文/王雲慶，史飛飛·一浦萊斯精密技術（深圳）有限公司
隨著“碳達峰和碳中和”政策法規的深入落實，汽車工業面臨的節能減排壓力越來越大，汽車輕量化不但是應對日益嚴苛的二氧化碳排放法規所採取的重要手段，也是提升汽車關鍵效能的有效途徑。目前，採用輕量化結構設計，使用新型輕質材料和新型製造工藝裝備是實現汽車輕量化的三個要素。鋁合金材料具有比強度高，密度小（約為鋼的1/3）及抗腐蝕性好等諸多優點，已經成為國內外汽車製造商在實現汽車輕量化過程中替代傳統低碳鋼的主要材料之一。隨著汽車輕量化需求不斷推進，汽車單車用鋁量也在不斷增長。據中國汽車工業協會資料（圖1），2014～2020年，汽車單車用鋁量從110千克/車增長到190千克/車，預計到2025年，將有望增長到250千克/車，2030年將大幅度上升至350千克/車。
圖1 中國單車用鋁量及預計（kg）
新能源汽車市場的高速發展，帶動鋁合金材料和各種加工工藝（板件衝壓/型材擠壓/鑄造/溫鍛成形等）的發展，並催生新型連線工藝技術（鎖鉚SPR、熱熔鑽鉚FDS和熱熔鑽拉鉚FDR等）在汽車工業的應用，例如車身覆蓋件、全鋁車身、電池托盤以及鋁合金底盤部件。根據汽車研究機構Ducker Frontier的資料，2020年非純電動汽車的單車用鋁量為206千克，純電動汽車的單車用鋁量為292千克，電動車單車用鋁量較傳統燃油車高42%（圖2）。
圖2 燃油車和電動車用鋁量（資料來源：頭豹研究院）
鎖鉚連線技術
鎖鉚連線工作原理
鎖鉚鉚釘在外力的作用下，透過穿透第一層材料和中間層材料，並在底層材料中進行流動和延展，形成一個相互鑲嵌的永久塑性變形的鉚釘連線過程，這一過程稱作鎖鉚連線，又稱作SPR連線。該鉚接點具有較高的抗拉強度和抗剪強度，稱作鎖鉚鉚接點（圖3）。它可以用於連線各種混合材料組合，如帶鍍鋅層、有機層或預塗裝的鋼板以及鋁鋼混合板件或非金屬與金屬的混合板件材料組合。
圖3 鎖鉚鉚點
鎖鉚連線工藝過程
圖4是鎖鉚連線工藝過程示意圖，鉚接過程分別為定位、夾緊、送釘、刺穿、變形、成形階段。夾具定位被連線工件，預夾緊工裝向下運動壓緊待被連線工件，與此同時，鎖鉚鉚釘在衝頭的作用下垂直向下對被連線工件進行預壓緊。在動力源施加外力下，使鉚釘刺穿上層工件（和中層材料），並繼續運動向下到下層工件。鉚釘在衝頭作用下繼續向下運動，下層工件材料發生變形逐漸填充入凹模，鉚釘腿部向周圍擴張與發生塑性變形的材料形成了機械互鎖結構；當鉚釘頭部（平頭鉚釘）與上層工件的上表面緊密接觸且平齊，且鉚釘沒有刺穿被連線工件下層材料，即鉚接完成。此時衝頭和預壓緊工裝在返程作用力下，返回初始工位。
圖4 鎖鉚工藝過程
鎖鉚連線技術優勢
連線材料組合廣泛。可以連線不同材質、硬度、厚度材料組合，有鍍層、夾層包括結構膠等材料連線組合，以及非金屬材料組合和多層材料組合。
鉚接質量高。專用鎖鉚連線裝置保證鉚接點質量穩定可靠，一致性好，大大降低客戶維護成本，動態疲勞強度高，撞擊能量吸收效能好，可無損傷檢測連線質量（圖5）。
圖5 鎖鉚點與點焊的點高度對比和能量吸收能力對比
綜合成本低。無需連線前後的處理工序，單一工序，工作效率高，操作成本低，能耗低，無需額外的環保和勞保投資。
柔性組線好。可以實現鉚接自動化作業，易於與生產過程自動化整合，更換產品只需調整引數設定即可，減少了多臺裝置的投資，降低了固定資產的投入。
表1中是鎖鉚點剖面金相圖和鉚接強度資料，可以看出鎖鉚連線在鋁合金材料組合連線和鋼鋁混搭材料組合連線中的優勢。
表1 鎖鉚點的剖面金相圖和鉚接強度資料
鎖鉚連線智慧裝備
鎖鉚連線智慧裝備由C形鉗體、鉚接系統、自動供釘系統、質量管理系統、控制系統、動力系統和其他輔助裝置組成，圖6為機器人數控伺服鎖鉚成套裝備。
圖6 機器人數控伺服鎖鉚成套裝備
機器人數控伺服鎖鉚成套裝備是以數控伺服驅動技術為驅動動力，以線上質量監控與管理系統為核心，以機器人柔性整合應用為場景，實現了對每個鉚接點過程引數（速度、壓力和位移）的精確、精密、精準控制。
鎖鉚連線智慧裝備具備工業4。0四大功能特徵：
自動化：連線機器人，可實現自動操作，生產效率高。
智慧化：鉚接過程質量實時100%自動監控，避免批次缺陷事故發生。
資訊化：對質量大資料進行採集、分析、儲存和追溯管理，不斷最佳化改善和提高。
網路化：配置標準通訊介面，實現智慧工廠製造資訊系統MES互聯互通和遠端控制。
線上質量過程監控與管理功能
工作原理：使用精密的扭力感測器和位移感測器，採集鉚接過程中的力和行程資料，透過設定質量判斷視窗條件，對實際發生的力和行程X/Y數值進行實時比對分析和結果判斷，從而實現對鉚接過程質量的監控和質量資料的採集、分析、儲存和追溯管理（圖7）。
圖7 線上質量過程監控曲線圖
線上質量過程監控與管理功能既保證生產的每個鉚接點都是受控的良品100%檢驗，也間接為後期最佳化設計提供技術支援，專業保證鉚接質量。並且可以實現人機互動和故障自診斷報警功能，當出現質量問題或者發生裝置操作故障時，能夠智慧停止系統同時三色燈報警，並在顯示屏上提示可能的錯誤原因，幫助操作者解決問題。外部通訊對接智慧製造系統資料庫，具備多種通訊介面，滿足MES系統資料交換和自動化匯流排控制要求。
鎖鉚技術在鋁合金上的應用
機器人智慧鎖鉚系統（圖8）是一套為解決汽車車身中地板總成鋼鋁混搭材料鉚接的工作站。該裝備由精密伺服驅動裝置、自動吹送供釘系統和智慧鉚接質量監控系統組成，實現同一個產品上多種材料組合的鎖鉚鉚接工況。一箇中地板總成產品由兩種不同材料和不同厚度的鋁板和鋼板組合而成（圖9），當機器人智慧鉚接系統工作時，鉚接作業系統可以按工作順序根據通訊協議自動切換相應的鉚接程式進行快速鉚接，不同的材料組合對應的鉚接引數（速度、壓力和位移）是不相同的。這套系統，不但可以滿足各種汽車輕量化材料組合之間的自動化高強度連線需要，而且實現100%鉚接質量檢測和質量資料追溯管理，避免出現批次缺陷產品。一旦出現缺陷鉚點，智慧鉚接裝置立即報警，並提示和幫助操作人員排除故障，保證產品質量得到控制。
圖8 機器人鎖鉚鉚接工作站
圖9 車身部件（鋼鋁混搭材料連線）
鎖鉚技術與點焊技術的對比分析
作為鋁合金材料或者鋼鋁混搭材料組合的重要連線工藝，鎖鉚連線技術為各種鋁合金材料在汽車輕量化領域創造了更多應用場景。尤其是在節能減排和“雙碳”背景下，各種輕量化材料不斷湧現和搭配應用，鎖鉚技術在鋁合金車身上應用越來越多，數量遠遠超過鋁點焊。例如在Audi A8（D3）上使用數量達2400點，Audi TT。上數量達1606點。我國具有豐富的鋁鎂合金材料儲備，具備各種鋁合金材料（板材/型材/鑄材）深加工工藝技術，鎖鉚技術和裝備必將大大推動汽車輕量化程序，推動新能源汽車的快速發展。例如全鋁車身車型的蔚來ES8；框架式全鋁車身車型的吉利英倫TX等。
與熱連線鋁點焊工藝相比，鎖鉚連線具有三個明顯的優勢：連線點強度高30%以上；連線點應力均勻分佈，沒有應力集中和熱變形；沒有加熱過程，連線成本比較低。
鎖鉚技術與點焊技術的成本分析見表2，可以看到鎖鉚連線技術在鋁合金應用中具有明顯的成本優勢。
表2 鎖鉚技術與點焊技術的成本分析（裝置投資、運轉費用、模具費用）
結束語
由此可見，鋁合金材料是我國新能源汽車輕量化主要材料，2019年中國乘用車平均單車用鋁量為129千克，對標北美單車用鋁量和鋁化率，中國汽車用鋁市場仍有很大上升空間。由於鋁合金和傳統鋼材在物理屬性等方面存在巨大差異，傳統的點焊工藝技術已經不能滿足行業的發展需求，也不是最佳的連線工藝。在“雙碳”和節能減排的大背景下，加之汽車輕量化與汽車續航里程正相關，鎖鉚連線工藝技術，將成為鋁合金材料在汽車輕量化領域應用的主要推手，為鋁合金材料深加工帶來巨大的增值空間，為汽車輕量化鋁合金部件帶來巨大的市場應用空間。
作者簡介
王雲慶
總工程師，同濟大學碩士研究生，德國機械連線技術研究學者，中國鍛壓協會板材成形裝置組專家，江蘇省產業教授，中國鎖鉚鉚接技術的創始人，擅長為輕量化材料組合連線提供整體鉚接解決方案，擁有發明專利兩項、實用新型專利多項。
——文章選自：《鍛造與衝壓》2022年第8期
