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隨著車身輕量化的進(jìn)一步發(fā)展，鋁合金材料在新一代車身上的使用顯著增加。傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊技術(shù)在鋁合金材料上的表現(xiàn)較差，難以滿足日益增長的“鋼-鋁”異種金屬間的連接需求，因此眾多新式連接技術(shù)被研發(fā)出來。其中，高速射釘鉚接由于工藝簡單、單次鉚接時間短、單面鉚接以及不產(chǎn)生有害副產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來越多的關(guān)注。截至目前，在北京奔馳汽車有限公司有超過五款車型應(yīng)用了高速射釘鉚接技術(shù)。

 

但是，高速射釘鉚接依舊是一個較新的技術(shù)，對其在實(shí)際序列化生產(chǎn)中表現(xiàn)的研究十分有限。本文意在分析梳理高速射釘鉚接技術(shù)在北京奔馳車身一工廠應(yīng)用過程中較常見的鉚釘縫隙問題，歸納總結(jié)原因并進(jìn)一步提出需要關(guān)注的工藝重點(diǎn)。

 

工藝原理及質(zhì)量判定

 

高速射釘鉚接，顧名思義是將鉚釘以高速打入板材并以此固定連接對象的技術(shù)。在鉚接過程中，高壓氣體進(jìn)入鉚槍，使撞桿加速，撞桿推動鉚釘使其在短時間內(nèi)被加速到20～40m/s，并如同子彈一般被打入板材。如圖1所示，在鉚釘向板材內(nèi)部移動的過程中，板材材料填入鉚釘螺紋之間的空間，兩者間形成鉤連結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到穩(wěn)定連接。材料的彈性形變導(dǎo)致鉚釘受到材料的夾緊力，這進(jìn)一步強(qiáng)化了鉤連結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。高速鉚釘與板材間的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致板材與鉚釘接觸部位升溫，金屬材料流動性加強(qiáng)，因此材料能夠更加有效地填入鉚釘螺紋之間。此外，對于含鐵材料來說，高溫還可以使鉚釘螺紋尖端與材料之間熔化結(jié)合，達(dá)到類似于焊接的效果[1-3]。

 

 

圖1　高速射釘鉚接的原理  [4]

 

高速射釘鉚接的質(zhì)量一般通過以下幾點(diǎn)進(jìn)行判定。

 

首先，鉚點(diǎn)必須完整，鉚釘帽與板材表面不能存在破損?？紤]到防腐蝕的因素以及鉚釘螺紋與板材間需要確保足夠的接觸來保證鉚點(diǎn)強(qiáng)度，鉚釘釘帽與板材之間應(yīng)貼合，釘帽與板材間的間隙必須≤0.7mm。

 

其次，對于鉚釘?shù)膹?qiáng)度考核，一般使用退釘力測試。通常，習(xí)慣性地把鉚接過程中鉚釘最先接觸的板件稱作外板，把最后接觸的板件叫做內(nèi)板。如圖2所示，在退釘力測試中，首先固定內(nèi)板，之后從釘尖向外板方向施加推力直至連接被破壞，鉚接被破壞時所施加的最大推力即為退釘力，合格的鉚點(diǎn)退釘力應(yīng)＞220N。由此可見，退釘力是直接反映高速射釘鉚接強(qiáng)度的參數(shù)，但是由于退釘力測試屬于破壞性測試，產(chǎn)品在退釘力測試時被徹底破壞，所以退釘力測試不能頻繁進(jìn)行。

 

 

圖2　退釘力測試原理

 

鉚釘間隙及原因

 

鉚釘未完全進(jìn)入板材，導(dǎo)致鉚釘帽部與板材間存在較大間隙（見圖3），這是批量生產(chǎn)中一種常見的質(zhì)量缺陷。

 

 

圖3　鉚釘間隙缺陷

 

如前文所述，間隙的存在增加了鉚點(diǎn)與板材被腐蝕的風(fēng)險。同時，由于鉚釘螺紋與板材間的有效連接區(qū)域的減少，鉚點(diǎn)強(qiáng)度也進(jìn)一步降低。高速射釘鉚接通常與涂膠工藝一同使用，鉚釘同時也起到固定和壓實(shí)膠段的作用。因此，若鉚釘未被完全打入板材，鉚點(diǎn)對膠段的固定效果也會受到影響，則會進(jìn)一步降低車身強(qiáng)度。鉚釘間隙除了影響連接質(zhì)量，突出的釘帽也會與后續(xù)工藝的機(jī)器設(shè)備發(fā)生剮蹭，導(dǎo)致設(shè)備、鉚點(diǎn)以及板材被破壞，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品無法返修而報廢的情況（見圖4），產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。

 

 

圖4　凸起鉚釘與機(jī)器人碰撞導(dǎo)致零件二次受損

 

通過總結(jié)高速射釘鉚接在北京奔馳車身一工廠的應(yīng)用，產(chǎn)生鉚釘間隙的原因主要包括以下幾點(diǎn)。

 

1.工裝夾具和墊塊失效

 

高速射釘鉚接的鉚點(diǎn)附近需要設(shè)置可靠的支撐點(diǎn)。通過支撐點(diǎn)的固定，板材其余部分的形變與振動受到限制，因此鉚釘動能才可以有效集中于它與板材接觸位置。若支撐點(diǎn)距離過遠(yuǎn)，支撐點(diǎn)之間的板件在鉚釘?shù)臎_擊下整體發(fā)生變形（見圖5），如同一個緩沖裝置一般吸收了大量動能，導(dǎo)致鉚釘沒有足夠的能量貫穿板材，進(jìn)而導(dǎo)致鉚釘不能全部進(jìn)入板材。

 

 

圖5　正常鉚點(diǎn)與缺乏有效支撐導(dǎo)致板材變形的鉚點(diǎn)

 

支撐一般由板件內(nèi)部的加強(qiáng)筋以及夾具上的墊塊提供。若因設(shè)計存在問題導(dǎo)致鉚點(diǎn)周圍缺少可靠的支持墊塊或加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、墊塊存在尺寸問題而無法有效貼合板材，以及提供支撐及墊塊破損或墊塊夾具的氣缸失效，無法提供足夠壓緊力，則鉚接過程中板材無法獲得足夠的支撐固定（見圖6），從而導(dǎo)致鉚釘間隙的出現(xiàn)。

 

 

圖6　缺乏有效支撐導(dǎo)致鉚釘無法打入以及內(nèi)板嚴(yán)重變形

 

2.環(huán)境和停機(jī)因素

 

高速射釘鉚接設(shè)備得以正常工作時，環(huán)境溫度需要在15℃以上，但是在北方冬季夜班時間，室外溫度最低接近﹣20℃，若生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)缺乏有效的保溫系統(tǒng)，鉚接設(shè)備在非正常狀態(tài)下運(yùn)行，便有可能導(dǎo)致鉚釘獲得的動能受到限制，從而無法有效擊穿板材。此外，設(shè)備內(nèi)部潤滑油在低溫下會凝固為膠狀，導(dǎo)致摩擦損耗增加、低溫下板材硬度更高，進(jìn)一步阻礙了鉚釘?shù)拇┩?。因此，在冬季、特別是突然降溫時，會出現(xiàn)鉚釘無法打入板材的情況。

 

同理，當(dāng)設(shè)備發(fā)生長時間停機(jī)后，整個系統(tǒng)內(nèi)部溫度較低，再起動時需要暖機(jī)時間來使設(shè)備恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，因此設(shè)備重起后最先進(jìn)行的幾百次鉚接，也會因?yàn)樵O(shè)備未處于正常工作狀態(tài)而出現(xiàn)鉚釘力度偏小的情況，有一定概率出現(xiàn)鉚釘未完全打入板材的問題。

 

3.鉚接姿態(tài)偏移

 

高速射釘鉚接工藝中存在一個重要的步驟——預(yù)壓緊。預(yù)壓緊發(fā)生在鉚槍與板材接觸后及鉚釘被加速之前。鉚槍與板材接觸后會繼續(xù)下壓施加1.5～2bar（1bar＝105Pa，下同）的壓力，使內(nèi)外板更加貼合，板件間膠段被壓實(shí)，從而有助于提高鉚點(diǎn)質(zhì)量。

 

高速射釘鉚接對于鉚槍的移動軌跡有著嚴(yán)格的要求。鉚接進(jìn)行時鉚槍必須盡可能垂直于板件，如果鉚槍不與板件垂直，鉚釘會以傾斜的角度接觸板材（見圖7），鉚釘釘帽的一側(cè)先與板材接觸，導(dǎo)致鉚釘無法繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)而在另外一側(cè)出現(xiàn)間隙。此外，由于金屬表面十分光滑，若鉚槍以傾斜的角度接觸板材，預(yù)壓力平行于板材表面的分力會導(dǎo)致鉚槍進(jìn)一步向外側(cè)滑動，發(fā)生蹭件的現(xiàn)象，這將加劇惡化鉚接姿態(tài)。因此，每個鉚點(diǎn)的鉚接軌跡需要嚴(yán)格控制，并盡可能讓鉚槍與板件垂直。

 

 

圖7　鉚槍的側(cè)向位移

 

另外，還存在一種零件向下移位情況，如圖8所示。若工裝胎上的夾子或定位銷有松動，在鉚槍施加預(yù)壓力后無法提供足夠支撐，零件在預(yù)壓力作用下向著壓力方向發(fā)生位移，也會導(dǎo)致零件表面與鉚槍垂直度惡化的情況。

 

 

圖8　零件向下位移

 

4.鉚接設(shè)備內(nèi)部原因

 

設(shè)備導(dǎo)致鉚釘間隙的原理主要有以下兩點(diǎn)。

 

1）設(shè)備組件問題導(dǎo)致鉚釘無法獲得足夠動能，以至于鉚釘不能完全穿透板材。例如，加壓泵失靈導(dǎo)致鉚槍不能獲得足夠高壓氣體；氣路系統(tǒng)內(nèi)部組件損耗導(dǎo)致漏氣；撞針與槍身潤滑效果惡化、槍鼻磨損導(dǎo)致鉚釘加速過程中摩擦增加。鉚接系統(tǒng)自帶的監(jiān)控系統(tǒng)可以記錄鉚接過程中實(shí)際氣壓值以及鉚釘速度。因此，當(dāng)在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣壓或鉚釘速度頻繁小于目標(biāo)值時，需盡快檢查鉚接設(shè)備。

 

2）鉚槍設(shè)備磨損導(dǎo)致鉚釘在彈道加速的過程中產(chǎn)生晃動。例如，撞桿定位塊損耗導(dǎo)致撞針在推釘過程中發(fā)生晃動，槍身中用于固定鉚釘位置的氣路結(jié)構(gòu)發(fā)生異常[4]。由于鉚釘是在設(shè)備內(nèi)部發(fā)生晃動，所以即使鉚槍與零件表面垂直，鉚釘其實(shí)也是以傾斜的狀態(tài)與板材接觸，進(jìn)而導(dǎo)致一側(cè)出現(xiàn)間隙。

 

5.鉚點(diǎn)位置偏移

 

正常情況下，在批量生產(chǎn)中機(jī)器人的軌跡偏差一般＜2mm。但是若機(jī)器人內(nèi)部組件老化或者曾發(fā)生過磕碰導(dǎo)致軌跡偏移，又或者是工裝胎具定位功能失效導(dǎo)致零件位置移動，則鉚點(diǎn)位置會發(fā)生較嚴(yán)重的偏移。如前文所述，鉚點(diǎn)附近一般有加強(qiáng)筋作為支撐點(diǎn)，當(dāng)偏移的鉚釘在穿透板材后與加強(qiáng)筋發(fā)生碰撞時，額外的碰撞大量消耗鉚釘能量，導(dǎo)致鉚點(diǎn)無法繼續(xù)深入，進(jìn)而導(dǎo)致間隙的出現(xiàn)。此外，若鉚點(diǎn)位置偏移到離支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，也會發(fā)生因支撐不夠而導(dǎo)致的鉚釘間隙。

 

6.工藝參數(shù)設(shè)置

 

高速射釘鉚接的主要工藝參數(shù)是鉚接氣壓。因?yàn)殂T釘通過高壓氣體推動加速，所以鉚接氣壓直接影響鉚釘射入板材的速度與力度。如圖9所示，對于鋼－鋁連接，鉚接氣壓一般在5～8bar。鉚接氣壓過小，鉚釘?shù)膭幽芫瓦^小，無法有效穿透板材。但是，鉚接氣壓同樣直接影響鉚釘結(jié)合強(qiáng)度，若氣壓過大，鉚釘速度過高，鉚接過程中板材包裹鉚釘?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)會由于強(qiáng)大的撞擊而損壞，并導(dǎo)致連接強(qiáng)度的急劇下降。

 

 

圖9　鉚接氣壓過小/過大    對質(zhì)量的影響

 

而且，工藝參數(shù)一般在試裝階段就應(yīng)被調(diào)整至理想狀態(tài)，在批量生產(chǎn)中一般不會出現(xiàn)因?yàn)閴毫?shù)設(shè)置得過小導(dǎo)致鉚釘無法完全打入的情況。因此，在批量生產(chǎn)中應(yīng)盡可能不改變氣壓參數(shù)，只有在排除鉚接姿態(tài)、工裝狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)等其他可能性后才可以嘗試修改氣壓參數(shù)，并用退釘力測試驗(yàn)證氣壓參數(shù)修改后的鉚點(diǎn)質(zhì)量。

 

工藝要點(diǎn)

 

1.工藝參數(shù)

 

鉚接氣壓的選取十分重要，前文已經(jīng)論述。若氣壓過小，則鉚釘無法進(jìn)入板材；若氣壓過大，鉚點(diǎn)結(jié)構(gòu)受損，強(qiáng)度減小。氣壓參數(shù)的設(shè)置與板材搭配，現(xiàn)場工況及工作環(huán)境有著密切的聯(lián)系，因此一般不存在通用的參數(shù)參考清單，需要在車型試裝階段通過試驗(yàn)的方式確定各鉚點(diǎn)的最佳壓力。通常的調(diào)試方法為：以0.1bar的間隔更改氣壓參數(shù)，找到各鉚點(diǎn)鉚釘剛好完全進(jìn)入板材的氣壓Ph，即當(dāng)氣壓為小于Ph時，鉚釘與板材間存在間隙；氣壓為Ph時，鉚釘與板材間沒有間隙，在Ph之上增加0.3～0.5bar，此時鉚接質(zhì)量一般處于較好狀態(tài)。

 

2.監(jiān)控曲線

 

監(jiān)控功能是連接技術(shù)的重要組成部分。在批量生產(chǎn)中，只有自動監(jiān)控功能可以保證對鉚點(diǎn)的100%檢查并避免潛在質(zhì)量風(fēng)險。高速射釘鉚接系統(tǒng)自帶行程曲線監(jiān)控以及壓力曲線監(jiān)控，其中行程曲線可以有效地監(jiān)控鉚釘間隙問題（見圖10）。因?yàn)闊o論導(dǎo)致鉚釘間隙現(xiàn)象的原因是什么，最終表現(xiàn)形式都是鉚釘位移量小于預(yù)定值。行程監(jiān)控主要監(jiān)控鉚釘打入板材后的行程最大值，當(dāng)鉚釘最大行程無法達(dá)到特定范圍時，監(jiān)控系統(tǒng)便會發(fā)出質(zhì)量報警。各鉚點(diǎn)的行程監(jiān)控范圍同樣需要在試裝階段調(diào)試好。行程監(jiān)控范圍的確立一般在確定好最佳氣壓參數(shù)后，通過統(tǒng)計多次鉚接的行程曲線，確認(rèn)行程最大值的位置范圍，之后設(shè)定監(jiān)控范圍使行程最大值盡可能在監(jiān)控窗口中心位置。

 

 

圖10　行程監(jiān)控曲線以及監(jiān)控窗口位置

 

3.設(shè)備檢修

 

高速射釘鉚接的質(zhì)量，極大程度上取決于鉚接設(shè)備的狀態(tài)。因此，保證鉚接質(zhì)量的一個重要步驟便是制定詳細(xì)的檢修保養(yǎng)計劃并嚴(yán)格按計劃執(zhí)行。工裝夾具需要定期檢查是否存在松動，是否有銷子墊塊存在破損，以及氣缸是否正常運(yùn)作。機(jī)器人需要定期校準(zhǔn)軌跡，以避免軌跡偏移。鉚槍設(shè)備需定期保養(yǎng)，對于有使用壽命要求的零件應(yīng)進(jìn)行及時更換。

 

結(jié) 語

 

本文介紹了高速射釘鉚接的基本原理及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分析總結(jié)了生產(chǎn)中常見的鉚釘間隙問題的影響因素與原理，其中包括：夾具功能失效、環(huán)境溫度過低、鉚接姿態(tài)錯誤、設(shè)備故障、機(jī)器人軌跡偏移以及工藝參數(shù)過小，并根據(jù)以上問題總結(jié)了生產(chǎn)中需注意的工藝重點(diǎn)。

 

作為一個剛剛興起的新技術(shù)，在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，高速射釘鉚接也有著一些限制。例如，鉚接過程中會產(chǎn)生巨大噪聲，因此鉚接必須在隔音房中進(jìn)行；鉚槍備件價格高昂，維護(hù)成本高；由于專利限制所以剛開始向市場開放。因此，目前也僅有奔馳等少數(shù)幾個品牌應(yīng)用了這項技術(shù)。但是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及車身輕量化的進(jìn)一步深入。擁有單面連接、鉚接快速以及鉚接質(zhì)量穩(wěn)定等強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)的高速射釘鉚接技術(shù)在未來的幾年，會獲得越來越多的關(guān)注，并被越來越多的汽車生產(chǎn)商所接受。

 

參考文獻(xiàn)

 

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