上汽大众自穿刺铆接技术在新能源汽车上的应用

SPR全称为自穿刺铆接技术，不仅适用于同种材料零件之间的连接，还适用于不同材料零件之间的连接，如钢-钢、铝-铝、钢-铝的连接等。国外车企对SPR技术在汽车上的应用比较广泛，而国内主机厂对于钢、铝异种板材之间的连接多采用电阻点焊、Clinch连接、FDS连接（刺穿式连接）等工艺（见图1），对于SPR工艺的应用很少。

图1 连接类型

目前SPR的供应商不多，国外主要有德国Stanley（史丹利）、B ö l l h o ff（博尔豪夫）以及英国ATLAS-Henrob（阿特拉斯-亨罗布）；国内供应商主要有深圳浦莱斯和苏州斯旺西，且主要应用于非汽车领域。本文主要论述了某公司的SPR技术在上汽大众某款新能源汽车钢-铝板连接上的应用，归纳了SPR连接可靠性的技术要求和防腐保护要求，并阐明了其连接失效模式及修补方案。

SPR连接的工艺过程和特点介绍

1. SPR连接的工艺过程

SPR连接技术是一种冷连接技术，它克服了点焊等热连接技术的各种缺点。SPR连接通过铆枪的压力使铆钉穿透第一层材料和中间材料，铆钉腿部的中空结构在铆模的作用下，向底层材料中流动和延展并刺入底层板材，但是不会对下层板材进行刺穿，形成一个相互镶嵌、塑性变形的铆钉连接。SPR铆接的工艺过程主要包括定位、夹紧、施压、刺穿、变形和成形，如图2所示，最后铆钉与上下层板材之间形成牢固的机械互锁结构。

图2 SPR连接工艺过程

2. SPR连接的基本特点

1. SPR铆接设备外形 在白车身上布置SPR连接点时SPR铆接设备的外形和传统点焊的C形焊枪相似，需要考虑铆接空间（见图3）。

   

   图3 SPR铆接设备

2. SPR的板料基本要求 连接的零件总厚度在1.5～16mm，且底层零件至少为总厚度的1/3。厚度薄的零件放在上层，厚度大的零件放在底层。强度高、硬度高、延展性差的材料放在上层，强度低、硬度低、延展性好的材料放在底层。

   上层材料允许的最高强度为1 500MPa，上层材料强度越高，则底层材料需尽量选用强度低、硬度低、延展性好的材料，且需尽量厚。底层材料允许的最高强度≤600MPa，延展性≥12%。

3. SPR连接的技术优势

1. SPR连接外美观，质量稳定。传统的低碳钢车身连接一般采用电阻点焊工艺，而铝合金与低碳钢相比有热导率高（约为低碳钢的4倍）、熔点低（560℃）、表面易生成难熔氧化膜（1 536℃）等特点，这使得铝合金点焊存在能耗高、电极污染、焊接质量不稳定等缺陷。

2. SPR连接后下层零件不完全刺穿，因此SPR连接具有高防水性；铆钉空间占用少，避免了与其他零件干涉。

3. 相对于点焊、Clinch、FDS等连接方式，SPR连接具有成本低、效率高、连接可靠等优点，常用于钢-铝连接，对比见表1。

   表1 SPR连接与其他连接方式对比
   

   

SPR连接的技术要求

SPR连接可以将多层异种或同种的金属及非金属零件进行机械连接。根据在某车型上应用SPR技术的经验，不同连接方式对铆钉的尺寸要求不同，连接强度不同，对防腐技术的要求也不同。下面介绍上汽大众在某新能源汽车上应用SPR连接技术的研究。

1. SPR的连接类型

SPR可实现铝材（铸铝、型材、板材）间的连接，也可实现钢材之间的连接，甚至是镁、铜、非金属材料和夹层材料之间的连接。如图4所示为汽车上常用的SPR连接类型。

图4 常用的SPR连接类型

a）钢1.0mm/钢1.0mm 

b）铝1.2mm/钢1.0mm/铝1.2mm 

c）铝3.0mm/铝3.0mm

2. SPR铆钉硬度及尺寸

SPR连接的铆钉通常有钢制材料和铝制材料两种类型。汽车行业通常使用的铆钉基本为钢制材料，其硬度范围见表2。硬度的选择，根据连接对象的材料性能确定。

表2 SPR铆钉硬度

铆钉的类型有许多种，如盘头型、沉头圆顶形、沉头形等（见图5）。新能源汽车上常用3mm和5mm规格的沉头圆顶形铆钉，如图6所示为5mm规格f 5.3mm×5.5mm尺寸的沉头圆顶形铆钉的结构。

图5  SPR连接铆钉

图6 沉头圆顶型5mm规格铆钉

3. SPR常用铆钉表面保护

SPR连接工艺的铆钉通常要经过表面处理来提高抗腐蚀能力。

铆钉表面处理的种类有很多，常用的表面处理有如下三种：

1. 表面锌层涂覆处理 满足96h盐雾试验，适用于铝合金材料搭接连接；可接受后续喷漆最高烘烤温度180℃。一般应用在腐蚀低风险区域，如车身内板、衣帽架等区域。

2. 表面锌和铝涂敷处理 满足240h盐雾试验，可接受后续喷漆最高烘烤温度400℃。一般应用于腐蚀中等风险区域。

3. 表面锌镍涂敷处理 满足480h盐雾试验，可接受后续喷漆最高烘烤温度400℃。一般应用于腐蚀高风险区域，如前轮罩（铸铝）与上纵梁（钢）连接区域。

4. SPR的铆接布置要求

SPR铆接工艺和传统点焊工艺相似，需要一定的铆接空间以及足够的法兰宽度。一般而言，SPR连接设计时，由于铆接设备C形钳结构决定不宜铆接封闭腔体，因此设计时要避免封闭腔体结构（见图7）。由于C形钳在铆接点处不受干涉，故需避免垂直的法兰边，确保铆接钳能接触到铆接点（见图8）；最后还需预留凹模和C形钳的活动空间，保证零件能够脱模并移开（见图9）。

图7 SPR避免封闭腔体

图8 SPR避免垂直法兰边

图9 SPR设备移出空间避免垂直法兰边

SPR铆接工艺对铆接点处的法兰宽度、距离板材边缘的长度以及铆接点间距有一定的尺寸要求，过窄的法兰边以及过近的板材边缘距离，铆接后容易使钣金裂纹，导致连接失效。根据在某新能源汽车上的使用经验，两铆接点之间的间距需要保持最小30mm，其详细铆接位置尺寸需求见表3，铆接位置需求如图10所示。

表3 SPR铆接位置尺寸需求                                     （单位：mm）

图10 SPR铆接位置需求

5. SPR在新能源汽车上的应用

新能源汽车由于轻量化的需求，在车身上大量运用铝合金零件，SPR钢-铝的连接以及铝-铝的连接非常多。某款新能源汽车，前减振器支座为铸铝件，周圈钣金为传统的钢制件，此处的整圈连接采用SPR铆接技术。车身前后车门是优质的减重部件，除了防撞横梁以及上铰链安装板为钢制零件，其他的车门内外板及加强板板均为铝制件，其连接方式均采用SPR连接（见图11）。

图11  车门铝板之间SPR连接

6. SPR连接的防腐保护选择

同种铝合金零件之间的SPR连接，零件表面无需作特殊防腐处理，仅需要对钢制铆钉进行表面处理。处于干区的铝合金零件之间的SPR连接，铆钉表面要涂锌处理，要满足96h中性盐雾试验；处于湿区的铝合金零件之间的SPR连接，铆钉表面要锌镍合金涂覆处理，要满足480h中性盐雾试验。

钢-铝异种材料零件SPR连接，钢材与铝材之间匹配会存在电化学腐蚀。根据在某新能源汽车上的研究，处于干区的SPR连接，钢制零件表面要镀锌处理。对于处于湿区的SPR连接，目前有两种方式处理此问题，一种方法是对钢制零件镀锌并作电泳处理，另一种方法是钢制零件镀锌并与铝合金零件之间涂胶水。钢制零件电泳处理方法主要适用于钢制零件与铝合金件大面积接触的匹配方式，涂胶水方案主要适用于钢制零件与铝合金零件条状接触的匹配方式。

如图12所示是某新能源汽车上SPR钢-铝连接的应用，前减振器支座是铸铝件，上纵梁是钢制钣金，在钢铝匹配区域涂刷胶水，通过胶水隔绝铝板与钢板，从而避免电化学腐蚀，提高防腐能力；此连接区域是湿区，为避免铆钉与上层钣金间隙处滞留水渍，长时间侵润会加速钣金腐蚀，需要在铆接头上部区域喷涂PVC保护，确保此处的防腐性能。

图12 铝制减振器支座与钢制钣金SPR连接

图13 SPR连接防腐保护

a）铰链安装板SPR连接 

b）衣帽架SPR连接

如图13a所示为某新能源汽车前门铰链安装板处的SPR连接。通常前门有十万次开关耐久试验，对于铰链连接处强度要求很高，铝制安装板一般难以达到要求，为此铰链安装板采用钢制板材，而车门内板和其加强板采用铝制板材。此处两零件大面积接触，胶水不能保证均匀涂敷，不能可靠地避免钢铝电化学腐蚀。对于此种类型的面接触，对铰链安装板进行电泳处理，通过整体零件的电泳层隔绝钢铝之间的接触。

对于干区位置的钢铝SPR连接，对钢板不做特殊表面处理要求。如图13b所示为某新能源汽车在车内衣帽架区域的SPR连接，固定支架为钢制镀锌件，横梁为铝制件，通过SPR直接连接，支架未作前处理，两板之间不需增加胶水等隔绝措施。