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随着汽车行业的发展，汽车轻量化已成为汽车行业发展趋势。与此同时，人们对汽车经济性要求越来越高，从而使汽车制造商更加重视车身总成的轻量化和车身连接技术。而在现有的多种连接方式中，传统的点焊(电阻焊)对于有色金属(如铝板)之间、金属与非金属之间以及非金属之间的连接一直很难有效实现。 因此，随着目前各种材料结构性能要求和构件密封性能的不断提高，在普通铆接技术上又发展了密封铆接。铆接工艺有诸多优点，如连接、操纵较稳定，质量方便检查，故障容易排除等，这一连接技术可以有效用于车身制造。 SPR（Self Piercing Rivet）指不需要母材开底孔，用铆钉贯穿上方母材，但不贯穿下方母材，将多个母材连接在一起的一种铆接形式，可以使不同种类的金属连接在一起（图1）。铆接两层相同金属材料时，较厚的放在下层；铆接两层不同金属材料时，将塑性好的材料放在下层；铆接金属与非金属材料时，将金属材料放在下层。
自冲铆设备由冲锤、压边圈、凹模及铆钉组成。压边圈将制件压紧，铆钉在冲头的作用下，刺穿上层板并刺入，但不刺穿下层板料，随着下层板料流入凹模，铆钉腿开始向外扩张，铆钉在冲头和凹模的共同作用下向周边形成铆扣，使铆钉与上下板料形成一个牢固的机械内锁结构，然后冲头压力松弛上提，凹模下行，铆钉将制件连接（图2）。
自冲铆的连接强度可以通过观察铆钉腿的嵌入量和铆钉头部的进出量来判断。由于在正常生产的情况下无法查看铆钉腿的嵌入量，一般通过检测铆钉头部的进入量。在两层板铆接时，嵌入量一般大于0.2 mm；三层板铆接时，嵌入量一般大于0.3 mm。如图3所示，突出量：铆钉的翻边伸出上方母材或缩进母材的尺寸。下板最小壁厚：铆钉顶端到下方母材的厚度。互锁：铆钉顶端张开，嵌入下方母材中，使两层板或三层板无法脱落。
铆钉的尺寸包括直径（铆钉腿部直径）和长度。一般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度。铆钉直径的选择只需要根据铆接板料厚度来决定，一般铆接板料厚度越大，铆钉的直径越大，如连接2.0 mm+2.0 mm厚的板料，多选用φ5 mm直径的铆钉；连接1.0 mm+1.0 mm厚的板料，多选用φ3 mm直径的铆钉。铆钉一般直径范围为：φ3～φ6 mm。铆钉的理论长度为L=T+C（T为板料的总厚度，C为铆钉超出板厚部分的长度）。C=0.617 d-0.124 6（d为铆钉的直径）。根据理论的铆钉长度进行圆整，取标准铆钉长度近值的上限即可。若已知铆钉的直径及长度，也可以求得铆接板料最合适的厚度，T=L-C。某公司某车型采用钢铝组合形式，采用铆接形式依次选取铆钉直径、板材搭接顺序、板材厚度、铆钉长度、电化学腐蚀及夹胶采用0.9 mmAC118（铝板）+0.7 mmDZ51D+Z（钢板）组合，分别用φ3 mm和φ5 mm铆钉铆接。试验结果见表1，φ5 mm铆钉左右侧均有刺穿缺陷，无法进行使用；φ3 mm铆钉需要进一步验证不同材料搭接顺序，对底切值及铆接强度的影响。
使用铆模型号为：DZ07-000；铆钉型号为：C30441A（φ3 mm×4 mm）；板材为：0.9 mmAC118C11（铝板）+0.7 mmDC51D+Z（镀锌钢板）组合，进行不同搭接顺序的试验，试验结果见表2、表3。
对板材厚度进行优化，实施金相实验，铆钉与铆模型号不变，实验结果见表4。试验结果：0.9 mm+0.8 mm板材组合的铆接性能优于0.9 mm+0.7 mm板材组合；但用φ3 mm×4 mm铆钉均存在严重刺穿的现象，需进一步验证铆钉长度、板材厚度。
+Z（镀锌钢板）板材组合均采用C30N44A（φ3 mm×3.5 mm）的铆钉，故使用此铆钉进行试验，实验结果对比见表5。试验结果：0.9 mm+0.8 mm组合满足标准要求，故采用此板厚配合，铆钉采用C30N44A（φ3×3.5 mm）。
采用相对中性盐雾试验中更加恶劣的试验条件以加快试验速度，试验可依据《金属和合金的腐蚀 循环暴漏在盐雾、“干”和“湿”条件下的加速试验（GB/T 20854—2007）》，实验结果见表6。试验结果：铝板与钢板组合，在车型设计时建议在钢铝接触面进行夹胶处理。
SPR属于机械连接方式，且铝板在机械连接方式中的应用多于钢板，但要考虑表面保护，防止接触腐蚀。连接强度可完全代替现行钢板焊接工艺的点焊，由于成本高，此技术仍无法广泛地应用于汽车行业。随着现代工业发展的要求，未来汽车的板材将进一步向复合型与功能型方向发展。由于全社会对环保日趋重视，镀锌涂层板材以及轻型材质板材（如汽车用铝合金板材）必将得到更广泛的应用，而传统的点焊工艺很大程度上阻碍了这一发展。因此，如何解决好这些新型板材的连接问题，不仅对于这些板材的广泛应用是十分关键的，而且对现代工业产品的质量提高和成本降低也是至关重要的。
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文章作者：天津特利福科技有限公司 底朝龙 庞月涛 李保安 |
