自冲铆接技术在白车身生产中的应用

自冲铆接技术在白车身生产中的应用

孙启蒙

天津福臻工业装备有限公司

摘要：汽车轻量化的深入推广使得自冲铆接技术在白车身生产中的应用愈加广泛，通过介绍自冲铆接技术的特点，主要工艺参数，SPR系统配置和选型的要点，常见失效模式和应对方法，以及自冲铆接的优缺点等，为汽车制造中铝合金相关的连接提供了有效可行的方法。

关键词：自冲铆接，SPR，白车身，汽车

汽车白车身（Body in White）是指完成焊接但未进行涂装之前的车身，是整车加工制造的基础。针对承载式车身，白车身作为全车最大的零件，起到的是承载其他所有零件的作用。这款高质量钢筋铁骨之躯，为用户打造了超高安全品质。铁骨之下，其实是上百个金属零件。这些金属零件通过焊接、铆接、压合、胶粘等工艺组合起来，形成汽车最牢固的躯壳。近年来，随着对汽车轻量化的需求提高，全铝车身以及钢铝混合车身应用愈加广泛，因此也出现了很多的新型连接工艺，自冲铆接就是其中的代表。

1.自冲铆接简介

自冲铆接，英文为Self-pierce rivets，简称SPR。通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形，成型后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接技术[5]。广泛应用在车身的侧围和前后地板区域。与普通点焊钳相同，常用的有机器人持枪和固定安装两种型式。

SPR原理是使用特制铆钉通过液压缸或伺服电动机提供动力，直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形，成形后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新板材连接技术。铆鼻首先压住被铆接板材，铆钉被铆杆施压嵌入，穿透上层板材，并扩张进入下一层板材，而后铆钉与板材一起扩张，充满铆模，铆钉腿部向四周翻开形成钮扣，从而完成上下板材牢固的连接，可用于同种金属板材，异种金属板材甚至是异种材料板材之间的铆接[1,3]。

2.自冲铆接主要工艺参数及搭接要求

SPR枪输出力达80KN，垂直受力，都是C型枪，根据喉深不同，主要分为5个等级，小型枪喉深范围0-150mm，中型150-350mm，大型枪350-600mm，超大型600-700mm，框架枪喉深在700mm以上，SPR枪的喉深和价格直接相关，选枪时需充分考虑成本。

SPR可铆接的板厚和板件的材料有关系，一般对于纯钢板，其可适应的厚度为1.2-6.5mm；纯铝材的铆接，可适应1.8-11mm的板厚。而对于多种材料的组合铆接，根据其铆钉长度的不同，可铆接的最大板厚也不同。铆钉长度4-8mm时，适用于翻边较小，表面质量要求高的区域。铆点最大容许总厚度钢材3mm，铝板6mm。铆钉长度5-12mm时，适用翻边大，或强度要求高的区域，铆点最大容许总厚度钢材6mm，铝板 12mm。

根据供钉形式不同，可分为弹夹式及吹钉式两种，目前主流SPR枪均为弹夹式。

板件搭接设计原则：通常情况下，推荐板材抗拉强度UTS≤600Mpa。高强度的热成型钢，高强钢和特高强度钢理论上也可以使用，但会使用特殊类型铆钉，铆接难度较大。满足SPR工艺的材料设计基本要求如下：①底层板至少为总厚度的1/3；②强度高、硬度高、延展性差的材料放在上层，强度低、硬度低的、延展性好的材料放在底层；③厚度薄的材料放在上层，厚度大的材料放在底层；④上层材料允许的最高强度1500MPa，上层材料强度越高，则底层材料需尽量选用强度低、硬度低的、延展性好的材料，且底层材料需尽量厚；⑤底层材料允许的最高强度不高于600MPa，延展性不小于12%。[4]

3.自冲铆接系统配置选型

3.1 钉模组合

SPR系统主要由模块化铆枪，控制柜，送钉器，充钉站等构成。在确认主要工艺参数之后，还要进行板件的搭接分析，即将每一个SPR点的板件搭接组合汇总分类，包括SPR焊点数量，板厚信息，板材信息等，厂家根据这些信息得出每个点对应的钉模组合，然后进行实验测试[6]。

在确认每个点的钉模组合后，就要对SPR枪进行合枪，以减少整条焊装线的设备数量，减少备件量，缩减成本。合枪一般要遵循以下原则：每一个送料器只能送一种钉;每一把枪最多携带两个送料器（仅限弹夹式）且两者铆钉尺寸不能相差过大；每一个控制柜最多携带控制4把枪；每一个机器人只能带一台控制柜。一般情况下每个机器人都只配置一把焊枪，因此第二个原则为合枪主要限制原则。

3.2 应用方式

应用方式是指SPR枪的安装方式，主要分为两大类：即机器人持枪式和地面固定式。机器人持枪就是SPR枪安装在机器人的手臂端，枪随机器人运动到要焊接的点实现连接。地面固定式即SPR枪是安装在地面或者地面支架上的，工作的时候SPR枪不随机器人动作，是机器人抓取板件运动到SPR焊枪处实现连接。

机器人持枪式又可分为单枪单钉，单枪双钉，双枪（通过快换工具切换）双钉等方式。机器人抓枪式默认供钉方式一般为弹夹式，由于弹夹式送钉管随铆枪一起变化姿态，送钉管没有频繁弯曲的问题，铆枪可变换更多姿态满足可达性需求。弹夹式的供钉方式需要单独设计充钉站。吹钉式的供钉方式一般用于实验验证等小批量的线体，新建线几乎不会使用吹钉式。适用于铆接姿态变化较少的情况，翻转角度在±90°以内。固定式供钉方式为送钉式，需要注意的是如存在多种铆钉需单独配备分钉器。

4.自冲铆接质量检测和控制

SPR铆接的质量检测包括破坏性测试及人工目测检查。破坏性测试即将SPR点剖开，得到连接处的横截面，然后使用设备进行检测，主要检查截面形状，互锁值，头高等参数[2]。人工目测检查是指生产过程中每过一段时间工人需对SPR点进行头高检测等并记录。SPR铆接常见的失效模式包括板件开裂，半铆，钉脚开裂等。为避免这些失效，一般要遵循以下原则：搭接的层板厚度控制在理论误差之内；控制铆接时的焊枪合枪速度；使用正确的钉模组合；保证车身板件质量与理论的一致；保证板件搭接间隙均匀且在误差范围内。

5.自冲铆接的优劣势及未来发展

自冲铆接由于其自身的连接特性具有以下优点：可用于材料属性不同的、有镀层的及很难用焊接方法连接的材料的铆接；可对铝及高强度钢材进行铆接，铆接牢靠性要比点焊好；铆接质量稳定，铆接过程清洁，无烟雾；比焊接消耗能量少得多，铆接过程比较容易进行自动化。高效，由于它无需钻孔，无需人工装配铆钉，机器仅需要2秒即可自动完成装钉、压入、铆接的全过程。它的缺点也比较明显，主要表现在受力，外观以及操作空间上。如由于自冲铆接比点焊的抗拉强度小，铆接边长度一般在25mm以上，而普通点焊只需要14mm；由于铆接过程需要较大压力，铆接设备比较笨重，铆接时，尾部出现突出的铆扣，使得板件表面不够平齐。

自冲铆接过程简单，一步完成，连接快速，可实现机械自动化，而且可适应不同材料及板厚，已经被汽车制造业种广泛应用。随着用户对技术要求越来越高，自冲铆接设备也在不断地完善，相信未来自冲铆接的应用前景会越来越广泛。

参考文献

[1]  桑大群，苏伟，汪小霞．车身自冲铆接技术[J]．汽车与配件，2016(41)．

[2]  李宽，覃小攀．自穿刺铆接技术在新能源汽车上的应用研究[J]．汽车工艺师，2020(10)．

[3] 李芸，陈纬梁．铝合金自冲铆接工艺优化[J]．汽车与配件，2018(32)．

[4] 张学奇，董万鹏．半空心铆钉自冲铆接的研究进展[J]．热加工工艺，2016(09)．

[5]赵培峰，王增强．铆钉硬度对铝合金/钢自冲铆接头特征参量与性能的影响[J]．材料热处理学报，2023(08)．

[6] 陈宇豪，薛松柏．汽车轻量化焊接技术发展现状与未来[J]．材料导报，2019(S2)．