趙旭哲

(博爾豪夫公司，密歇根 特洛伊 48084)

0 前言

實現(xiàn)輕量化的三種途徑包括采用輕質材料、合理的機械結構和先進的成形工藝，而輕量化多層板材先進連接工藝是實現(xiàn)輕量化的重要途徑[1,2]。由于鋁合金、鎂合金、鋰合金、鈦合金、塑料、非金屬復合材料、纖維板等輕質材料具有一系列優(yōu)良特性[3,4]，如密度小、比強度高、耐腐蝕好、抗沖擊性能良好、沖壓工藝相對成熟、高回收再生性等，使得這些輕合金板材成為當今輕量化的理想材料[5-8]。多層板材的連接可通過熔化焊、釬焊和壓力焊三種焊接工藝方法[5,6]。目前常用于鋁合金多層板材的傳統(tǒng)連接工藝包括非熔化極惰性氣體鎢極保護焊、熔化極氬弧焊、電阻焊等方法[7,8]，輕合金多層板材的固相狀態(tài)的壓力焊接式塑性成形連接工藝包括電阻焊的熱連接和室溫態(tài)下的塑性連接兩種方式。其中的電阻焊的熱連接方式需要連接板材必須導電，因此不適合塑料、非金屬復合材料、纖維板輕質板材[5,6]。而鋁合金板材由于金屬鋁本身的良好導熱性和導電性、低熔點，導致電阻焊時效率低、變形大、連接性能差[7,8]，使得鋁合金板材不宜采用電阻焊接的方式[9,10]。大量研究結果表明，鋁合金、鎂合金等多層輕量化板材的高效可靠的連接方式應該采用三種焊接方式中的固相狀態(tài)的壓力焊接式塑性成形連接工藝。大量研究結果表明，諸如鋁合金、鎂合金、鋰合金、鈦合金、塑料、非金屬復合材料、纖維板等輕質材料，充分利用被連接材料的塑性，通過施加足夠高的應力，使得多層板材材料的塑性流動，在被連接的板材之間形成S形狀的機械鎖，實現(xiàn)可靠連接室溫下的連接方式，這種方式被稱為鎖鉚連接技術[8,9,10]。這種鎖鉚連接技術可分為有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接和無鉚塑性連接工藝，其是解決輕質材料多層板材最合適的先進連接工藝[11,12]。但目前這種鎖鉚連接工藝才是近十年來的研究熱點問題，還有大量理論與技術層面的難題需要解決[12-16]。

1 自沖鉚接技術的發(fā)展

傳統(tǒng)鉚接采用帶鐓頭的圓柱形軟質鉚釘?shù)乃苄猿尚毋T接技術，如圖1a所示[5,6]。首先將鉚釘插入到預打孔的板材內，然后采用沖頭沖壓鉚釘并使鉚釘上端產(chǎn)生塑性變形，進而將板材夾緊。為使鉚接干涉量均勻，提高連接點疲勞壽命，可以采用電磁成形的方法實現(xiàn)圓柱形軟質鉚釘?shù)乃苄猿尚毋T接。另外一種采用抽芯鉚釘?shù)睦T塑形成形連接工藝如圖1b所示[5,6]。如圖1所示的傳統(tǒng)鉚釘?shù)你T接，首先將鉚釘置于已提前打孔的待連接板材內，然后將拉鉚槍夾住鉚釘芯，另一端拉動鉚槍，帶動釘芯向上運動對鉚體的尾部產(chǎn)生擠壓，使鉚體尾部發(fā)生塑形變形，進而將上下板料夾緊[5,6]。此后，釘芯受到的拉力增大到其斷裂強度，釘芯斷裂，板材被抽芯鉚釘連接在一起。這兩種鉚接塑性成形技術均需要在鉚接前對板材提前打孔，嚴重降低了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本[8,10]。

圖1 預打孔需鐓頭的圓柱形軟質鉚釘?shù)膫鹘y(tǒng)鉚接原理

自沖鉚接(Self-piercing Riveting, 以下簡稱為SPR)是一種用于連接兩種或兩種以上不同材質的板材的高速冷連接技術[17-20]。SPR技術發(fā)明于20世紀60年代，在過去的二十年中迅速發(fā)展起來。由于汽車的輕量化可以帶有尖銳頭部的刺入杯型式鉚釘連接。通過SPR連接技術實現(xiàn)，因此SPR開始進入汽車工業(yè)的視野，SPR以其在重量和簡單性上的優(yōu)勢而被廣泛應用于連接汽車的結構部件和其他部件。要想實現(xiàn)鋁結構部件和其他材料部件之間的連接，依靠傳統(tǒng)的連接技術，例如點焊或者電阻點焊，由于金屬鋁本身的良好導熱性和導電性、低熔點，導致電阻焊時效率低、變形大、連接性能差，因此電阻焊是難以實現(xiàn)的。因此，SPR新的工藝技術成為連接鋁和其他材料板材的合適工藝[21-24]。

SPR技術最初于1993年由奧迪開始應用于汽車工業(yè)[12-15]。由于1993年Audis A8的全鋁車身設計，大約有1 100個SPR鉚釘用于A8車型[5,6]。接下來開始在奧迪A2車型第二代車架上用SPR替代點焊。大約有1 800個SPR鉚釘用于奧迪A2，而奧迪TT couple型使用了大約1 600個。在奧迪應用SPR后，捷豹路虎(JLR)將SPR技術引入其行業(yè)并大規(guī)模應用。JLR的XJ和XK型號采用單殼式結構和全鋁車身設計，分別使用了大約3 600和2 400～2 600個SPR鉚釘[6,22]。新的Range Rover車型也使用了大約3 800個SRP鉚釘，而Jaguar XE和采用鋁制車身的新型XF正把SPR作為主要的連接技術。

由于SPR接頭出色的疲勞壽命，沃爾沃在其FH系列卡車上使用SPR代替電阻點焊(RSW)用以連接高強度鋼[21,22]。寶馬和戴姆勒公司也將SPR技術作為其產(chǎn)品的主要連接技術。由于SPR技術最初是在歐洲得到開發(fā)和應用的，因此在歐洲汽車工業(yè)已經(jīng)測試并應用了一段時間后，北美工業(yè)才開始對此技術給予關注，并將SPR應用于其產(chǎn)品。福特已經(jīng)在其最近的F150型皮卡上開始使用SPR。該型號卡車需要使用2 000～2 700個SPR鉚釘。福特在第一年就生產(chǎn)了大約100萬個F150鋁制車身。將SPR技術應用于大規(guī)模汽車制造是重要的一步。如圖2所示為美國的密歇根州New Hudson的Henrob公司，通過SPR新的塑性技術連接起來的福特F150和捷豹 XJ的汽車白車身的主體結構[14,15]。

圖2 美國密西根州的Henrob公司的福特 Ford F150和捷豹 Jaguar XJ

文獻[13-17]針對輕量化技術對板材連接新工藝的要求，開展有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接和無鉚塑性連接工藝相應的塑性成形機理、連接強度評判準則等開展了研究，文獻[19-22]進一步研究了有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接和無鉚塑性連接工藝過程不同板材的材料流動行為、應力場、應變場、損傷機理和相關的成形設備。研究結果表明，輕合金多層板材的有鉚釘?shù)倪B接方式整體連接質量高于無鉚工藝，因此在工業(yè)實際中獲得大量的應用，例如中國一汽大眾奧迪A6的四個車門就是采用鋁合金板材杯形鉚釘連接工藝生產(chǎn)[11,19,20]。

但目前針對不同材質的多層板材高效可靠的連接采用有鉚釘還是無鉚釘方式的鎖鉚塑性成形連接工藝還缺乏系統(tǒng)深入的研究，對其優(yōu)缺點及其適用場合等缺乏研究，為此本文針對該問題進行論述。

2 多層板材無鉚塑性連接原理及特點

無鉚塑性連接工藝是指不使用鉚釘?shù)容o助材料，采用專用的凸、凹模具對被連接的多層板材進行沖壓，利用板材的塑性變形能力，使多層板材件之間內嵌而達到連接目的[7,8]，為此應在被連接的板材之間形成S形狀的機械鎖。根據(jù)凹模結構的不同，可以分為整體式凹模無鉚塑性連接、滑塊式凹模無鉚塑性連接和平底無鉚塑性連接三種形式[13,16]；根據(jù)凹模形狀的不同，主要包括圓形接頭無鉚塑性連接和矩形接頭無鉚塑性連接兩種形式。

多層板材的滑塊式凹模無鉚塑性連接工藝過程如圖3所示。由圖3可看出，被連接板材的底部會存在一個凸起的連接節(jié)點，在該連接的節(jié)點內板材之間會形成帶有S字母形狀的倒錐的機械鎖，從而使得被連接的板材之間能承受足夠的抗剪與抗拉強度。也就是說，鎖鉚連接在連接點形成帶有S字母形狀的倒錐的機械鎖是可靠連接的關鍵所在。

圖3 滑塊式凹模無鉚塑性連接方式的工藝 過程原理示意圖

由于如圖3所示的滑塊式凹模無鉚連接會在板材的連接節(jié)點形成一個凸起點，既不美觀，有時也會影響實際使用。所以就發(fā)展出如圖4所示的平底無鉚塑性連接新工藝方法。多層板材的所謂平底無鉚塑性連接就是采用專用的平底模具和沖頭對被連接板材進行沖壓，利用板材金屬的塑性變形能力，通過上、下板件之間的內嵌達到板材連接目的。平底無鉚塑性連接工藝過程如圖4所示，可分為三個階段[20]。

圖4 平底無鉚塑性連接方式的工藝過程

與整體式凹模和滑塊式凹模無鉚塑性連接技術相對比，平底無鉚塑性連接工藝形成的鉚接頭表面平整光滑。板材的一側表面平整光滑，沒有凸起，不但美觀，而且適合應用于板材表面有相對運動的場合。平底無鉚塑性連接無需將上、下模具進行對中，提高了生產(chǎn)效率。平底無鉚塑性連接的下模具表面是平面，制造簡單，模具成本低。但其塑性連接點的靜態(tài)強度相對圖3滑塊式凹模無鉚連接的較低。

與多層板材的傳統(tǒng)連接方式相比，無鉚塑性連接工藝除了在經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等方面具有較大優(yōu)勢外，還非常適用于異質異型、表面有鍍層或油漆等板材的連接。無鉚塑性連接工藝不需要造價高、性能要求高、比重大的鋼制鉚釘，在不同材質的多層輕量化、低成本的連接方面具備優(yōu)勢。

雖然多層板材無鉚塑性連接不需要鉚釘，對于輕量化具有重要意義，但其又不可避免地存在缺點。

(1)無鉚塑性連接點的靜態(tài)強度較低。特別是傳統(tǒng)無鉚塑性連接的上模具和下模具需要嚴格對中，一旦產(chǎn)生偏移將會嚴重影響連接強度。

(2)無鉚塑性連接會在板材的一側產(chǎn)生一個較高的凸起，在另一側產(chǎn)生一個凹坑，嚴重影響了板材連接的外觀。目前汽車板材連接的一個重要指標是其外觀平整程度，而無鉚塑性連接由于存在凹孔和凸起，使其在汽車板材連接中的應用受到了限制[11,23]。

(3)由于滑塊式凹模無鉚塑性連接點處的凸起會阻礙運動，無鉚塑性連接也不適合應用于板材表面有相對運動的場合。

3 多層板材有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接原理及其特點

多層板材有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接即自沖鉚接(Self-piercing Riveting，簡稱為SPR)如圖5所示，足夠強度與硬度的特制的帶有尖銳頭部的杯狀鉚釘穿透上層板材之后，在外界圓柱沖頭的作用下，鉚釘尾部的中空結構擴張刺入而并不穿刺下層板材，從而形成牢固的鉚接點。因此有鉚釘?shù)逆i鉚塑性變形連接過程的杯狀刺入型鉚釘實現(xiàn)多層板材經(jīng)歷夾持、沖刺、擴口、卸載彈性釋放等四個階段。SPR技術主要應用于鋁合金與異種材料的連接，并廣泛應用于汽車輕量化技術中[15,18]。

圖5 有鉚釘?shù)臎_鉚塑性連接工藝原理

杯形的帶有尖銳頭部的鉚釘在外力的作用下材料透第一層通過穿，并在底層材料中進行流動和延展形成一個互相鑲嵌的塑性變形鉚釘連接過程，具有較高的抗拉強度和抗剪強度[16,17]。

從圖5可看出，在輕量化多層板材連接過程中，需要專門的輸送鉚釘?shù)难b置將鉚釘送入加壓的筒體之內，然后加壓沖頭向下沖壓使得杯形鉚釘刺穿多層板，同時杯形鉚釘?shù)谋谝獢U口，并將被連接的板材擠入下模的凹槽之內，最終形成鉚接頭。這就要求特別制造的杯形鉚釘既要有足夠的強度刺入多層板，同時杯形鉚釘?shù)脑械闹蓖脖谟謺苄宰冃味兂衫葼?。因此這種特殊要求的刺入杯型式鉚釘制造材料和工藝均有嚴格的要求，導致目前中國國內使用的如圖5所示的刺入杯型式鉚釘基本上都是依靠從國外高價進口。在有鉚釘塑性連接中鉚釘會穿透上板，對上板造成損傷，給密封和防腐造成不便；有鉚釘塑性連接需要專門的送釘系統(tǒng)，機械裝置極為復雜，造價很高，維護費用高；有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接點的另一側會產(chǎn)生一個凸起，嚴重影響美觀及使用[8,12]。

與傳統(tǒng)的多層板材連接工藝相比，有鉚釘?shù)逆i鉚塑性SPR連接技術具有優(yōu)點

(1)SPR是環(huán)保的，與焊接相比沒有對工作條件限制的要求；

(2)SPR可用于連接同種或異種材料，而且在操作過程中不使用粘合劑；

(3)不需要傳統(tǒng)鉚接預先鉆孔和對齊，效率高；

(4)設備壽命長，能耗低；

(5)自動化和過程監(jiān)測易于實現(xiàn)；

(6)待連接材料無需特殊處理；

(7) SPR接頭具有高的靜強度和長的疲勞壽命。

4 刺入杯型式鉚釘塑性連接材料流動行為及其對鉚釘?shù)募夹g要求

有鉚釘?shù)逆i鉚塑性連接的連接點的力學性能評價指標主要為抗拉載荷和抗剪載荷。通常情況下，該連接點的抗拉載荷一般低于抗剪載荷。如圖6所示為多層板材鎖鉚連接所使用的凹模的1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm模具深度的等效應變分布。應變集中區(qū)域位于鉚釘尖端周圍，因為尖銳的鉚釘尖端可以在該過程中剪切兩個板材。底層的綠色區(qū)域表示底板和模具之間的接觸面積具有相對較低的應變集中，紅色的高應變場主要分布在鉚釘腿尖端周圍。

圖6 刺入杯型式鉚釘實現(xiàn)兩層板材連接在不同模具 深度的應變分布及材料流動情況

不同模具深度下材料等效應變分布沒有太多差異，顏色分布的變化可以區(qū)分對下層板材的影響。此外，等效應變可以作為確定對應于高應變場中材料的破裂或損傷值的重要標準之一。模擬中發(fā)現(xiàn)鉚釘附近區(qū)域的材料具有最大的損傷值，材料斷裂通常在鉚接頭附近位置產(chǎn)生。根據(jù)開裂機理部分的分析，板材將經(jīng)受拉伸和壓縮的影響表現(xiàn)出不同的斷裂特性。壓縮起到加工硬化的作用，增強下層材料的抗斷裂性。但遠離壓縮區(qū)域的金屬受到了拉應力，將材料拉開，如果應變超過材料的伸長極限，則處于張力下的材料可能形成裂縫。

SPR鉚釘直徑通常為3～5 mm，根據(jù)疊層厚度不同，長度從4～14 mm不等。鉚釘選擇與一系列參數(shù)有關，例如接頭強度、板材厚度和模具類型等。為了規(guī)范汽車工業(yè)的鉚釘選擇，歐洲鋁業(yè)協(xié)會提供了指導作為參考。對于直徑為3 mm的鉚釘，鉚釘長度應為疊層厚度+2.5 mm；對于直徑為5 mm的鉚釘，鉚釘長度應為疊層厚度+ 3.5 mm。Henrob公司也建議3 mm和5 mm鉚釘?shù)你T釘長度應分別比疊層厚度長1.5～3.0 mm和2.0～4.0 mm。早期應用SPR技術時，待連接的疊層厚度是確定鉚釘長度的主要依據(jù)。雖然疊層厚度是確定鉚釘長度的主要標準，但疊層配置也是影響選擇鉚釘?shù)囊粋€因素。如果上層板比下層板厚，則鉚釘長度應大于疊層厚度；否則，如果頂部較薄而底部較厚，則鉚釘長度可短于疊層厚度。例如，3 mm鉚釘用于汽車上的封合，而直徑較大的鉚釘，如直徑為5～14 mm的，則用于高強度部件連接和抗彎曲應用場合[18,21]。

圖6中的刺入杯形空心鉚釘應具有足夠硬度的尖銳頭部，以便插入被連接的板材之中，又能在插入過程中產(chǎn)生塑性變形，并且這種鉚釘表面還須具有防止與輕量化板材之間發(fā)生電化學反應的特性，以避免鉚釘連接產(chǎn)生松動，降低多層板之間的連接強度。因此這種鉚釘?shù)脑靸r很高，需要專門的高科技公司才能生產(chǎn)。目前全世界能生產(chǎn)這種鉚釘?shù)钠髽I(yè)屈指可數(shù)，中國現(xiàn)在使用的汽車輕量化板材鎖鉚連接的鉚釘基本上依靠國外進口，其價格昂貴。

鉚釘通常用鍛造工藝制造，材料一般是鋼。SPR可以直接使用鍛造態(tài)鋼鉚釘，也可以根據(jù)使用要求將鋼鉚釘熱處理至不同的硬度等級(HV 250～600)。鉚釘?shù)倪x擇可以根據(jù)疊層材料的特性來確定。當鉚釘?shù)挠捕炔粔驎r，鉚釘在鉚接過程中易于彎曲；而如果鉚釘?shù)挠捕忍螅瑒t鉚釘難以變形，機械鎖長度會小于預定值。本文兩種情況都會導致低的連接強度。

鉚釘生產(chǎn)后帶有的涂層對于在連接過程之中和之后保證鉚釘質量具有重要意義。涂層能夠減少鉚接過程中的摩擦力，還可以防止鉚釘和堆疊材料之間發(fā)生腐蝕。鉚釘一般使用的涂層材料有電鍍鋅鎳、機械鍍鋅錫、機械鍍鋅錫鋁和環(huán)氧樹脂。結合使用的機械鍍和電鍍鋅錫涂層已經(jīng)在鋁車身上應用和測試，至少15年不會發(fā)生腐蝕問題[11,21]。

5 結論

(1)不同材質的有色與黑色金屬、導電與非導電材料、金屬與復合材料等組成的兩層或多層板材高效可靠的先進塑性連接方式是無鉚鎖鉚的塑性連接和有鉚釘?shù)臎_鉚塑性連接兩種方式。這種室溫下的連接方式的機理是充分利用被連接材料的塑性，通過材料的塑性流動，在被連接的板材之間形成S形狀的機械鎖，實現(xiàn)可靠連接。

(2) 根據(jù)凹模結構的不同，無鉚鎖鉚的塑性連接可以分為整體式凹模無鉚塑性連接、滑塊式凹模無鉚塑性連接和平底無鉚塑性連接三種形式。無鉚塑性連接工藝除了在經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等方面具有較大優(yōu)勢外，還非常適用于異質異型、表面有鍍層或油漆等板材的連接。無鉚塑性連接工藝不需要造價高、性能要求高、比重大的鋼制鉚釘，在不同材質的多層輕量化、低成本的連接方面具備優(yōu)勢，但其連接節(jié)點的抗剪與抗拉強度稍遜于有鉚釘?shù)倪B接方式。

(3) 有鉚釘?shù)逆i鉚塑性變形連接方式連接強度高于無鉚的鎖鉚連接方式。鎖鉚連接中使用的杯狀刺入型鉚釘是眾多行業(yè)中最常用的鉚釘，它可以實現(xiàn)鉚釘頭一側的齊平性和良好的抗疲勞性。 該鉚釘應具有足夠硬度的尖銳頭部，以便插入被連接的板材之中，又能在插入過程中產(chǎn)生塑性變形，該鉚釘表面還須進行必要的處理，使其具有防止與輕量化板材之間發(fā)生電化學反應的特性，以避免鉚釘連接產(chǎn)生松動，降低多層板之間的連接強度。同時鉚釘也應具備良好的抗腐蝕性。