简单分析SPR自冲铆接技术研究现状及应用前景

摘要：SPR（Self-Piercing Riveting）自冲铆接技术作为一种新型连接工艺，广泛应用于汽车车身制造中。阐明SPR工艺研究的难点和铆接的变形过程，归纳总结国内外关于SPR的相关研究现状，探讨接头质量的评价指标及方法，探究未来SPR工艺研究的方向和研究重点，并列举SPR工艺在汽车工业与其他领域中的应用。

关键词：自冲铆接；汽车车身制造；质量评价

前言

近年来在汽车制造工业中“轻量化”已成为发展的趋势，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性等方面都有很大的益处。实现轻量化的关键在于“多材料结构”的设计，即在车身不同的位置使用不同的材料。铝合金凭借其低密度、高强度、耐蚀性等性能，得到了汽车制造商的青睐，并在车身设计制造中得到了广泛的应用。

铝合金能否快速应用于汽车行业很大程度上取决于铝连接工艺的发展，特别是关于铝钢异种材料的连接工艺。SPR自冲铆接工艺克服了传统铆接工艺外观差、效率低、工艺复杂等缺点，实现冲、铆一次完成，连接过程不破坏板材的镀层，为汽车车身的连接开辟了新途径。目前，SPR技术已成为欧美高端车型制造中的关键连接技术之一，并且成熟应用于宝马、奥迪、沃尔沃和美洲虎等汽车的铝钢混合车身连接中，其中美洲虎铝制车身连接中SPR铆钉的使用已达3000多个。

为了使SPR工艺得到更广泛的应用，在此针对已有的国内外SPR工艺技术的研究现状进行归纳、总结，提出未来SPR工艺研究发展的重点趋势。

1SPR工艺过程及特点

1.1SPR工艺简介SPR

SPR工艺是通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下与铆钉发生塑性变形，成形后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。

根据铆钉的形状，SPR自冲铆接工艺可以分为：无铆钉自冲铆接、实心铆钉自冲铆接、半空心铆钉自冲铆接。在汽车车身连接中，既要考虑连接静强度和疲劳强度又要考虑车身轻量化，因此大多数汽车生产企业选择将半空心铆钉自冲铆接工艺应用于轻量化汽车车身薄板的装配。在此主要介绍半空心铆钉自冲铆接工艺。

1.2SPR工艺研究的难点

SPR工艺的力学特点决定了铆接质量，与铆钉、模具、板材、冲压设备等因素有关。影响铆接接头性能的主要工艺参数如图1所示。



SPR工艺的研究内容主要是工艺参数的确定，研究各种工艺参数对铆接接头连接强度的影响，有利于铆接工艺的设计和工艺参数的优化。基于自冲铆接工艺过程的研究表明，SPR技术的研究存在以下难点和主要问题：

（1）铆接设备的核心部位是冲头和凹模，铆钉形状的设计直接决定了接头的结合形式。当需连接的板材选定时，如何选取铆接设备和工艺参数使其达到最佳匹配效果是最主要的难点。

相关文献提出了板材-铆钉-模具的顺序设计思路，在重复大量的试验基础上，定量地阐述了铆接过程中主要工艺参数制定的原则，涉及到板材的选取，铆钉、冲头和凹模的设计计算。该设计体系较为特别，是目前国内研究中普遍认可的设计思路。

（2）国内SPR工艺设备及铆钉大部分是从国外（如英国Henrob公司）直接购买，部分工艺参数无法更改，这就导致一些创新性试验无法进行，只能采用模拟手段进行分析。因此，国内需自主研发SPR工艺设备，配套设计不同材料和形状的铆钉，深入研究该项技术，尽快使该项技术广泛应用于国内汽车的制造中。

2SPR国内外研究现状

国内外的研究包括：SPR接头形成机理、SPR工艺参数以及接头质量评价方式。

2.1SPR接头形成机理

2.1.1接头的形成过程

SPR工艺过程如图2所示，其中图2a为半空心铆钉自冲铆接工艺整体结构示意。可将铆接过程分为四个阶段，分别如图2b～图2e所示。



（1）夹紧阶段。

压边圈向下压紧待铆接板料，与此同时，铆钉也在冲头的驱动下垂直向下对板料进行预压紧，如图2b所示。

（2）冲刺阶段

冲头向下运动，推动铆钉迫使其刺穿上层板料，与此同时铆钉也驱使下层板料向凹模内发生塑性变形，如图2c所示。

（3）扩张阶段

随着铆接过程的进行，铆钉腿部逐渐张开，下层板料发生塑性变形逐渐填充入凹模。在冲头和凹模凸台的共同作用下，铆钉腿部向周围扩张，嵌入下层板从而形成了铆钉与板料间的机械互锁结构，如图2d所示。

（4）冲铆完成

当冲头将铆钉下压至铆钉头与上层板料的上表面紧密接触且平齐时可以认为铆接完成，此时压边圈释放压边力，冲头将返回初始工位，冲铆结束，如图2e所示。

2.1.2SPR接头处板材和铆钉变形特点

上下板材在铆钉与凹模凸台的作用下沿冲头下压方向发生了塑性变形，并且板材与铆钉接触的周边，塑性变形程度较大。相关文献从微观组织角度指出，铆钉腿部周围板材晶粒发生了细化，并伴随有加工硬化现象产生。越靠近铆钉腿部，晶粒越细小，并且晶粒细化方向沿切应力方向，即垂直于冲头下压方向，这也导致接头整体的抗剪切强度明显优于抗剥离强度。

相关文献从应力应变的角度分析了铆接过程的变形特点，指出铆接过程中应力相对于应变来说变化较大，应力主要集中在铆钉尾部以及与铆钉接触部位的变形板料，因为在这些部位产生的变形较大。高应变集中在铆钉尾部周围，铆钉和板料在高应变处产生剧烈变形，铆钉尾部逐渐张开并嵌入板料。

2.2SPR工艺参数优化

通过优化铆接过程中工艺参数，理论上可以得到需要的接头质量和连接强度。关于工艺参数的研究主要包括：铆钉腿部直径和长度、凹模直径和凸台高度、板材强度和排列顺序、冲压载荷和速度等对接头质量和连接强度的影响。自冲铆接工艺试验影响因素众多、难以量化，相关文献构建了自冲铆接工艺参数的评价指标体系，建立了比较矩阵，确定了各项评价指标的权重。并采用试验数据验证评价方法的正确性，得出自冲铆接工艺参数重要度排序。

铆接接头截面形貌如图3所示。其中，底切量、底部厚度和剩余厚度是评价铆接质量和连接强度的主要评价参数。底切量是指铆接完成后，铆钉腿部外边缘到被铆钉剪断的上层板的下边缘点的水平距离。底切量越大，铆钉腿部嵌入下层板越深，铆钉与下层板所形成的机械互锁程度越高，铆钉接头的连接强度就越高。底部厚度是指铆钉腿部尖端到下层板底部的轴向厚度。剩余厚度为铆钉腿部内侧下层板最薄处的厚度。底部厚度和剩余厚度用来评价下层板在铆接后的强度和密封效果，数值过小说明下层板强度不足，可能会产生裂纹。



（1）铆钉腿部直径和长度均受铆接板料总厚度影响，一般铆钉腿部直径应比被铆接板料的总厚度大1～2mm，铆钉总长度应比被铆接板料的总厚度大2～2.5mm。铆钉腿部越长，嵌入下层板就越深，接头的底切量增大，导致接头剪切强度增大，但腿部过长会刺穿下层板，导致铆接失效。

相关文献通过研究铆钉材料硬度和腿部尖端尺寸两个参数，指出铆钉腿部变尖时，接头底切量增大，底部厚度增大，剪切强度增大，但接头剥离强度变化不大。铆钉材料硬度增加时，底部厚度减小，接头底切量变化不大，但铆钉腿部张开角度变小，导致剪切、剥离试验时铆钉容易从下层板中剥离，发生自锁失效。

（2）凹模对铆接效果的影响主要通过改变凹模直径和凹模凸台高度来实现。直径的变化影响凹模型腔的体积，凸台高度的变化则影响铆钉腿部张开的角度。

相关文献通过9组正交试验方法：分别固定两个参数、变化一个参数，分析相应参数对铆接效果的影响。试验指出，铆钉长度是影响底切量和底部厚度的最主要因素，模具直径主要影响接头的剩余厚度。直径增大时，铆钉腿部扩张及下层板在模具内流动所受到的阻力减小，因而铆钉腿部张开的越大，剩余厚度随之上升。凸台高度较小时，铆钉腿部张开角度减小，铆接形状较差，导致接头的静强度减小。

对于平底凹模，文献通过调整模具侧壁的倾斜程度来改变模具的容积和边角的锐化程度，边角越圆滑，模具越浅，板材产生的裂纹就越少，接头的剪切强度和疲劳强度也就越高。同时，该研究指出当模具改变时可通过调整其他工艺参数来实现相同的铆接效果。

（3）铆接过程中，上下板材和铆钉共同发生变形，因此板材的材质性能应该与铆钉性能匹配。由于上层板被冲裁，下层板发生较大变形，因此要求上层板的硬度不能高于铆钉的硬度，下层板要具有良好的塑性成型能力。文献通过研究上下层板料不同的放置顺序，指出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，将塑性好的放在下层；铆接金属与非金属材料时，将金属材料放在下层。

相关文献通过研究AA6111+NG5754+NG5754三层板接头在不同的布局型式下接头强度的变化，指出G111型布局可得到最高的接头强度，并且在拉伸过程中接头可吸收较多能量，布局型式如图4所示。不同的布局型式会导致接头的失效形式不同。对于G12型接头，剪切试验发生自锁失效，剥离试验则出现上层板材失效；对于G21型接头，两种试验下均发生自锁失效；而对于G111型接头，剪切试验出现中间板材撕裂失效，剥离试验则出现自锁失效，铆钉腿部从下层板中脱离出来。



文献认为板材的涂层会对接头质量产生影响，通过研究HSLA350钢板中电镀层和镀锌层对铝合金NG5754板与HSLA350钢板之间铆接接头质量的影响，发现镀层影响了以铆钉头部高度、底切量和剩余板厚等参数表示的接头质量。同时，通过观察接头截面发现，如果要得到优化的接头质量需要在铆接时对有、无镀层的板材连接采用不同的工艺参数。

（4）冲压速度是铆接过程中较为容易控制的参数，相关文献指出铆速对接头质量的影响主要体现在应变速率对断裂应力和材料加工硬化的影响上。铆速过大时，铆钉腿部加工硬化现象明显，材料的强度和硬度增加，导致塑性变形困难，因而底切量减小，甚至直接刺穿下层板材。

冲压载荷峰值波动性较大，一般会随着凸台高度、模具深度以及冲压速度的增加而增加，随模具直径的增大而减小。冲压载荷较大时，冲头下压位置增大，会使铆钉头部嵌入上层板中更深，导致接头的剪切强度和剥离强度增加。Dae-WookKim等人以降低冲压载荷为目的研究了自冲铆接过程的力学特性，通过研究不同板材温度、厚度对冲压载荷和接头性能的影响，发现铆钉的变形力决定了冲压载荷峰值的大小，适当增加板材温度有利于降低冲压载荷。

2.3SPR接头质量评价方式

2.3.1破坏式检测法

破坏式检测法是一种铆后线下检测的方法，包括破坏性力学试验和截面观察法。破坏性力学试验法是对铆接好的试件进行拉剪、剥离、疲劳试验以获得其铆接接头强度，并与接头设计强度进行比较。截面观察法是对铆接接头截面的间隙大小、裂纹缺陷、底切量等形貌特征进行观察测量，以评价铆接质量。此种检测方法最直接可靠，但效率低代价高，无法实现100%检测，因而不适用于自动化大规模生产中的质量检测。

2.3.2在线监测法

在线监测法是目前国外普遍应用的一种方法，其本质是通过监测铆接过程中冲压载荷-位移曲线来评价自冲铆接质量。Liebig提出该想法后，Hou等人系统性地研究了自冲铆接过程中载荷-位移曲线的特征与工艺参数、操作误差之间的关系。发现不同的铆钉长度、板材厚度、模具形状等具有不同特征的载荷位移曲线，通过观察载荷位移曲线可以判断自冲铆接加工中的工艺故障。

目前，这种方法被Henrob，Bollhoffs和Orbitforms等主要铆接设备制造厂商开发应用于自冲铆接在线监测产品，即通过破坏性试验确定部分接头质量合格铆件，并提取其冲压载荷-位移曲线建立力-位移曲线公差带，之后铆接过程中监测力-位移曲线的变化，比较其与公差带的位置关系来判断铆接接头质量好坏。如Henrob公司的Henrobs RivMonTM质量监测系统，监测控制界面如图5所示。



此外，Paul Johnson等人将视觉识别技术应用于质量监测，但仅用于监测铆钉位置以避免空铆、偏离等导致的质量问题。

2.4SPR连接过程数值模拟

有限元模拟方法在分析铆钉、板材变形情况，研究各参数对接头质量影响机理方面具有很大的优势。

R.Porcaro运用LS-Dyna软件，建立二维轴对称模型，研究两层板材铆接成形过程，并采用相同的参数进行对比试验。结果表明，模拟与试验过程的力-位移曲线相吻合，接头截面形貌相差不大，证明了模拟结果的准确性。

N.H.Hoang在建立相同模型的基础上，对比了铆接过程中不同的凹模对模拟结果的影响，指出凸台凹模和平底凹模模拟结果的力-位移曲线与试验结果存在相同的差异性，主要发生在铆钉扩展形成稳定铆扣的最后阶段，可能是试验过程冲压载荷较大导致铆接设备发生弹性变形引起。

M.Langseth利用LS-Dyna建立了一个三维模型，并且配套两个加持端，以此来研究自冲铆接接头在准静态和动态载荷下的变形特点。
岁波根据有限元的计算，分析了铆接接头周围的板材翘曲变形现象。通过模拟不同压边圈外径和压边力的情况下板材的翘曲变形，指出当压边圈外径和模具外径相当时，板材翘曲最小，证明了板材的翘曲是由于压边力过大引起的板材局部塑性变形所造成的。

3SPR自冲铆接技术的应用

3.1SPR工艺在汽车车身装配中的应用

目前，电阻点焊是连接钢板车身结构的主要方法，但随着轻型材料如铝、镁合金及一些非金属材料在车身设计制造中的应用，电阻点焊难度大大增加，甚至于无法应用。特别是关于轻型金属与非金属连接（如铝合金和塑料）、黑色金属与有色金属的连接、可焊性差的、预先涂漆或有镀层的黑色金属之间的连接，自冲铆接工艺就表现出其独特的优势。

“自冲”的特点为快速生产和实现流水线制造创造了条件，该工艺可用于汽车底盘件、汽车覆盖件、车座椅、内饰件之间的连接，特别是对于火车车厢板间的连接具有重要的意义。该工艺在汽车铝制车身连接中的应用如图6所示。随着汽车制造业的不断发展，各种新型材料的广泛应用，自冲铆接工艺在实现汽车轻量化中将呈现异军突起的势头。



3.2SPR工艺在其他领域的应用

SPR工艺已成熟应用于汽车制造工业中，还涉及到轨道交通、房屋建筑甚至日常生活用品。英国Henrob公司已将该技术用于房屋建造和交通标志的固定中。在房屋建造中，钢结构变得普遍，传统的激光焊或者螺栓连接都需花费较多时间和成本，质量也并不一定可靠。SPR工艺在节省时间和成本的基础上，不产生工业废料，并且保护钢材的镀锌层不被破坏，保证了钢材的耐腐蚀性。

一交通道路标志如图7所示。采用传统的沉头铆钉进行连接不仅耗时、费用较高，还会破坏标志的反光面。采用SPR工艺，快速简单，并且保护了标志的反光面，连接强度也符合预期要求。



4结论

目前国内外学者已在铆接过程力学行为、工艺参数对接头质量的影响方面进行了大量的相关研究工作。需进一步研究探讨的是：SPR铆接接头缺陷分析，疲劳行为、时效现象对接头强度的影响机理等。此外，国内还应自主研发SPR铆接设备并且建立完善的检测系统，便于该技术在国内汽车制造工业中的广泛应用。