锁铆技术在汽车轻量化铝合金部件上的应用

　　文王云庆，史飞飞一浦莱斯精密技术（深圳）有限公司
　　随着碳达峰和碳中和政策法规的深入落实，汽车工业面临的节能减排压力越来越大，汽车轻量化不但是应对日益严苛的二氧化碳排放法规所采取的重要手段，也是提升汽车关键性能的有效途径。目前，采用轻量化结构设计，使用新型轻质材料和新型制造工艺装备是实现汽车轻量化的三个要素。铝合金材料具有比强度高，密度小（约为钢的13）及抗腐蚀性好等诸多优点，已经成为国内外汽车制造商在实现汽车轻量化过程中替代传统低碳钢的主要材料之一。随着汽车轻量化需求不断推进，汽车单车用铝量也在不断增长。据中国汽车工业协会数据（图1），2014～2020年，汽车单车用铝量从110千克车增长到190千克车，预计到2025年，将有望增长到250千克车，2030年将大幅度上升至350千克车。
　　图1中国单车用铝量及预计（kg）
　　新能源汽车市场的高速发展，带动铝合金材料和各种加工工艺（板件冲压型材挤压铸造温锻成形等）的发展，并催生新型连接工艺技术（锁铆SPR、热熔钻铆FDS和热熔钻拉铆FDR等）在汽车工业的应用，例如车身覆盖件、全铝车身、电池托盘以及铝合金底盘部件。根据汽车研究机构DuckerFrontier的数据，2020年非纯电动汽车的单车用铝量为206千克，纯电动汽车的单车用铝量为292千克，电动车单车用铝量较传统燃油车高42（图2）。
　　图2燃油车和电动车用铝量（资料来源：头豹研究院）锁铆连接技术锁铆连接工作原理
　　锁铆铆钉在外力的作用下，通过穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动和延展，形成一个相互镶嵌的永久塑性变形的铆钉连接过程，这一过程称作锁铆连接，又称作SPR连接。该铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪强度，称作锁铆铆接点（图3）。它可以用于连接各种混合材料组合，如带镀锌层、有机层或预涂装的钢板以及铝钢混合板件或非金属与金属的混合板件材料组合。
　　图3锁铆铆点锁铆连接工艺过程
　　图4是锁铆连接工艺过程示意图，铆接过程分别为定位、夹紧、送钉、刺穿、变形、成形阶段。夹具定位被连接工件，预夹紧工装向下运动压紧待被连接工件，与此同时，锁铆铆钉在冲头的作用下垂直向下对被连接工件进行预压紧。在动力源施加外力下，使铆钉刺穿上层工件（和中层材料），并继续运动向下到下层工件。铆钉在冲头作用下继续向下运动，下层工件材料发生变形逐渐填充入凹模，铆钉腿部向周围扩张与发生塑性变形的材料形成了机械互锁结构；当铆钉头部（平头铆钉）与上层工件的上表面紧密接触且平齐，且铆钉没有刺穿被连接工件下层材料，即铆接完成。此时冲头和预压紧工装在返程作用力下，返回初始工位。
　　图4锁铆工艺过程锁铆连接技术优势
　　连接材料组合广泛。可以连接不同材质、硬度、厚度材料组合，有镀层、夹层包括结构胶等材料连接组合，以及非金属材料组合和多层材料组合。
　　铆接质量高。专用锁铆连接设备保证铆接点质量稳定可靠，一致性好，大大降低客户维护成本，动态疲劳强度高，撞击能量吸收性能好，可无损伤检测连接质量（图5）。
　　图5锁铆点与点焊的点高度对比和能量吸收能力对比
　　综合成本低。无需连接前后的处理工序，单一工序，工作效率高，操作成本低，能耗低，无需额外的环保和劳保投资。
　　柔性组线好。可以实现铆接自动化作业，易于与生产过程自动化集成，更换产品只需调整参数设置即可，减少了多台设备的投资，降低了固定资产的投入。
　　表1中是锁铆点剖面金相图和铆接强度数据，可以看出锁铆连接在铝合金材料组合连接和钢铝混搭材料组合连接中的优势。
　　表1锁铆点的剖面金相图和铆接强度数据
　　锁铆连接智能装备
　　锁铆连接智能装备由C形钳体、铆接系统、自动供钉系统、质量管理系统、控制系统、动力系统和其他辅助装置组成，图6为机器人数控伺服锁铆成套装备。
　　图6机器人数控伺服锁铆成套装备
　　机器人数控伺服锁铆成套装备是以数控伺服驱动技术为驱动动力，以在线质量监控与管理系统为核心，以机器人柔性集成应用为场景，实现了对每个铆接点过程参数（速度、压力和位移）的精确、精密、精准控制。
　　锁铆连接智能装备具备工业4。0四大功能特征：
　　自动化：连接机器人，可实现自动操作，生产效率高。
　　智能化：铆接过程质量实时100自动监控，避免批量缺陷事故发生。
　　信息化：对质量大数据进行采集、分析、存储和追溯管理，不断优化改善和提高。
　　网络化：配置标准通讯接口，实现智能工厂制造信息系统MES互联互通和远程控制。在线质量过程监控与管理功能
　　工作原理：使用精密的扭力传感器和位移传感器，采集铆接过程中的力和行程数据，通过设置质量判断窗口条件，对实际发生的力和行程XY数值进行实时比对分析和结果判断，从而实现对铆接过程质量的监控和质量数据的采集、分析、存储和追溯管理（图7）。
　　图7在线质量过程监控曲线图
　　在线质量过程监控与管理功能既保证生产的每个铆接点都是受控的良品100检验，也间接为后期优化设计提供技术支持，专业保证铆接质量。并且可以实现人机交互和故障自诊断报警功能，当出现质量问题或者发生设备操作故障时，能够智能停止系统同时三色灯报警，并在显示屏上提示可能的错误原因，帮助操作者解决问题。外部通讯对接智能制造系统数据库，具备多种通讯接口，满足MES系统数据交换和自动化总线控制要求。锁铆技术在铝合金上的应用
　　机器人智能锁铆系统（图8）是一套为解决汽车车身中地板总成钢铝混搭材料铆接的工作站。该装备由精密伺服驱动装置、自动吹送供钉系统和智能铆接质量监控系统组成，实现同一个产品上多种材料组合的锁铆铆接工况。一个中地板总成产品由两种不同材料和不同厚度的铝板和钢板组合而成（图9），当机器人智能铆接系统工作时，铆接操作系统可以按工作顺序根据通讯协议自动切换相应的铆接程序进行快速铆接，不同的材料组合对应的铆接参数（速度、压力和位移）是不相同的。这套系统，不但可以满足各种汽车轻量化材料组合之间的自动化高强度连接需要，而且实现100铆接质量检测和质量数据追溯管理，避免出现批量缺陷产品。一旦出现缺陷铆点，智能铆接设备立即报警，并提示和帮助操作人员排除故障，保证产品质量得到控制。
　　图8机器人锁铆铆接工作站
　　图9车身部件（钢铝混搭材料连接）锁铆技术与点焊技术的对比分析
　　作为铝合金材料或者钢铝混搭材料组合的重要连接工艺，锁铆连接技术为各种铝合金材料在汽车轻量化领域创造了更多应用场景。尤其是在节能减排和双碳背景下，各种轻量化材料不断涌现和搭配应用，锁铆技术在铝合金车身上应用越来越多，数量远远超过铝点焊。例如在AudiA8（D3）上使用数量达2400点，AudiTT。上数量达1606点。我国具有丰富的铝镁合金材料储备，具备各种铝合金材料（板材型材铸材）深加工工艺技术，锁铆技术和装备必将大大推动汽车轻量化进程，推动新能源汽车的快速发展。例如全铝车身车型的蔚来ES8；框架式全铝车身车型的吉利英伦TX等。
　　与热连接铝点焊工艺相比，锁铆连接具有三个明显的优势：连接点强度高30以上；连接点应力均匀分布，没有应力集中和热变形；没有加热过程，连接成本比较低。
　　锁铆技术与点焊技术的成本分析见表2，可以看到锁铆连接技术在铝合金应用中具有明显的成本优势。
　　表2锁铆技术与点焊技术的成本分析（设备投资、运转费用、模具费用）
　　结束语
　　由此可见，铝合金材料是我国新能源汽车轻量化主要材料，2019年中国乘用车平均单车用铝量为129千克，对标北美单车用铝量和铝化率，中国汽车用铝市场仍有很大上升空间。由于铝合金和传统钢材在物理属性等方面存在巨大差异，传统的点焊工艺技术已经不能满足行业的发展需求，也不是最佳的连接工艺。在双碳和节能减排的大背景下，加之汽车轻量化与汽车续航里程正相关，锁铆连接工艺技术，将成为铝合金材料在汽车轻量化领域应用的主要推手，为铝合金材料深加工带来巨大的增值空间，为汽车轻量化铝合金部件带来巨大的市场应用空间。
　　作者简介
　　王云庆
　　总工程师，同济大学硕士研究生，德国机械连接技术研究学者，中国锻压协会板材成形设备组专家，江苏省产业教授，中国锁铆铆接技术的创始人，擅长为轻量化材料组合连接提供整体铆接解决方案，拥有发明专利两项、实用新型专利多项。
　　文章选自：《锻造与冲压》2022年第8期