热熔自攻丝铆接特征参数对钢铝连接铆点质量影响

王有道1

叶雪洋2刘岩1

刘羽1

凌宝1

（1.大连奥托股份有限公司技术中心，大连116050；2.上海巍博自动化设备有限公司，上海20020）

摘要：热熔自攻丝铆接因其在钢铝连接上的优势，而被广泛应用在白车身连接领域中。以通用标准GMW3032系列钢板和铝合金6061-T6为主要研究对象，参照目前主机厂的铆接工艺标准，研究了热熔自攻丝铆接中钻孔下压力、钻孔刀头最大转速、锁紧扭矩3个主要特征参数在铆接过程中的变化，讨论了不同搭接匹配下特征参数设置对钢铝连接铆点质量的影响，可对实际车身连接工艺优化提供有益借鉴。

关键词：热熔自攻丝中图分类号：TG938

铆接

钢铝连接

白车身连接

文献标识码：B

1前言

在新能源汽车发展以及白车身轻量化过程

位、钻孔、扩孔、攻丝、拧丝、锁死六步(图1)。预热过程中，铆钉转速范围会达到1500～8000r/min，材料表面温度能够达到150～250℃。随后设备施加压力，通常最大可达3.5kN，瞬间完成钻孔和扩孔。最后由铆钉自带的攻丝螺纹完成攻丝过程并按预设的锁紧扭矩将铆钉锁死在板材上。热熔自攻丝铆钉结构根据工艺可分为钻孔段、扩孔段、螺纹段。其中螺纹为国际标准的公称螺纹。

中，铝合金被越来越广泛的使用[1]。在钢铝连接方面，传统点焊实施较为困难。半空心自冲铆接(Self-PiercingRiveting，SPR)和热熔自攻丝铆接(FlowDrillScrewdriving，FDS)凭借其在钢/铝连接方面的优势，逐渐在全球各大主机厂奥迪、奔驰等普及应用[2,3]。国外学者对两种铆接的工艺特性[4,5]以及其工艺过程模拟[6,7]进行广泛地研究；国内学者对与半空心自冲铆的研究较为充分[8,9]，而对于热熔自攻丝铆接的研究较少。

热熔自攻丝铆接是一种适合于连接多层板、异质板的单侧成型铆接方式，其过程分为预热定

123

456

图1

作者简介：王有道（1985年—），男，工程师，硕士学位，研究方向为白车身连接工艺、汽车轻量化。

基金项目：国家外专局引智项目：锁铆技术在轿车白车身生产线上的应用（编号SN20162102018）。

热熔自攻丝铆接的六步过程

参考德系主机厂中FDS工艺质量标准，采用汽车行业中常用的FDS铆钉，设计了不同板厚、相同材质的钢/铝匹配试验，选取热熔自攻丝铆接钻

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汽车工艺与材料AT&M

2018年第5期

AT&MAT&M视VI界SION孔下压力、钻孔刀头转速、锁紧扭矩3个最主要的特征参数，研究其对铆接工艺质量的影响。

孔两个过程，同时其对板材预热效果也会直接影响整个铆接质量。而锁紧扭矩则是铆点最终成型的关键参数，其对应的破坏扭矩更是主机厂检测的直接对象。

通常各大主机厂对于热熔自攻丝铆接质量评价基于以下三点。

a.外观上，铆钉头要锁紧在上层板面，两者间隙要小，铆钉要完全打入板材中；

b.内部破检要求铆钉在板材内部锁紧螺纹必须被无缝隙地紧密填充，板材螺纹牙不能有破坏、空洞等情况出现；

c.铆点破坏扭矩必须足够大，满足工艺强度设计。

针对以上的三个参数，按照热熔自攻丝铆接本身的工艺要求，采取上层使用不同的钢板配合下层铝板6061-T4的方案进行铆接试验。具体试验设计见表2～表4。

表2上层板CR210IF0.75mm/下层板6061-T43.0mm条件下FDS试验参数设置表0.80.91.01.02100210021002100111111122

2.1

工艺匹配试验

试验设备和选材

试验设备采用德国WEBER的FDS铆，铆接主

下压力最大可达3.5kN，铆接转速最大8000r·min-1。铆钉采用ARNOLD的M5×22汽车车身通用铆钉（图2）。

机器人

PDS铆

简易夹具台

图2热熔自攻丝铆接设备

试验中采用的GMW3032M-ST-S系列钢属于通用全球工程标准构料中的低合金高强度冷轧钢板。尤其本研究中的CR210IF和CR340LA在汽车白车身中较为广泛，参照实际汽车用钢板厚度，选取CR210IF0.75mm、CR340LA0.8mm和CR340LA0.9mm作为近的6061-T4代替，其厚度为3mm（表1）。

表1合金牌号CR340LA6061-T4CR210IF试验用连接板材性能序号钻孔下压力/kN刀头最大转速/r·min-1锁紧扭矩/N·m1234表3研究对象。而汽车用铝合金选取与实际用材性能相

上层板CR340LA0.8mm/下层板6061-T43.0mm条件下FDS试验参数设置表1.01.11.11.21.51.51.51.51.52.5210021002100210021001000150025003000210011111213111111111111序号钻孔下压力/kN刀头最大转速/r·min-1锁紧扭矩/N·m12345678109屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa

21034090340410170206206692.2铆接工艺参数、评价及试验设计

在整个热熔自攻丝铆接过程中，铆会持续

向板材方向下压，同时铆的刀头也会夹持铆钉高速旋转。其中主要研究的钻孔下压力是指在穿透所有板材过程中刀头对板材的压力；刀头最大转速则是指刀头在预热中快速达到的最大转速；而锁紧扭矩是最后刀头将铆钉锁死时使用的最大扭矩。其中前两者不仅决定铆接过程中钻孔、扩

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3

3.1

试验结果分析

铆接过程曲线分析

热熔自攻丝铆接的工艺过程自身可细化分为

汽车工艺与材料

AT&M

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AT&MAT&M视VI界SION热熔钻孔/扩孔、螺纹攻丝/锁紧两部分，因此对于热熔自攻丝铆接曲线分析完全可以借鉴热熔钻和螺纹攻丝/锁紧两个较为成熟的工艺过程分析[10,11],其曲线过程以铆钉相对板材的位移量为横轴建立坐标系，这样可以借助铆钉位移判断出当前所处的铆接状态。图3中一系列曲线为表3中钻孔下压力1.1kN、刀头最大转速2100r·min-1、锁紧扭矩11N·m的铆接过程曲线。

表4上层板CR340LA0.9mm/下层板6061-T43.0mm条件下FDS试验参数设置表1.11.21.21.21.28060402000

5

1015铆钉位移量/mm

20

25

①

②

实测铆钉有效连接长度为20.5mm，其各段长度经测量如下：铆钉钻孔段近似于三棱锥,其长度4mm，扩孔段包括圆锥和圆柱两部分长约5.5mm，攻丝螺纹长度为4～5mm。综合铆接过程曲线变化和铆钉各段长度分析，可将铆接过程分为5部分（图3）。其中①为预热、钻孔过程，该过程中铆钉提高转速点定中心后快速钻透上下板材。由于钻孔摩擦力随着铆钉的深入而加大，铆实际下降速度一直保持在5mm/s左右，并且摩擦扭矩也持续加大。②为扩孔过程，一方面板材已经被穿透，铆下降速度会迅速提升；另一方面因为实际铆钉经过三棱锥到圆柱的过渡，扭矩在短期扩大后，会逐渐稳定。③为攻丝过程，通常情况下铆会降低转速、加大下压力，而攻丝扭矩会变大。但该组试验最高转速2000r·min-1相对于铆最高转速8000r·min-1仍属于偏低转速，所以转速和压力仅微调处理。④为螺纹拧丝过程，实验中设定拧丝转速采用先快后慢的设定方式，和其他拧丝过程一样，扭矩不断减小。⑤最终锁死过程，铆钉在低转速条件下，达到目标扭矩。3.23.2.1

铆接特征参数分析

在表2中1-3组的参数中刀头最大转速和锁紧钻孔下压力对铆接过程的影响

序号钻孔主下压力/kN刀头最大转速/r·min-1锁紧扭矩/N·m12345铆下降速度/mm·s-130003000300030003000③

④

⑤

1111121314（a）铆钉位移量-铆下降速度关系曲线

250020001500100050000刀头实际转速/r·min-1①②③④⑤

扭矩相同的条件下，实测发现钻孔下压力过小会直

5

1015

铆钉位移量/mm

20

25

接导致铆钉无法穿透板材（图4a）。而在表3中当刀头最大转速2100r·min-1、锁紧扭矩11N·m的相同时，钻孔下压力由1.1kN升至2.5kN会直接导致板材变形严重，这在白车身生产中不能被接受（图4b）。

（b）铆钉位移量-刀头实际转速关系曲线

气缸主压力/MPa1.20.80.40

0

①

②

③

④

⑤

5

1015铆钉位移量/mm

2025

0.8kN

1.0kN

1.1kN

2.5kN

（c）铆钉位移量-气缸主压力关系曲线

锁紧扭矩/N·m128400

①

②

③

④

⑤

5

1015

铆钉位移量/mm

2025

（a）表2-1组、2-4组

铆接比较

图4

（b）表3-2组、3-10组铆接比较

（d）铆钉位移量-锁紧扭矩关系曲线图3

热熔自攻丝工艺过程曲线

不同钻孔下压力铆接效果比较

在不同组横向对比过程中，也能发现规律：

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AT&MAT&M视VI界SIONCR2100.75mm铆接钻孔下压力的下限为1.0kN，CR3400.8mm铆接钻孔下压力的下限为1.1kN，CR3400.9mm铆接钻孔下压力的下限为1.2kN。铆接中钻孔下压力需要随着板材加厚、强度增强而加大设定值。3.2.2

在表3中5～9组中对刀头最大转速选用的不刀头最大转速对铆接过程的影响

验进行破坏扭矩测量后发现：铆接强度会因内部螺纹成型变坏而减小（图7）,铆接强度并不会单一地随扭紧扭矩加大而增加。

同设置，通过3次同样参数数据采集，可拟合出铆接节拍时长和刀头最大转速之间曲线关系（图5）。明显发现铆接节拍时长会随着刀头最大转速增大而缩短，而缩短的幅度则随转速增大而减小。这主要因为提高刀头最大转速能够增加软化铆接板材所需的摩擦热能，所以当转速提高初期时铆接过程节拍会缩短。但板材软化也会缩短摩擦生热时间，也就是说铆接过程中摩擦热量并不会随着转速提高无增加，而是存在极限值。

3500铆接节拍时长/ms30002500

破坏扭矩/N·m200015001000

1000

200030004000刀头最大转速/r·min-1

5000

（a）表4-2组铆接破检结果（b）表4-4组铆接破检结果

（c）表4-5组铆接破检结果

铆接实测点

拟合曲线

图6

1082011

表4实验中不同锁紧扭矩的破检结果

主压力1.2kN

刀头最大转速3000r·min-1

图5刀头最大转速与铆接节拍时长关系曲线拟合

3.2.3

在表4中，主要考察其他参数一致时，铆接锁

锁紧扭矩对铆接过程的影响

12

13

锁紧扭矩/N·m

1415

图7表4中铆接参数匹配中不同锁紧扭矩破检结果

紧扭矩对铆接成型的影响。从图6可以看出，表4-2组锁紧扭矩设为11N·m，其下层铝板母材完全将铆钉螺纹填充满，且螺纹与母材界限分明；表末端已有未填充状况，且母材螺纹存在“钝化”现4-4组锁紧扭矩设为13N·m，铆钉螺纹在铝板侧象甚至部分螺牙出现裂纹；表4-5组锁紧扭矩设为14N·m，铆钉螺纹在铝板侧大部分没有填充，且母材螺纹已经十分模糊。

测量破坏扭矩是利用扭矩扳手松解铆钉来检验热熔自攻丝铆接强度的方法。通过对表4中主压力1.2kN、刀头最大转速3000r·min-1的几组实

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4结论

通过对GMW3032系列钢板和铝合金6061-T6

进行一系列热熔自攻丝铆接特征参数相关的试验，分析铆接过程曲线，可以得出以下结论。

a.钻孔下压力直接决定铆接成型，其值一定要满足铆接成型要求，但过大也会导致部件严重变形。

b.在其他参数一定时，刀头最大转速增大会缩铆接节拍时长，但缩短的幅度则随转速增大而减小，并存在极限值。

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AT&MAT&M视V[6]I界SIONR.J.Dashwood.Improvementsin

M.Carandente,

c.铆接中锁紧扭矩影响铆点内部成型。如果设置过大，铆点连接的内部螺纹会破坏，导致连接失效。

参考文献：

[1]J.E.Gould.JoiningAluminumSheetintheAutomotive91(1)：23-34.Properties,

Industry-A30YearHistory[J].WeldingJournal,2012,

numericalsimulationoftheSPRprocessusingathermomechanicalfiniteelementanalysis[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2016,（236）：148-161.

[7]DanH.A.andJ.A.UtneGustad.BehaviourandModellingofFlowDrillingScrewConnections[D].NorwegianUniversityofScienceandTechnology,2014.津大学，2007.

[9]王有道,高泰,孟令刚,刘羽.铝车身半空心自冲铆强度优化设计[J].汽车工艺与材料,2017,（12）：28-33.[10]温继伟,陈展.基于数值计算与遗传神经网络热熔钻

研究[J].中南大学学报（自然科学版）,2013,（12）：[11]FWiderøe,TWelo.Usingcontrastmaterialtechniques

todeterminemetalflowinscrewextrusionofaluminum213(7):1007-1018.

[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology.2013,

AT&M[2]AndreasChrysanthou，XinSun.Self-piercingrivetingWoodheadpublishingLimited，2014.

processing

and

applications[M].

UK：

[8]万淑敏.半空心铆钉自冲铆接技术的研究[D].天津：天

[3]J.Skovron,L.Mears,D.Ulutan,etal.CharacterizationofFlowDrillScrewdrivingProcessParametersonJointQuality[J].SAEInt.J.Mater.Manf，2015,8(1):35-44.

[4]XiaocongHe,IanPearson,KenYoung.Self-piercerivetingforsheetmaterials:Stateoftheart[J].Journalofmaterialprocessingtechnology，2008,（199）：27~36.

5051-5059.

[5]J.K.Sønstabø，PH.Holmstrøm,etal.Macroscopicstrengthandfailurepropertiesofflowdrillscrewconnections[J].

Technology.2015,222:1-12.

Journal

of

Materials

Processing

（上接第9页）

路径及修整操作时间，输出操作清单，如图7所示。经工艺规划及仿真分析，该工位生产周期由原来的203.34s缩减至176.78s，满足工位设计节拍要求。结果分析得到，操作者1实际有效工作时间为147.44s，操作者2实际有效工作时间为130.28，该工位整体优化节拍约13%。序号123293031323334353637384操作清单人2-走动（去抬外板）人2-抓取外板人2-起身人2-走动（关闭开关1）人2-走动（放置焊钳）人2-放置焊钳人2-走动（打开夹具）人2-打开夹具人2-走动（取吊具）人2-抓取人2-吊具行至夹具上方人2-吊具抓件人2-吊具行至12工位之间人2-恢复姿态吊具行至约3420mm直立状态吊具行至约3420mm转身（<90）走4步，距离2394mm5个开关转身（90）走5步，距离3699mm备注转身（>90）走3步，距离2040mm双手抓件（双人抬件）约60度转身（90）走7步，距离2628mm转身（90）走3步，距离1983mm起始时间/s11.518.8101.104.34105.44146.04153.04157.24157.94161.36173.36176.7818.80时间/s2.810结果时间/s12.518.8104.34105.44108.24153.04157.24157.94161.36173.36176.78176.7825.12.8参考文献：

[1]王秀玲.人机工程学的应用与发展[J].机械设计与制造,2007,1(1):151-152.

[2]朱序璋.人机工程学[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999,11:28-29.

AT&M6.32.81.12.84.23.423.420120.77图7工位布局仿真建模及仿真优化结果

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