王人和，謝明達(dá)，劉偉偉，張瑋，蔡曉輝

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

近年來，汽車電動化及智能化進(jìn)程越來越快，汽車產(chǎn)品生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及制造周期也極大地縮短，車身中鋁合金零件比例增多，高速射釘鉚接技術(shù)由于工藝簡單，可以完成“鋼-鋁”焊接，工藝時間短、單面鉚接及無有毒有害副產(chǎn)品產(chǎn)生的特點(diǎn)，得到了極大的關(guān)注和使用。北京奔馳自2013年開始應(yīng)用高速射釘鉚接技術(shù)，歷經(jīng)多種車型的更新迭代，該技術(shù)能夠在極短的周期內(nèi)完成生產(chǎn)線工藝過程，現(xiàn)場安裝調(diào)試，通過質(zhì)量優(yōu)化，配合機(jī)器人自動涂膠技術(shù)，即可達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

本文通過車型實(shí)例，總結(jié)該連接技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量要求，并提供相關(guān)質(zhì)量問題解決思路及辦法。

技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

高速射釘鉚接是一種純機(jī)械的連接方法，可實(shí)現(xiàn)從板材單側(cè)進(jìn)行連接，連接的材料可以為鋼板、鋁板或鑄鋁件，為了提高鉚接質(zhì)量強(qiáng)度，通常會同時使用高速射釘鉚接和結(jié)構(gòu)膠。圖1是高速射釘鉚的簡化鉚接過程。

圖1 高速射釘鉚接連接過程

在鉚接操作之前，鉚槍以一個預(yù)設(shè)的預(yù)緊壓力頂在零件上，鉚接的連接步驟過程可以分為5步：

1）射釘槍頭壓緊板件。

2）鉚釘接觸并破壞板件。

3）鉚釘刺穿所有板件。

4）材料拉伸形狀形成。

5）釘帽到達(dá)預(yù)定位置，鉚接過程結(jié)束。

鉚接所用的鉚釘尺寸及樣式如圖2所示。在鉚接的過程中，高壓氣體進(jìn)入鉚槍，通過壓縮空氣加速活塞撞針，以最大20kN的力撞擊鉚釘，使鉚釘以20～40m/s的速度壓入工件。由于慣性，鉚釘可以在不引起零件整體變形的條件下實(shí)現(xiàn)薄板零件的連接，鉚釘?shù)募舛四軌虼掏赴宀摹?/p>

圖2 鉚釘尺寸及鉚釘構(gòu)成

在鉚接連接的過程中，連接區(qū)域的板材會沿著鉚釘?shù)囊苿臃较蚧蛳喾捶较虺史派錉钜苿?。板材材料會填充進(jìn)鉚釘螺紋之間的空間，形成鉤連結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到穩(wěn)定的連接形態(tài)。高速射釘鉚接過程實(shí)際發(fā)生時間非?？?，從鉚釘?shù)捻敿饨佑|第一層板材到釘帽接觸第一層板材，整個過程時間僅為2ms。這種鉚釘與板材間的短時間劇烈摩擦變化會產(chǎn)生大量熱，進(jìn)一步加大金屬材料的流動性，高溫還可以使鉚釘螺紋齒牙與材料之間熔化結(jié)合，達(dá)到類似于焊接的效果，進(jìn)一步提升鉚接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

高速射釘鉚接的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯。優(yōu)點(diǎn)是該技術(shù)不需要在零件上預(yù)制孔就可以鉚接，工藝過程簡單，可以單面鉚接，能夠在狹小的車身零件空間內(nèi)實(shí)施鉚接過程，可以完成多種材質(zhì)的零件連接，能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板鉚接。缺點(diǎn)就是在鉚接的過程中，鉚釘穿刺板材的過程中會產(chǎn)生較大的噪聲；鉚接點(diǎn)周圍局部會發(fā)生形變，由于增加了鉚釘，連接部位鉚釘頭部會導(dǎo)致零件表面不平，鉚釘?shù)募舛藭钊氲杰嚿砹慵锌湛臻g，影響車身零件外觀及內(nèi)部空間的美觀。

技術(shù)設(shè)計(jì)要求

結(jié)合高速射釘鉚接工藝的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，在車身零件使用高速射釘鉚接工藝時，需要考慮以下幾個方面的因素。

1）鉚釘連接的覆蓋層和基板零件的材質(zhì)，以及零件的硬度和板材厚度。通常基板材料的厚度要比覆蓋層材料的厚度厚，強(qiáng)度比覆蓋層材料更高。在涉及鋁鑄件的連接時，覆蓋層材料的強(qiáng)度可能高于基板材料的強(qiáng)度。

2）鉚釘在零件上鉚接位置的設(shè)計(jì)。由于鉚釘釘入零件的過程中受到的壓力也會被板材吸收，因此，要減少板材在鉚接過程中發(fā)生過大的塑性形變，鉚釘頭附近的區(qū)域就需要零件具有足夠的剛性，避免零件發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)鉚接位置時，通常選取帶有支撐或加強(qiáng)筋的零件部位，鉚釘在零件位置區(qū)域的截面角半徑應(yīng)盡可能小，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域零件具有足夠的剛性。

3）鉚槍槍頭尺寸及槍頭射釘位置的空間要求。高速射釘鉚槍槍頭尺寸如圖3所示，鉚槍槍管長度為104mm，槍管直徑為26mm，槍管可以深入到相對狹窄的車身零件空腔內(nèi)，鉚槍運(yùn)行動作和軌跡需求，以及鉚槍的可達(dá)性都有一定的局限性。

圖3 高速射釘鉚槍槍頭尺寸

4）鉚槍中心軸和鉚釘釘頭到板材凸起邊緣的距離要求。如圖4所示，鉚槍在鉚接時，要注意幾個重要參數(shù)要求：一是釘?shù)闹行妮S到基板下凸起邊緣的最短距離Xmin≥6mm；二是釘?shù)闹行妮S到基板上凸起邊緣的最小邊緣距離aKB≥11.5mm；三是釘?shù)闹行妮S到覆蓋層板凸起邊緣的最小邊緣距離aKD≥6.5mm；四是鉚釘鉚接完成后，鉚釘釘頭外徑到板材邊緣距離的要求，如圖4所示，鉚釘外徑距基板凸起上邊緣的最短距離aB≥7.5mm，鉚釘外徑距覆蓋層板凸起邊緣的最短距離aD≥2.5mm。

圖4 鉚槍中心軸和鉚釘釘頭到板材邊緣距離

5）鉚點(diǎn)位置偏移量要求。為了保證鉚接強(qiáng)度，使用鉚釘鉚接的區(qū)域，零件在夾緊時應(yīng)具備較高的重復(fù)精度，零件法蘭邊之間的縫隙建議不超過0.5mm。平行于法蘭邊的方向，鉚點(diǎn)位置偏移范圍為理論位置±3mm；垂直于法蘭邊的方向上，允許鉚點(diǎn)位置偏離范圍為理論位置±1.5mm。

模塊化工藝方案設(shè)計(jì)

為了簡化高速射釘鉚接技術(shù)工藝方案，結(jié)合北京奔馳汽車白車身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高速射釘鉚接技術(shù)通常使用A、B兩種工藝布局方案，如圖5所示。

圖5 高速射釘鉚接工藝方案

1）方案A的隔音房內(nèi)有2臺鉚接機(jī)器人，為了節(jié)約成本，兩臺機(jī)器人共用一個送釘站?？紤]機(jī)器人發(fā)生故障時移出方案的需求，方案A的隔音房設(shè)計(jì)了2個出入口。

2）方案B的隔音房內(nèi)有4臺鉚接機(jī)器人，左右2臺機(jī)器人共用一個送釘站?？紤]機(jī)器人發(fā)生故障時移出方案的需求，該方案設(shè)計(jì)了1個出入口，并為遠(yuǎn)離出口的機(jī)器人搭建了鋼結(jié)構(gòu)吊裝結(jié)構(gòu)，方便機(jī)器人吊裝導(dǎo)出。

在生產(chǎn)線節(jié)拍較低機(jī)器人工藝時間較長時推薦使用方案A，該方案總體成本也較小。在生產(chǎn)線節(jié)拍時間較高即工藝時間較短時推薦使用方案B，該方案工作效率更高，機(jī)器人可達(dá)性更好。

高速射釘鉚接質(zhì)量檢查方法

鉚釘?shù)馁|(zhì)量驗(yàn)證方法主要有四種：目視檢查、間隙測量、鉚釘邊緣距離測量和剔試測試檢查。

1）目視檢查主要查看鉚釘?shù)耐暾?。如鉚釘是否缺失，鉚釘釘頭是否有裂紋，鉚釘自身是否斷裂，連接板材背部是否有明顯破裂等。

2）間隙測量是測量鉚釘螺帽和板材之間的間隙，主要是考量釘頭突起值和鉚釘傾斜值。通常兩層連接板并帶有PVC膠的鉚點(diǎn)要求鉚釘釘帽突起值要≤0.7mm，三層連接板不帶有PVC膠的鉚釘釘帽突起值要≤1mm，兩層連接板帶有PVC膠的鉚釘傾斜值要≤0.7mm，三層連接板不帶有PVC膠的鉚釘傾斜值要≤1m。鉚釘?shù)拈g隙測量是鉚釘鉚接質(zhì)量考核的重要因素。

3）鉚釘邊緣距離測量即是依據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)要求，使用標(biāo)尺測量鉚釘外徑與覆蓋層板邊緣距離aD，鉚釘釘頭邊緣與基板邊緣距離aB，以及允許最小釘桿邊緣與零件加強(qiáng)筋輪廓的距離aR，通常要求aR≥3mm。

4）剔試測試檢查是一種破壞性檢測手段，在完成射釘鉚接工藝、PVC膠沒有固化的情況下進(jìn)行退釘力試驗(yàn)，檢查鉚釘退出板材所需要使用的推力大小。根據(jù)推力大小評估鉚釘鉚接質(zhì)量和鉚接牢靠程度，通常要求鉚釘退釘力要大于0.2kN才是質(zhì)量合格的鉚點(diǎn)。

常見缺陷及解決策略

射釘鉚接的常見缺陷有鉚釘缺失、鉚釘釘頭有裂紋、釘頭斷裂、釘頭歪釘、鉚釘釘頭與板材有間隙及鉚釘位置不符合邊緣距離要求等。這些缺陷會造成鉚接質(zhì)量降低，增加板材腐蝕的風(fēng)險從而降低車身強(qiáng)度。圖6所示是高速射釘鉚接常見的缺陷。

圖6 高速射釘鉚接缺陷圖片

對于鉚釘與板材有間隙、鉚釘歪釘?shù)膯栴}，可能存在以下幾點(diǎn)原因：

1）產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)問題。如零件本身缺少加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品外形尺寸設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致零件與夾具貼合不充分，鉚接過程無法獲得有效的支撐固定，導(dǎo)致了鉚釘間隙的出現(xiàn)。

2）工裝夾具設(shè)計(jì)問題。鉚接點(diǎn)附近需要增加夾具支撐點(diǎn)，定期對工裝夾具進(jìn)行精度尺寸檢查，保證工裝夾具定位有效夾緊到位，同時關(guān)注車身零件來件的形變變化，做好工裝夾具調(diào)試工作。

3）生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備冷熱啟動的影響。高速射釘鉚接工作環(huán)境需要在15℃以上，否則會導(dǎo)致鉚接設(shè)備非正常狀態(tài)運(yùn)行，無法有效擊穿板材。設(shè)備長時間未使用，再次啟用后也可能出現(xiàn)鉚釘鉚接力偏小的情況，也需要時間恢復(fù)至最佳工作狀態(tài)。

4）鉚接姿態(tài)偏移。要減少由于機(jī)器人移動慣量導(dǎo)致鉚槍姿態(tài)未垂直于零件即開始預(yù)壓緊的情況。經(jīng)過不斷地試驗(yàn)摸索總結(jié)，通過調(diào)整機(jī)器人鉚接前后運(yùn)行軌跡，優(yōu)化機(jī)器人程序語句，并將鉚槍向槍架方向向上傾斜0.5°，克服鉚槍預(yù)壓緊板材時發(fā)生位置偏移，保證鉚槍槍鼻下壓方向與板材完全垂直。

鉚釘斷裂或歪釘?shù)那闆r，可能存在的以下的問題原因：

1）鉚槍設(shè)備本身磨損問題。例如鉚槍槍鼻的鉚釘穩(wěn)定功能失效，需要檢查槍鼻本體、阻尼條、固定銷及密封圈等部件的磨損狀態(tài)。

2）為鉚釘提供動作導(dǎo)向的導(dǎo)向塊磨損，需要在維護(hù)保養(yǎng)檢修過程中及時更換。

3）撞針在槍體內(nèi)的伸出位置到槍鼻端面的距離。這個距離的穩(wěn)定性取決于撞針緩沖塊和槍鼻后方的調(diào)整墊片，在長時間使用后，緩沖塊會發(fā)生明顯變形，需要進(jìn)行更換并對應(yīng)調(diào)整墊片，保證撞針伸出位置到槍鼻斷面距離穩(wěn)定性。鉚槍鉚接姿態(tài)也是潛在造成鉚釘斷裂或歪釘?shù)脑颉?/p>

鉚釘位置不符合邊緣距離要求的，則需要重點(diǎn)考慮以下原因：一是產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)問題，查看產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身與邊緣距離要求；二是查看工裝夾具與零件匹配定位的情況，確保夾具夾緊狀態(tài)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

質(zhì)量缺陷發(fā)生頻次的多少，除了關(guān)注產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)要求的同時，也要時刻關(guān)注鉚接設(shè)備自身的精度及狀態(tài)，在生產(chǎn)中，制定詳細(xì)的檢修保養(yǎng)計(jì)劃并嚴(yán)格按計(jì)劃執(zhí)行。定期檢查工裝夾具是否松動，夾具的銷子墊塊是否存在磨損，夾具氣缸是否正常運(yùn)作。

工業(yè)機(jī)器人也要定期查看及校準(zhǔn)，以避免軌跡偏移。鉚接槍自身的定期保養(yǎng)，易損易耗零件在使用壽命到期的情況下也要及時更換。只有通過以上各個方面的日常設(shè)備維護(hù)及檢查，才能保證高速鉚接設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)行，減少質(zhì)量缺陷發(fā)生的可能性。

結(jié)語

本文介紹了高速射釘鉚接技術(shù)的基本原理，對鉚接技術(shù)的設(shè)計(jì)要求及工藝布局方案進(jìn)行總結(jié)，介紹了鉚接質(zhì)量檢查方法，通過生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量缺陷實(shí)例，對質(zhì)量缺陷進(jìn)行原因分析，歸納出質(zhì)量缺陷的解決策略。

作為一項(xiàng)使用頻次越來越高的冷連接技術(shù)，在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也應(yīng)注意到該項(xiàng)技術(shù)使用的一些限制條件，如噪聲、設(shè)備價格、日常維護(hù)成本等因素。希望通過本文的內(nèi)容介紹，為汽車白車身輕量化方案及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，為國產(chǎn)汽車質(zhì)量穩(wěn)定性的不斷提升提供借鑒和參考。