抗剪性能，这决定着车辆的安全性能，只有抗拉和抗剪强度都达到相关的标准时，才可达标，方可在汽车上使用。异种材料无铆铆接技术时，可增大板材连接强度，将强度高的作为下层板材，增大铆接的静强度和刚度。

3.4动态实验判定法

通过对无铆铆接动态力学性能测试，研究在搭建异质材料T形连接、十字形或U形连接时的力学特性，对比静态实验性能参数，研究强度等参数变化趋势、冲击速度、失效位移等。

3.5疲劳力学实验法

通过测试在疲劳状态下的力学特性，如静态拉伸，疲劳振动，疲劳失效形式等评估性能工艺参数，对板材厚度、强度、无铆铆钉直径研究在不同疲劳负荷下的失效周期、最优特性等。

3.6微观结构评价法

通过接头切面在显微镜下的形态，大小，分布等金相组织结构判断铆接接头的质量，观察金相组织结构可查找接头质量问题和原因。

3.7其它评定方法

其它评定方法，例如基于力-位移曲线的在线评定方法，通过在线监测力与位移曲线的特征值、特征公差，分析部分参数，如板件间隙、铆接力、或凹模尺寸参数等，实时判定并输出不合格接口类型。

4影响接头质量的工艺参数

从工艺参数上，影响无铆钉铆接质量参数可分为三类：模具参数，板件材料和铆枪控制[4]。

模具参数是决定铆接接头质量好坏的决定性因素。模具参数主要有点径D（凹模直径），凹模深度H，凹模圆角半径尺R，凸模直径d和凸模圆角半径r。在点径D确定的情况下，改变凸模直径d，凸凹模的间隙X也会随之改变，即

X=D-d                                       （1）

当凸凹模之间的间隙X过小，会导致接头颈部厚度太小或冲断，而间隙值X过大，也会使接头嵌入量过小，导致铆接失败，因此需合理选择凸模直径以得到最好接头质量。

对于冲压行程S，由上板厚度dl，下板厚度d2，凹模深度H和接头底厚C决定，见公式2。

S=dl+d2+H-C                                （2）

凹模深度H对接头质量的影响也很大，H过大，容易造成颈厚值较小或冲断，H过小则易使上、下板的材料流动，从而嵌合失败。凹模和凸模圆角半径也会影响铆接过程中材料的流动，进而影响接头的质量。

上下板材的力学性能、材料塑性越好的材料形成的铆接接头质量越好，但塑性增大时，接头强度就会有所下降。其他条件不变时，点径越大则接头的抗拉抗剪强度也越大，但实际应用中点径还受其他条件制约，如板厚、外观工艺以及经济成本等。

5总结

无铆钉铆接在異种材料连接上具有独特优势，避免因熔点、密度等物理、化学性质不同，而产生的连接性能局限。而且操作用效率高，故障率低，便于大规模生产。但也存在一定的局限性，如对材料的塑性要求要高，材料不宜过厚，连接强度不如焊接接头强度高，所以有时需要增加铆接点的个数以提高强度。

参考文献

[1] 高玉娇.汽车车身异质材料无铆钉连接工艺及接头性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2019.

[2] 周璐瑶.基于耐撞性无铆钉铆接接头建模方法研究[D].吉林：吉林大学，2014.

[3] 沈永飞，何冠中，楼铭，等.铝合金与静音钢异种材料匹配无铆钉铆接成形特性[J].机械设计与研究，2018，34（1）：103-106.

[4] 张文城.冲压连接的成形过程及其结合强度的分析[D].重庆：重庆大学，2012.