吳小丹，王　敏，孔　諒，王大明

（1．上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240；2．上海拖拉機內(nèi)燃機有限公司，上海200433）

SPR自沖鉚接技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

吳小丹1，王敏1，孔諒1，王大明2

（1．上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海200240；2．上海拖拉機內(nèi)燃機有限公司，上海200433）

SPR（Self-Piercing Riveting）自沖鉚接技術(shù)作為一種新型連接工藝，廣泛應(yīng)用于汽車車身制造中。闡明SPR工藝研究的難點和鉚接的變形過程，歸納總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于SPR的相關(guān)研究現(xiàn)狀，探討接頭質(zhì)量的評價指標及方法，探究未來SPR工藝研究的方向和研究重點，并列舉SPR工藝在汽車工業(yè)與其他領(lǐng)域中的應(yīng)用。

自沖鉚接；汽車車身制造；質(zhì)量評價

0　前言

近年來在汽車制造工業(yè)中“輕量化”已成為發(fā)展的趨勢，車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性等方面都有很大的益處。實現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵在于“多材料結(jié)構(gòu)”的設(shè)計，即在車身不同的位置使用不同的材料[1]。鋁合金憑借其低密度、高強度、耐蝕性等性能，得到了汽車制造商的青睞，并在車身設(shè)計制造中得到了廣泛的應(yīng)用。

鋁合金能否快速應(yīng)用于汽車行業(yè)很大程度上取決于鋁連接工藝的發(fā)展，特別是關(guān)于鋁鋼異種材料的連接工藝。SPR自沖鉚接工藝克服了傳統(tǒng)鉚接工藝外觀差、效率低、工藝復(fù)雜等缺點，實現(xiàn)沖、鉚一次完成，連接過程不破壞板材的鍍層，為汽車車身的連接開辟了新途徑[2]。目前，SPR技術(shù)已成為歐美高端車型制造中的關(guān)鍵連接技術(shù)之一，并且成熟應(yīng)用于寶馬、奧迪、沃爾沃和美洲虎等汽車的鋁鋼混合車身連接中，其中美洲虎鋁制車身連接中SPR鉚釘?shù)氖褂靡堰_3 000多個。

為了使SPR工藝得到更廣泛的應(yīng)用，在此針對已有的國內(nèi)外SPR工藝技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行歸納、總結(jié)，提出未來SPR工藝研究發(fā)展的重點趨勢。

1　SPR工藝過程及特點

1.1SPR工藝簡介

SPR工藝是通過液壓缸或伺服電機提供動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ψ饔孟屡c鉚釘發(fā)生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，從而形成穩(wěn)定連接的一種全新的板材連接技術(shù)。

根據(jù)鉚釘?shù)男螤?，SPR自沖鉚接工藝可以分為：無鉚釘自沖鉚接、實心鉚釘自沖鉚接、半空心鉚釘自沖鉚接。在汽車車身連接中，既要考慮連接靜強度和疲勞強度又要考慮車身輕量化，因此大多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)選擇將半空心鉚釘自沖鉚接工藝應(yīng)用于輕量化汽車車身薄板的裝配。在此主要介紹半空心鉚釘自沖鉚接工藝。

1.2SPR工藝研究的難點

SPR工藝的力學(xué)特點決定了鉚接質(zhì)量，與鉚釘、模具、板材、沖壓設(shè)備等因素有關(guān)。影響鉚接接頭性能的主要工藝參數(shù)如圖1所示[3]。

圖1　自沖鉚接工藝參數(shù)

SPR工藝的研究內(nèi)容主要是工藝參數(shù)的確定，研究各種工藝參數(shù)對鉚接接頭連接強度的影響，有利于鉚接工藝的設(shè)計和工藝參數(shù)的優(yōu)化。基于自沖鉚接工藝過程的研究表明，SPR技術(shù)的研究存在以下難點和主要問題：

（1）鉚接設(shè)備的核心部位是沖頭和凹模，鉚釘形狀的設(shè)計直接決定了接頭的結(jié)合形式。當需連接的板材選定時，如何選取鉚接設(shè)備和工藝參數(shù)使其達到最佳匹配效果是最主要的難點。

文獻[4]提出了板材-鉚釘-模具的順序設(shè)計思路，在重復(fù)大量的試驗基礎(chǔ)上，定量地闡述了鉚接過程中主要工藝參數(shù)制定的原則，涉及到板材的選取，鉚釘、沖頭和凹模的設(shè)計計算。該設(shè)計體系較為特別，是目前國內(nèi)研究中普遍認可的設(shè)計思路。

（2）國內(nèi)SPR工藝設(shè)備及鉚釘大部分是從國外（如英國Henrob公司）直接購買，部分工藝參數(shù)無法更改，這就導(dǎo)致一些創(chuàng)新性試驗無法進行，只能采用模擬手段進行分析。因此，國內(nèi)需自主研發(fā)SPR工藝設(shè)備，配套設(shè)計不同材料和形狀的鉚釘，深入研究該項技術(shù)，盡快使該項技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)汽車的制造中。

2　SPR國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外的研究包括：SPR接頭形成機理、SPR工藝參數(shù)以及接頭質(zhì)量評價方式。

2.1SPR接頭形成機理

2.1.1接頭的形成過程

SPR工藝過程如圖2所示，其中圖2a為半空心鉚釘自沖鉚接工藝整體結(jié)構(gòu)示意。可將鉚接過程分為四個階段[5]，分別如圖2b～圖2e所示。

圖2　自沖鉚接工藝流程

（1）夾緊階段。

壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，與此同時，鉚釘也在沖頭的驅(qū)動下垂直向下對板料進行預(yù)壓緊，如圖2b所示。

（2）沖刺階段。

沖頭向下運動，推動鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形，如圖2c所示。

（3）擴張階段。

隨著鉚接過程的進行，鉚釘腿部逐漸張開，下層板料發(fā)生塑性變形逐漸填充入凹模。在沖頭和凹模凸臺的共同作用下，鉚釘腿部向周圍擴張，嵌入下層板從而形成了鉚釘與板料間的機械互鎖結(jié)構(gòu)，如圖2d所示。

（4）沖鉚完成。

當沖頭將鉚釘下壓至鉚釘頭與上層板料的上表面緊密接觸且平齊時可以認為鉚接完成，此時壓邊圈釋放壓邊力，沖頭將返回初始工位，沖鉚結(jié)束，如圖2e所示。

2.1.2SPR接頭處板材和鉚釘變形特點

上下板材在鉚釘與凹模凸臺的作用下沿沖頭下壓方向發(fā)生了塑性變形，并且板材與鉚釘接觸的周邊，塑性變形程度較大。文獻[6]從微觀組織角度指出，鉚釘腿部周圍板材晶粒發(fā)生了細化，并伴隨有加工硬化現(xiàn)象產(chǎn)生。越靠近鉚釘腿部，晶粒越細小，并且晶粒細化方向沿切應(yīng)力方向，即垂直于沖頭下壓方向，這也導(dǎo)致接頭整體的抗剪切強度明顯優(yōu)于抗剝離強度。

文獻[7]從應(yīng)力應(yīng)變的角度分析了鉚接過程的變形特點，指出鉚接過程中應(yīng)力相對于應(yīng)變來說變化較大，應(yīng)力主要集中在鉚釘尾部以及與鉚釘接觸部位的變形板料，因為在這些部位產(chǎn)生的變形較大。高應(yīng)變集中在鉚釘尾部周圍，鉚釘和板料在高應(yīng)變處產(chǎn)生劇烈變形，鉚釘尾部逐漸張開并嵌入板料。

2.2SPR工藝參數(shù)優(yōu)化

通過優(yōu)化鉚接過程中工藝參數(shù)，理論上可以得到需要的接頭質(zhì)量和連接強度。關(guān)于工藝參數(shù)的研究主要包括：鉚釘腿部直徑和長度、凹模直徑和凸臺高度、板材強度和排列順序、沖壓載荷和速度等對接頭質(zhì)量和連接強度的影響。自沖鉚接工藝試驗影響因素眾多、難以量化，文獻[8]構(gòu)建了自沖鉚接工藝參數(shù)的評價指標體系，建立了比較矩陣，確定了各項評價指標的權(quán)重。并采用試驗數(shù)據(jù)驗證評價方法的正確性，得出自沖鉚接工藝參數(shù)重要度排序。

鉚接接頭截面形貌如圖3所示。其中，底切量、底部厚度和剩余厚度是評價鉚接質(zhì)量和連接強度的主要評價參數(shù)[9]。底切量是指鉚接完成后，鉚釘腿部外邊緣到被鉚釘剪斷的上層板的下邊緣點的水平距離。底切量越大，鉚釘腿部嵌入下層板越深，鉚釘與下層板所形成的機械互鎖程度越高，鉚釘接頭的連接強度就越高。底部厚度是指鉚釘腿部尖端到下層板底部的軸向厚度。剩余厚度為鉚釘腿部內(nèi)側(cè)下層板最薄處的厚度。底部厚度和剩余厚度用來評價下層板在鉚接后的強度和密封效果，數(shù)值過小說明下層板強度不足，可能會產(chǎn)生裂紋。

圖3　接頭截面形貌

（1）鉚釘腿部直徑和長度均受鉚接板料總厚度影響，一般鉚釘腿部直徑應(yīng)比被鉚接板料的總厚度大1～2 mm，鉚釘總長度應(yīng)比被鉚接板料的總厚度大2～2.5 mm[10]。鉚釘腿部越長，嵌入下層板就越深，接頭的底切量增大，導(dǎo)致接頭剪切強度增大，但腿部過長會刺穿下層板，導(dǎo)致鉚接失效。

文獻[11]通過研究鉚釘材料硬度和腿部尖端尺寸兩個參數(shù)，指出鉚釘腿部變尖時，接頭底切量增大，底部厚度增大，剪切強度增大，但接頭剝離強度變化不大。鉚釘材料硬度增加時，底部厚度減小，接頭底切量變化不大，但鉚釘腿部張開角度變小，導(dǎo)致剪切、剝離試驗時鉚釘容易從下層板中剝離，發(fā)生自鎖失效。

（2）凹模對鉚接效果的影響主要通過改變凹模直徑和凹模凸臺高度來實現(xiàn)。直徑的變化影響凹模型腔的體積，凸臺高度的變化則影響鉚釘腿部張開的角度。

文獻[12]通過9組正交試驗方法：分別固定兩個參數(shù)、變化一個參數(shù)，分析相應(yīng)參數(shù)對鉚接效果的影響。試驗指出，鉚釘長度是影響底切量和底部厚度的最主要因素，模具直徑主要影響接頭的剩余厚度。直徑增大時，鉚釘腿部擴張及下層板在模具內(nèi)流動所受到的阻力減小，因而鉚釘腿部張開的越大，剩余厚度隨之上升。凸臺高度較小時，鉚釘腿部張開角度減小，鉚接形狀較差，導(dǎo)致接頭的靜強度減小。

對于平底凹模，文獻[13]通過調(diào)整模具側(cè)壁的傾斜程度來改變模具的容積和邊角的銳化程度，邊角越圓滑，模具越淺，板材產(chǎn)生的裂紋就越少，接頭的剪切強度和疲勞強度也就越高。同時，該研究指出當模具改變時可通過調(diào)整其他工藝參數(shù)來實現(xiàn)相同的鉚接效果。

（3）鉚接過程中，上下板材和鉚釘共同發(fā)生變形，因此板材的材質(zhì)性能應(yīng)該與鉚釘性能匹配。由于上層板被沖裁，下層板發(fā)生較大變形，因此要求上層板的硬度不能高于鉚釘?shù)挠捕?，下層板要具有良好的塑性成型能力。文獻[14]通過研究上下層板料不同的放置順序，指出鉚接兩層相同金屬材料時，較厚的放在下層；鉚接兩層不同金屬材料時，將塑性好的放在下層；鉚接金屬與非金屬材料時，將金屬材料放在下層。

文獻[15]通過研究AA6111+NG5754+NG5754三層板接頭在不同的布局型式下接頭強度的變化，指出G111型布局可得到最高的接頭強度，并且在拉伸過程中接頭可吸收較多能量，布局型式如圖4所示。不同的布局型式會導(dǎo)致接頭的失效形式不同。對于G12型接頭，剪切試驗發(fā)生自鎖失效，剝離試驗則出現(xiàn)上層板材失效；對于G21型接頭，兩種試驗下均發(fā)生自鎖失效；而對于G111型接頭，剪切試驗出現(xiàn)中間板材撕裂失效，剝離試驗則出現(xiàn)自鎖失效，鉚釘腿部從下層板中脫離出來。

圖4　板材不同布局型式下的接頭強度試驗

文獻[16]認為板材的涂層會對接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響，通過研究HSLA350鋼板中電鍍層和鍍鋅層對鋁合金NG5754板與HSLA350鋼板之間鉚接接頭質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)鍍層影響了以鉚釘頭部高度、底切量和剩余板厚等參數(shù)表示的接頭質(zhì)量。同時，通過觀察接頭截面發(fā)現(xiàn)，如果要得到優(yōu)化的接頭質(zhì)量需要在鉚接時對有、無鍍層的板材連接采用不同的工藝參數(shù)。

（4）沖壓速度是鉚接過程中較為容易控制的參數(shù)，文獻[17]指出鉚速對接頭質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在應(yīng)變速率對斷裂應(yīng)力和材料加工硬化的影響上。鉚速過大時，鉚釘腿部加工硬化現(xiàn)象明顯，材料的強度和硬度增加，導(dǎo)致塑性變形困難，因而底切量減小，甚至直接刺穿下層板材。

沖壓載荷峰值波動性較大，一般會隨著凸臺高度、模具深度以及沖壓速度的增加而增加，隨模具直徑的增大而減小[18]。沖壓載荷較大時，沖頭下壓位置增大，會使鉚釘頭部嵌入上層板中更深，導(dǎo)致接頭的剪切強度和剝離強度增加。Dae-Wook Kim[19]等人以降低沖壓載荷為目的研究了自沖鉚接過程的力學(xué)特性，通過研究不同板材溫度、厚度對沖壓載荷和接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)鉚釘?shù)淖冃瘟Q定了沖壓載荷峰值的大小，適當增加板材溫度有利于降低沖壓載荷。

2.3SPR接頭質(zhì)量評價方式

2.3.1破壞式檢測法

破壞式檢測法是一種鉚后線下檢測的方法，包括破壞性力學(xué)試驗和截面觀察法。破壞性力學(xué)試驗法是對鉚接好的試件進行拉剪、剝離、疲勞試驗以獲得其鉚接接頭強度，并與接頭設(shè)計強度進行比較。截面觀察法是對鉚接接頭截面的間隙大小、裂紋缺陷、底切量等形貌特征進行觀察測量，以評價鉚接質(zhì)量[20]。此種檢測方法最直接可靠，但效率低代價高，無法實現(xiàn)100％檢測，因而不適用于自動化大規(guī)模生產(chǎn)中的質(zhì)量檢測。

2.3.2在線監(jiān)測法

在線監(jiān)測法是目前國外普遍應(yīng)用的一種方法，其本質(zhì)是通過監(jiān)測鉚接過程中沖壓載荷-位移曲線來評價自沖鉚接質(zhì)量。Liebig[21]提出該想法后，Hou[22]等人系統(tǒng)性地研究了自沖鉚接過程中載荷-位移曲線的特征與工藝參數(shù)、操作誤差之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)不同的鉚釘長度、板材厚度、模具形狀等具有不同特征的載荷位移曲線，通過觀察載荷位移曲線可以判斷自沖鉚接加工中的工藝故障。

目前，這種方法被Henrob，Bollhoffs和Orbitforms等主要鉚接設(shè)備制造廠商開發(fā)應(yīng)用于自沖鉚接在線監(jiān)測產(chǎn)品，即通過破壞性試驗確定部分接頭質(zhì)量合格鉚件，并提取其沖壓載荷-位移曲線建立力-位移曲線公差帶，之后鉚接過程中監(jiān)測力-位移曲線的變化，比較其與公差帶的位置關(guān)系來判斷鉚接接頭質(zhì)量好壞。如Henrob公司的Henrobs RivMonTM質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測控制界面如圖5所示。

圖5　Henrobs RivMonTM質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)控制界面

此外，Paul Johnson[23]等人將視覺識別技術(shù)應(yīng)用于質(zhì)量監(jiān)測，但僅用于監(jiān)測鉚釘位置以避免空鉚、偏離等導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

2.4SPR連接過程數(shù)值模擬

有限元模擬方法在分析鉚釘、板材變形情況，研究各參數(shù)對接頭質(zhì)量影響機理方面具有很大的優(yōu)勢。

R.Porcaro[24]運用LS-Dyna軟件，建立二維軸對稱模型，研究兩層板材鉚接成形過程，并采用相同的參數(shù)進行對比試驗。結(jié)果表明，模擬與試驗過程的力-位移曲線相吻合，接頭截面形貌相差不大，證明了模擬結(jié)果的準確性。

N.H.Hoang[25]在建立相同模型的基礎(chǔ)上，對比了鉚接過程中不同的凹模對模擬結(jié)果的影響，指出凸臺凹模和平底凹模模擬結(jié)果的力-位移曲線與試驗結(jié)果存在相同的差異性，主要發(fā)生在鉚釘擴展形成穩(wěn)定鉚扣的最后階段，可能是試驗過程沖壓載荷較大導(dǎo)致鉚接設(shè)備發(fā)生彈性變形引起。

M.Langseth[26]利用LS-Dyna建立了一個三維模型，并且配套兩個加持端，以此來研究自沖鉚接接頭在準靜態(tài)和動態(tài)載荷下的變形特點。

歲波[27]根據(jù)有限元的計算，分析了鉚接接頭周圍的板材翹曲變形現(xiàn)象。通過模擬不同壓邊圈外徑和壓邊力的情況下板材的翹曲變形，指出當壓邊圈外徑和模具外徑相當時，板材翹曲最小，證明了板材的翹曲是由于壓邊力過大引起的板材局部塑性變形所造成的。

3　SPR自沖鉚接技術(shù)的應(yīng)用

3.1SPR工藝在汽車車身裝配中的應(yīng)用

目前，電阻點焊是連接鋼板車身結(jié)構(gòu)的主要方法，但隨著輕型材料如鋁、鎂合金及一些非金屬材料在車身設(shè)計制造中的應(yīng)用，電阻點焊難度大大增加，甚至于無法應(yīng)用。特別是關(guān)于輕型金屬與非金屬連接（如鋁合金和塑料）、黑色金屬與有色金屬的連接、可焊性差的、預(yù)先涂漆或有鍍層的黑色金屬之間的連接，自沖鉚接工藝就表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢[28]。

“自沖”的特點為快速生產(chǎn)和實現(xiàn)流水線制造創(chuàng)造了條件，該工藝可用于汽車底盤件、汽車覆蓋件、車座椅、內(nèi)飾件之間的連接，特別是對于火車車廂板間的連接具有重要的意義。該工藝在汽車鋁制車身連接中的應(yīng)用如圖6所示。隨著汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型材料的廣泛應(yīng)用，自沖鉚接工藝在實現(xiàn)汽車輕量化中將呈現(xiàn)異軍突起的勢頭[2]。

圖6　SPR連接汽車鋁制車身生產(chǎn)

3.2SPR工藝在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

SPR工藝已成熟應(yīng)用于汽車制造工業(yè)中，還涉及到軌道交通、房屋建筑甚至日常生活用品。英國Henrob公司已將該技術(shù)用于房屋建造和交通標志的固定中。

在房屋建造中，鋼結(jié)構(gòu)變得普遍，傳統(tǒng)的激光焊或者螺栓連接都需花費較多時間和成本，質(zhì)量也并不一定可靠。SPR工藝在節(jié)省時間和成本的基礎(chǔ)上，不產(chǎn)生工業(yè)廢料，并且保護鋼材的鍍鋅層不被破壞，保證了鋼材的耐腐蝕性。

一交通道路標志如圖7所示。采用傳統(tǒng)的沉頭鉚釘進行連接不僅耗時、費用較高，還會破壞標志的反光面。采用SPR工藝，快速簡單，并且保護了標志的反光面，連接強度也符合預(yù)期要求。

圖7　SPR工藝應(yīng)用于交通標志牌連接

4　結(jié)論

目前國內(nèi)外學(xué)者已在鉚接過程力學(xué)行為、工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響方面進行了大量的相關(guān)研究工作。需進一步研究探討的是：SPR鉚接接頭缺陷分析，疲勞行為、時效現(xiàn)象對接頭強度的影響機理等。此外，國內(nèi)還應(yīng)自主研發(fā)SPR鉚接設(shè)備并且建立完善的檢測系統(tǒng)，便于該技術(shù)在國內(nèi)汽車制造工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

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Research status and application prospects of SPR technology

WU Xiaodan1，WANG Min1，KONG Liang1，WANG Daming2
（1.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Tractor&Internal Combustion Engine Co.，Ltd.，Shanghai 200433，China）

SPR，as a new connection technology，is widely used in vehicle body manufacturing.Based on the analysis of the characteristics of SPR，illustrate the difficulty of SPR technology research，and analyze the deformation process.Conclude the domestic and international research status of SPR in recent years，discuss the indexes and method to evaluate joints quality，explore its future research focus of related process，and finally list the application of SPR in automotive industries and other fields．

self-piercing riveting；vehicle bogy manufacturing；quality evaluation

TG938

C

1001－2303（2016）04－0031-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.07

2014-10-16；

2015-01-08

吳小丹（1990—），女，陜西寶雞人，在讀碩士，主要從事鋁鋼異種金屬半空心自沖鉚接技術(shù)的研究。