趙震，闞洪貴，魯后國，張龍，胡廣程

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

近年來，隨著全球能源危機日趨嚴(yán)重，節(jié)能、安全、環(huán)保越來越受到各國的關(guān)注，汽車輕量化越來越受到主機廠的重視。隨著高強鋼、鋁合金等輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用比例逐漸增高，流鉆螺釘（FDS）、自沖鉚接等連接新工藝也正在被廣泛應(yīng)用。本文基于某款新能源車型，介紹了該車型鋁合金減震器塔與鋼制車身的FDS連接設(shè)計與應(yīng)用。

1 工藝介紹

流鉆螺釘（FDS）工藝是一種通過設(shè)備中心擰緊軸將電機的高速旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)至待連接板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變后，自攻絲并螺接的一種冷成型工藝，簡稱FDS。優(yōu)點是單面操作、可連接材質(zhì)種類多、連接強度高、抗震能力好、螺釘可拆卸及工作環(huán)境清潔。FDS連接工藝過程包括六個階段：旋轉(zhuǎn)（加熱）→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固，圖1為FDS工藝過程示意圖[1-2]。

圖1 FDS工藝過程示意圖

2 FDS應(yīng)用實例

2.1 應(yīng)用部位

本文基于某款新能源車型，該車型減震器塔采用鋁合金材質(zhì)（AlSi10MnMg-T6），周邊件為高強度鋼，其中鋁合金減振器塔與鋼制前縱梁搭接部位采用FDS連接設(shè)計，如下圖2所示。

圖2 FDS應(yīng)用部位

鋁合金減振器塔與前縱梁的搭接狀態(tài)、厚度組合、鋼制件材質(zhì)如下表1。

表1 鋼鋁搭接組合信息

2.2 FDS連接設(shè)計

FDS螺釘有M4、M5和M6三種規(guī)格，常用M5*20、M5*22。本文涉及的鋼鋁材料總厚度 7.1 mm，且鋼材為H340LAD高強度鋼，根據(jù)經(jīng)驗選用M5*22螺釘。

圖3 M5＊22型螺釘相關(guān)參數(shù)

FDS連接設(shè)計要點主要有以下幾方面：1）針對 M5*22螺釘，F(xiàn)DS連接總厚度≤9.8mm，否則攻絲螺紋不能全部穿出，無法形成有效的緊固螺紋連接；2）要求有效螺紋數(shù)量n≥3，對于M5螺釘（螺紋間距1mm），即有效螺紋長度L≥3mm，有效堆高L1≥1mm，底層板厚度t2≥2mm，如圖3所示；3）上層板可不開孔也可預(yù)開孔，如果上層板材料太硬，以致穿透困難可采用預(yù)開孔；本文采取預(yù)開孔方案，底層板材料TS≤800MPa，EI≥8%；對于 M5螺釘，上層板預(yù)開孔尺寸φ7mm，中層板預(yù)開孔尺寸φ10mm，底層板無需開孔；4）需預(yù)留足夠螺接重合面寬度：M5螺釘≥16mm；5）FDS連接點設(shè)計在平面上，操作空間平面直徑≥30mm，以滿足槍頭、夾爪裝置的正常操作；6）涂膠需避開FDS點預(yù)開孔，否則會造成孔溢膠，引起設(shè)備報錯，無法打釘；7）FDS連接點位置需增加夾緊機構(gòu)來承受釘槍的壓力（壓力＞3000N）；8）板材邊緣到鉚釘?shù)染嚯x需遵守的尺寸要求如下表2：

表2 FDS連接點布置尺寸要求匯總表

圖4 FDS連接點布置尺寸圖示

2.3 FDS連接點檢測

通過對FDS連接點外觀和剖面尺寸檢測，確認是否連接是否合格，要求如下：1）保證完整性和位置要求；2）螺釘不能斷裂或者破損；3）膠不能溢出；4）邊距ak≥2mm；5）頭部間隙 an≤1mm；6）不能有裂紋；7）剖面有效螺紋數(shù)量n≥3。

圖5 FDS連接點外觀及剖面要求

2.4 FDS連接拉伸剪切測試

本階段采用鋁合金減振器塔與高強鋼真實取樣的組合試片進行拉伸剪切試驗，同時匹配不同結(jié)構(gòu)膠，測試FDS連接點的力學(xué)性能，測試結(jié)果拉伸力≥18KN，相關(guān)測試結(jié)果如下圖6、表3所示。

圖6 拉伸剪切圖示

表3 拉伸剪切測試表

試驗結(jié)果分析：1）1、2組兩次出現(xiàn)鋁試樣斷裂，分析是由于鋁試樣存在鑄造缺陷導(dǎo)致；2）4組出現(xiàn)脫膠，對比5組結(jié)果，分析是烘烤溫度低及冷卻時間不夠?qū)е拢?）對比1、3組，拉伸力小4.1KN，分析1840C結(jié)構(gòu)膠在冷卻時間4h前提下獲得更好的連接強度；4）對比2、5組，拉伸力小3.7KN，分析2098G結(jié)構(gòu)膠高溫烘烤時間不宜過長，180度烘烤5min能獲得更好的連接強度。

2.5 裝車驗證

本階段按照前期的 FDS連接設(shè)計方案進行實物裝車驗證，利用專業(yè)FDS設(shè)備完成白車身驗證，順利驗證FDS連接設(shè)計方案的工藝可行性。

圖7 裝車驗證圖示

3 結(jié)語

FDS流鉆螺釘技術(shù)可以實現(xiàn)鋼板、鋁合金等不同材料的連接，連接強度高，氣密性水密性好，工作環(huán)境清潔環(huán)保，優(yōu)點突出，但受制于成本等因素制約，目前FDS主要是在合資車身上應(yīng)用比較廣泛，自主品牌應(yīng)用比較少[3-4]。相信隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)與成本的不斷優(yōu)化，F(xiàn)DS連接工藝在鋼鋁與復(fù)合材料混合應(yīng)用的輕量化車身結(jié)構(gòu)中將有著廣泛的應(yīng)用前景。