勺子的英文
10.16638/jki.1671-7988.2019.11.053
钢铝车身自冲铆接接头质量影响因素浅析
王建军，沈波
sdrs
（上汽通用汽车有限公司，上海200120）
摘要：自冲铆接(SPR)是钢铝车身制造的主要连接工艺。文章介绍了自冲铆铆接质量的评判标准及影响铆接质量几个主要因素——铆钉、铆模、板材特性和冲铆速度，并重点对这几个因素是如何影响钢铝车身铆接点质量的进行了分析。
关键词：自冲铆接(SPR)；铆接参数；冲接速度；铆模；铆钉
中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)11-165-04
Analysis of Quality Influence Factor of Self-piercing Rivet for Steel-Aluminum Body
Wang Jianjun, Shen Bo
( SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 200120 )
Abstract:Self-piercing rivet is the main process for steel-aluminum. The quality standard of joint point is introduced. Rivet, rivet die, material property and riveting speed are main factor influencing quality. How tho factors influence rivet quality is analyzed in this paper.
Keywords: lf-punching riveting (SPR); riveting parameters; punching speed; riveting die; rivet
CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)11-165-04
1 引言
随着国家排放要求的不断提高，排放指标带给各汽车主机厂的压力变得越来越大。所以降低传统车油耗、发展新能源车成为各主机厂两个主要攻坚方向。不论是油耗还是新能源车续航里程，除了和发动机或电池性能有关外，车身的重量也是一个至关重要的影响因素。钢铝混合车身兼顾了车身的强度和减重，成为实现车身轻量化的一个重要手段，而SPR （自冲铆接）则是实现钢铝两种材料连接的首选工艺之一。
2 SPR工艺
2.1 SPR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。
自冲铆接分为五个过程，如图1所示：
启动：冲铆枪的铆鼻和铆模沿冲铆方向向板材移动；
夹紧：铆鼻和铆模夹紧板材，保证板材紧贴铆模；
穿刺：铆杆推动铆钉穿刺上层板材并进入底层板材；
扩张：底层板材受到铆钉挤压后进入铆模，在铆模的约束下铆钉扩张并与底层板材形成机械互锁结构；
开枪：当铆接完成后冲头返回，铆鼻和铆模打开。
图1 自冲铆接过程示意图
自冲铆接工艺的特点是，铆接完成快速高效，板材连接稳固耐久，涂层镀层保护良好，密封性能优异，特别适合于不易和无法进行焊接的板材组合之间的连接；铆接过程中噪音低、无烟气火花产生，属于环境友好型工艺。
作者简介：王建军，男，硕士研究生，就职于上汽通用汽车有限公
司整车制造工程部车身工艺科。
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汽车实用技术
166 2.2 SPR 对铆接点板材组合的要求
从图1可以看出，铆接的过程最关键的是铆钉腿的扩张和底层板材的成形。为了保证铆接的质量的稳定性，通常建议铆接方向是由硬的材料铆向软的材料（钢到铝），由薄的材料铆向厚的材料，且底部板材的厚度要大于板材组合厚度的1/3；另外结合铆钉的强度、底层板材的成形性，对上层和底层板材的强度也有要求：上层板材强度不能大于DP800的强度，底层板材强度不能大于DP600的强度。
对于钢铝车身的铆接点来讲，通常有以下板材组合形式：钢-铝、钢-钢-铝、铝-钢、铝-钢-钢，如图2所示。
图2 钢铝车身的典型板材组合
其中铝-钢、铝-钢-钢组合都是从软的材料铆向硬的材料，并不是SPR 工艺建议的板材组合，但是受制于钢铝车身结构的限制，这两种组合是不可避免的，而且其中的钢板材基本上都是高强钢、超高强钢。因为高强钢、超高强钢的成形性相对较差，这两种板材组合的铆接质量控制难度也较大。 2.3 SPR 质量评判标准
SPR 铆接点质量的检查通常有两种检查方法：目视检查和测量检查。
目视检查目视检查主要是铆接点的外观检查，检查铆接点是否存在漏铆、铆偏、边缘铆、叠铆、翻铆、开裂（铆穿）。
测量检查主要是检查铆接点底层板材完成铆接后的厚度A，铆钉与上层板材机械互锁的宽度B ，铆钉头相对与上层板材的阶差F ，如图3所示。其中A 、B 值必须通过金相检查完成，F 值可以通过金相检查，也可以利用特殊的工具直接在铆接点上测量。这里要说明一下：图3中右图是钢铝车身比较典型的铆接点形式，其机械互锁是通过中间板材和铆钉实现的。
图3 铆接点控制质量主要评判参数
在上述质量评判标准中，漏铆、铆偏、边缘铆、叠铆、翻铆主要取决于机器人示教和铆接设备本身的稳定性、防错性能，而且发生的频次很低，不在本文讨论范围内。铆接点是否存在开裂(铆穿)，铆钉
头的阶差F 、底层板材的厚度A 、底层板材和铆钉的互锁量B 是否合格直接影响到铆接点的性能，是质量控制的重点和难点。
3 SPR 铆接点质量影响因素分析
3.1 SPR 铆接点工艺参数
根据SPR 工艺的特点以及铆接点质量评判标准，影响铆接点质量的因素主要有铆钉型号、铆模型号、板材特性和冲铆速度，这些参数一般先通过试片验证得到初步数据或确认，然后再在实车验证阶段进行优化，当然对铆钉型号和板材的优化前提是要满足产品的综合性能要求。 3.2 铆钉的影响
钢铝车身SPR 用的铆钉根据其直径分为Ø3 和Ø5两大类型，其中Ø3铆钉的长度范围是4-8mm ，Ø5铆钉的长度范围是5-14mm 。铆钉的型号在产品设计阶段会根据板材的硬度和组合初步选定，并在试片实验阶段进行初步验证，然后在实车验证阶段最终确认。铆钉对铆接质量的影响有两个方面，一是铆钉自身的质量是否合格，另外一个是铆钉的选型合适。如果本身的质量不合格会出现铆钉腿卷缩和铆钉腿崩裂的缺陷，如图4所示。如果铆钉型号选择不合适（主要是长度），则和可能会造成底部板材开裂（铆钉偏长）或互锁宽度不够（铆钉偏短）的缺陷，如图5所示。这两类问题引起的缺陷都会影响铆接点的力学性能，所以必须避免。
铆钉腿卷缩 铆钉腿崩裂
图4 铆钉腿质量不合格引起的缺陷
铆接点底层板材开裂 互锁宽度不合格
图5 铆钉长度选择不合适引起的缺陷
3.3 铆模的影响
SPR 铆模一般分两种类型——环形山铆模和平底铆模，如图6所示。这两种铆模通常是根据板材的特点选用的。环形山铆模的底部形状有利于铆钉底部的扩张和底层板材的流
bitterheart动成形，所以选用的比较多。但是底部为环形山形状时，实际上是增加了底层板材的拉伸量，所以当底部板材是成形性不好的材料时，如超高强钢、铸铝，通常会选用平底铆模，这主要是为了降低底层板材在成形过程中开裂缺陷的产生。
队长英文铆接点的质量除了与铆模的形状有关外，还与铆模的关键尺寸有关。如图7所示，这些关键尺寸分别是：铆模凹陷直径D 、铆模凹陷深度H 、铆模环形山高度H1（只针对环形山铆模）。D 值的大小主要是铆钉的大小决定的，但是也可以
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四级准考证
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根据实际情况在一定范围内调整。当H 、H1不变D 值增大时，底层板材可拉伸变形的区域也相应增大，有利于得到满足要求的底层板材厚度A(图3)，减少开裂的情况发生；H 、D 不变H1增大时，有利于铆钉口的扩张，增加和板材的互锁宽度B （图3），但同时会增加底层板材的开裂风险；H1、D 不变H 值变化时，底层板材的变形量也会发生变化，从而影响到铆钉头的阶差F （图3）的变化。
环形山铆模 平底铆模
图6 铆模类型
图7 铆模的关键尺寸
铆模的型号最好能和板材组合一对一，这样只需针对一种板材进行选型，实车调试时也相对容易些，但这样会导致SPR 枪数量的增多，从而大大增加生产线的投资，同时降低设备的利用率。所以在钢铝车身SPR 工艺中经常会出现一种铆模对应不同的板材组合，如图8所示。
图8 使用同一种铆模的不同板材组合
3.4 板材特性的影响
在试片验证阶段，试片是从冲压前的板材上截取的，厚度、硬度等参数基本上等于名义值，也就是说初版铆接参数是基于板材参数在名义值状态下得出的。但是在冲压成形过程中，板材的部分区域的厚度会因为材料拉伸减小，局部硬度会因为冲压硬化增加。当该板材是底层板材时，因为板材特性的变化很可能会影响到铆接点的质量。
图9是某钢铝混合车身A 柱内板的部分零件，该零件作为底层零件与侧围外板（铝板）之间通过SPR 工艺连接。在实车验证阶段发现铆接点3底部开裂频次较高，通过调整冲铆速度甚至更换铆模也无法有效改善。于是对开裂铆接点及附近铆接点处板材的厚度及硬度进行了测量。表1是名义值和测量值的对比，该零件板材的名义厚度是1.5mm ，材料是DP600，其HV 硬度在200-240之间。测量后发现铆接点3
处板材的硬度达到了290，厚度降低到了1.2mm ，而这两点变化都会影响到铆接质量。在对该零件的冲压工艺进行优化后，该位置板材的硬度和厚度都接近于名义值，铆接点的开裂问题随即得到了解决。所以在产品的同步工程阶段要通过CAE 手段，尽早地分析出板材减薄率、硬度变化大的地方，并通过优化冲压工艺减少这两个因素的变化。
图9 A 柱内板及开裂的铆接点 表1 硬度和和厚度测量值
3.5 冲铆速度的影响
图10 不同冲铆速度下的铆接点断面 表2 不同冲铆速度下的铆接点断面尺寸
在铆钉型号、铆模型号、板材组合确定好后，冲铆速度是最直接的控制铆接质量的参数。图10是钢铝车身中一种板材组合在不同冲铆速度下铆接点的断面，表2中记录了不同速度下铆接点的铆接状态和几个衡量指标的测量值。从断面状态和测量值中可以看到：当冲铆速度增加时，铆钉腿的扩张程度随之增加，反映在测量数据上就是铆钉头的高度降低，铆钉与板材的互锁量增加；同时底层板材的拉伸量随着铆钉腿扩张程度的增加而增加，导致底部板材的厚度降低。提高冲铆速度可以增加铆钉与板材的互锁程度，这是有利与提高铆接强度的；但这样同时会降低底层板材的厚度，底部厚度变小会增加板材开裂的风险，这是对铆接强度是不利的。所以在参数调试阶段需要通过不断试验，验证出最佳的冲铆速度，同时使互锁量和底部板材厚度满足要求，从而得到符合质量标准的铆接点。在实际生产过
程中不可能频繁的对铆接点进行断面检查，可以通过利用高度仪对铆钉头高度进行测量来监控铆接点质量， （下转第174页）
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betty是什么意思174图7为Y430焊丝焊缝区20倍金相图。图中下侧和左侧
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区域为排气管母材，焊肉和母材之间的融合线非常清晰，焊肉组织晶粒整体相对较细，具有树枝晶特征，这是奥氏体不锈钢焊缝组织的典型特征。
图8 1.4370焊丝焊缝区50倍金相图
图9 1.4370焊丝焊缝区100倍金相图
融合线清晰可见，这是异质焊的主要问题之一，此区域可能有杂质偏聚，结合强度会大大低于其它区域。
图8、图9为1.4370焊丝焊缝区50倍及100倍金相图，如图焊缝区树枝晶组织较细。
4 总结
对比三种不同焊丝焊缝区的金相组织，结论如下：ivt
（1）焊丝与母材融合性：1.4511＞Y430＞1.4370；
雅思听力评分（2）焊肉晶粒细密度：1.4370＞1.4511＞Y430。
综上，1.4511焊丝与JFE-MH1材料焊接融合性较Y430及1.4370焊丝更好，且柱状晶粒较Y430更细密，力学性能上更好；1.4370焊丝在焊缝区与母材异质状态明显，会降低对焊接后零件的耐高温特性。
参考文献
[1] A.Miyazaki,J.Hirasawa,O.Furukimi.用于汽车排气歧管的高耐热、
高成形铁素体不锈钢JFE-MH1[J].世界钢铁,2006(02):68-72. [2] JFE的不锈钢[S].JFE钢铁株式会社.
（上接第167页）
因为高度值能间接地反映互锁量及底部板材的厚度。另外SPR设备在铆接过程中会实时反馈冲铆峰值载荷——Peak Force，从表2中可以看出，峰值载荷也能间接反映冲铆的质量状态。
4 结论
铆钉、铆模、板材特性和冲铆速度是影响SPR铆接质量的几个主要因素，钢铝车身中很多铆接点都是由铝板铆向高强钢的，这类板材组合对参数的敏感度较通常的组合要高，质量控制难度大，在前期及实车验证阶段需要结合不同因素的具体影响进行铆接参数调试及优化。
参考文献
[1] Henrob. Processing guide[J].2009,4-10.
[2] 吴小丹等.铆速对SPR自冲铆接接头成形性能的影响[J].机械设计
与制造,2017(2):210-217.
