摘要 : 介紹了自沖鉚接技術的概念、類型、工藝原理以及在汽車車身制造中的應用 , 對自沖鉚接和點焊的工藝連接做了比較 , 指出了自沖鉚接技術的應用前景。

隨著汽車制造業競爭的日益劇烈 , 各汽車制造廠家不斷向市場推出新款車型 , 新車型除了突出安全性
好、性價比高、款式新穎等特點之外 , 主要的競爭矛頭指向汽車的行駛經濟性 . 在過去的 20 a 中 , 汽車制造商一直在尋找解決問題的方法 , 試驗證明 , 采用新型輕金屬材料實現車身輕量化 , 對改善汽車行駛經濟性
是行之有效的 . 同時 , 降低整車質量可使汽車的多種性能得到改善和提高 . 研究表明 , 當整車質量降低
10 % 時 , 燃油經濟性提高 3. 8 % , 加速時間降低 8 % ,CO 排放減少 4. 5 % , 剎車距離減少 5 % , 輪胎壽命提高7 % , 轉向力減少 6 % [1] . 由此可以看出 , 汽車輕量化的重要性 . 汽車輕量化的重要潛力是在車身的制造中大量使用輕金屬和非金屬材料 , 例如鋁合金、強化塑料等等 . 顯然這些材料的連接采用目前的點焊技術不行 , 隨之提出采用鉚接技術對車身的內外覆蓋件連接 . 而傳統的鉚接工藝都需要對鉚接材料進行預沖孔 ,然后再用鉚釘進行連接 , 這種鉚接工藝復雜、外觀質量差、效率低且不易實現自動化 . 自沖鉚接
（Self2piercing riveting）工藝克服了傳統鉚接的弊端 , 實現了沖鉚一次完成 , 為汽車車身的連接開辟了新途徑 。

國外許多汽車生產企業已經應用了此工藝 , 例如美洲虎汽車公司已經在 X350 系列、 XJ 型豪華轎車的鋁制車身上應用自沖鉚接技術 , 每輛車至少應用 3 000 個鉚釘 ,U K 系列也將陸續應用 , 奧迪汽車公司在私家轎車的鋁質車身上至少應用 1 400 個鉚釘 . 沃爾沃汽車公司不但有自己的自沖鉚接車輛生產線 , 還建成了自沖鉚接設備和鉚釘生產線 , 并首先在 Volvo FH12 系列重型貨車駕駛室應用自沖鉚接技術 , 重量比以前減少了 30 % , 每 a 節省 244 ,000 美元生產成本 [2] 。

1 　自沖鉚接工藝的類型

1. 1 　實心鉚釘的自沖鉚接工藝 [3]

腰鼓形實心鉚釘自沖鉚接工藝 , 如圖 1 所示 , 沖頭推動實心鉚釘一起向下運動 , 鉚釘下部的刃口將鉚
接材料沖掉 , 置于凹模內落下 , 鉚釘到達凹模后停止運動 ; 隨著沖頭的繼續下行 , 沖頭下端面的凸臺對鉚接
材料加壓 , 迫使其發生塑性變形而向內做徑向流動 , 使其緊緊包住腰鼓形鉚釘 , 從而形成穩定的鎖止狀態 .
這種鉚接工藝只用于塑性金屬間的連接 。

另 1 種實心鉚釘的自沖鉚接工藝如圖 2 所示 , 其鉚釘形狀并非腰鼓形 , 但鉚釘上有一環形凹槽 . 當沖
頭下行至下死點后擠壓鉚接材料 , 下層的被鉚材料受壓產生塑性流動充滿凹槽 , 而鉚釘的上端面則產生
“鐓頭” , 而將兩層材料鉚接在一起 . 這種鉚接工藝適用于相同金屬材料間的連接、不同金屬材料間的連接以及非金屬間的連接。

1. 2 　半空心鉚釘的自沖鉚接工藝
半空心鉚釘的自沖鉚接工藝如圖 3 所示 , 壓邊圈首先向下運動對鉚接材料進行預壓緊 , 防止材料在鉚
釘的作用力下向凹模內流動 , 而后沖頭向下運動推動鉚釘向下刺穿上層材料 . 在凹模與沖頭的共同作用下 ,
鉚釘尾部在下層金屬中張開 , 形成喇叭口形狀以便鎖止鉚接材料 , 達到連接目的 . 半空心鉚接工藝鉚接兩層
相同金屬材料時 , 較厚的放在下層 ; 鉚接兩層不同金屬材料時 , 將塑性好的材料放在下層 ; 鉚接金屬與非金屬材料時 , 將金屬材料放在下層 . 在汽車車身制造中 , 考慮到具體的生產環境、自沖鉚接工藝的特點、連接強度以及所應用材料的物理性質等 , 實心鉚釘的鉚接工藝有很多自身的局限性 , 所以在汽車輕量化生產中主要應用半空心鉚釘的自沖鉚接工藝。

2 　半空心自沖鉚接件與點焊件連接質量比較

2. 1 　半空心自沖鉚接件與點焊件抗靜拉力比較

通過對相同材料的焊接件和鉚接件進行靜拉力試驗 , 比較焊接件與半空心自沖鉚接件的抗靜拉力的情況 . 靜拉力試驗通常是將連接件的兩端分別裝卡在材料試驗機的兩個卡頭上進行拉伸 , 測出連接點破壞時的拉力峰值 , 作為其抗靜拉指標 [4 2 5] . 針對汽車車身制造的實際情況 , 制作兩種連接形式的試驗樣本 A
和 B , 尺寸和形狀如圖 4 ,5 所示 , 其中圖 5 中 L 為試驗時的夾緊長度 , 可以按照試驗要求選取 . 連接件的材料匹配如表 1 所示 [6 2 7] 。

       對 A ,B 兩種連接形式的試件 , 按照材料分別制成焊接件和鉚接件 . 對所有的焊接試件和半空心自沖
鉚接試件進行靜拉力試驗 , 記錄試件的最大抗靜拉力值 . 對于焊接試件 , 最大抗靜拉力值為試件斷裂或脫
落時的最大拉力值 ; 對于半空心自沖鉚接試件 , 最大抗靜拉力值為鉚釘脫落時的最大拉力值 . 將 A 形式的
焊接件與鉚接件的最大拉力值按照序號制成直方圖進行對比 , 如圖 6 ; 同理 , 將 B 形式的焊接件與鉚接件
的最大拉力值也按照序號制成直方圖進行對比 , 如圖 7 所示。

通過對圖 6 和圖 7 的分析可以得出以下結論 :

（1）鋼板與鋼板間 : 焊接件的抗靜拉力能力好于鉚接件 , 特別是厚鋼板之間的連接 .

（2）鋁板與鋁板間 : 薄鋁板鉚接件的抗靜拉力能力好于焊接件 , 厚鋁板鉚接件的抗靜拉力能力不如焊接件好 。

（3）A 形式試件的抗靜拉力能力好于 B 形式的試件

2. 2 　半空心自沖鉚接工藝與點焊工藝其他性能比較

試驗證明了對于鋁板的連接 , 半空心自沖鉚接件無論是抗靜拉力還是抗疲勞性方面都好于傳統的焊
接件 . 除了以上良好的連接性能外 , 半空心自沖鉚接工藝還有其他優點 , 如表 2 所示 . 因此 , 可以充分肯定
半空心自沖鉚接工藝將在汽車車身輕量化生產中廣泛應用。

3 　結 　　語

通過對自沖鉚接工藝的全面介紹及與現在汽車制造行業慣用的電阻點焊工藝進行的全面比較可知 ,
自沖鉚接可以進行輕型金屬與非金屬 ( 如鋁和塑料 ) 、黑金屬與有色金屬、有色金屬 ( 如薄鋁板 ) 之間的連接 , 總之 , 凡是難于進行焊接的材料都可采用自沖鉚接工藝連接 , 且自沖鉚接連接點的疲勞極限高于點焊
的疲勞極限 , 能夠適應汽車車身承受變頻振動的狀態 . 在車身生產中 , “自沖”的特點為快速生產和流水線
制造創造了條件 . 該工藝可用于汽車底盤件、汽車覆蓋件、車座椅、內飾件之間的連接 , 特別是對于貨車車廂板間的連接有重要的意義 . 隨著汽車制造業的不斷發展 , 各種新型材料的廣泛應用 , 自沖鉚接工藝在實
現汽車輕量化中將呈現異軍突起的勢態。