趙震，闞洪貴，魯后國，張龍，胡廣程

（安徽江淮汽車集團(tuán)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(jī)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(jī)廠的重視。隨著高強(qiáng)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(jì)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(jī)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(diǎn)是單面操作、可連接材質(zhì)種類多、連接強(qiáng)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(gè)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(shí)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(qiáng)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(jì)，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(jì)

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(qiáng)度鋼，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)要點(diǎn)主要有以下幾方面：1）針對(duì) 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(duì)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(duì)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)預(yù)開孔，否則會(huì)造成孔溢膠，引起設(shè)備報(bào)錯(cuò)，無法打釘；7）FDS連接點(diǎn)位置需增加夾緊機(jī)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(diǎn)布置尺寸要求匯總表

圖4 FDS連接點(diǎn)布置尺寸圖示

2.3 FDS連接點(diǎn)檢測(cè)

通過對(duì)FDS連接點(diǎn)外觀和剖面尺寸檢測(cè)，確認(rèn)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(diǎn)外觀及剖面要求

2.4 FDS連接拉伸剪切測(cè)試

本階段采用鋁合金減振器塔與高強(qiáng)鋼真實(shí)取樣的組合試片進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，同時(shí)匹配不同結(jié)構(gòu)膠，測(cè)試FDS連接點(diǎn)的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果拉伸力≥18KN，相關(guān)測(cè)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(cè)試表

試驗(yàn)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(duì)比5組結(jié)果，分析是烘烤溫度低及冷卻時(shí)間不夠?qū)е拢?）對(duì)比1、3組，拉伸力小4.1KN，分析1840C結(jié)構(gòu)膠在冷卻時(shí)間4h前提下獲得更好的連接強(qiáng)度；4）對(duì)比2、5組，拉伸力小3.7KN，分析2098G結(jié)構(gòu)膠高溫烘烤時(shí)間不宜過長，180度烘烤5min能獲得更好的連接強(qiáng)度。

2.5 裝車驗(yàn)證

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

圖7 裝車驗(yàn)證圖示

3 結(jié)語

FDS流鉆螺釘技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鋼板、鋁合金等不同材料的連接，連接強(qiáng)度高，氣密性水密性好，工作環(huán)境清潔環(huán)保，優(yōu)點(diǎn)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。