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标准与技术

铝合金及混合材料白车身连接技术

发布时间:2018-01-10   来源:螺丝君  
        铝合金及混合材料白车身连接技术,包括自冲铆SPR、RivTac射钉、热熔自攻丝FDS、自动盲铆、电阻点焊铝RSWA、摩擦单元焊、摩擦搅拌焊、冷金属焊、激光焊铝等工艺。下面重点介绍自冲铆SPR和电阻点焊铝RSWA。

        SPR技术最初用于建筑行业,在奥迪A8制造时候引入到汽车行业。捷豹路虎采用SPR整车3885颗SPR(以每颗5g计算,整车重量约为19.4kg)。SPR属于冷连接技术,其独特的连接方式使其可以有效克服铝合金、镁合金、钛合金等轻金属材料导电、导热性好,热容小,易氧化,难以采用传统的连接方法进行焊接的缺点。其优点是:不仅适于同种材料之间的连接而且能够实现铝—镁、铝—钢、镁—钢、铝合金/镁合金/高强度钢等金属材料和高分子材料/复合材料的同质和异质材料的双层和多层连接;铆接过程低能耗,无热效应,不会破坏涂层,强度高,特别是疲劳强度高。缺点是:不同材质、厚度及硬度的接头组合需要不同的铆钉、冲头及冲模,铆钉成本较贵; 设备系统成本远高于电阻点焊;只能使用 C 型铆接枪;连接点处需要保留双侧的进枪空间(无法应用于封闭型腔),无法进行有限元仿真,无法进行无损探伤等。目前,SPR已广泛应用于奥迪、宝马、捷豹、沃尔沃、通用、福特和菲亚特克莱斯勒等公司铝合金合身的制造,接头疲劳强度可达电阻点焊的2 倍。国内奇瑞捷豹路虎、凯迪拉克CT6车身普遍采用的连接工艺就是SPR。如图1:

图1

        SPR连接工艺首先需要用预压鼻子工装把两板压紧压平,然后,通过自动的喂料系统,吧SPR钉子输送到压头处,随后给出一定的冲击(目前有液压工具和电动工具)或压力,即可把SPR压入到板中,一般上面基层板都会穿透,而最后一板不会穿透,这样就可以避免出现泄漏和应力集中。如图2设计铆模时候,一板要求铆模的腔体积与SPR体积基本一致,且稍微大一些,不同的SPR或设备供应商,SPR的参数也会有所差别。

图2

        目前,比较做SPR比较知名的公司有:TUCKER、Henrob(ATLAS)、BOLLHOFF。奥迪公司还发明了把SPR先打入铝板中,然后SPR的顶端与钢板通过点焊焊接到一起。如图3:

图3

        由于影响SPR的因素非常多,如图4 SPR几何模型按照轴对称模型建模,材料需要考虑非线性,并考虑温度场,因为SPR在压装时候会有一定的温度产生,实际测试温度约为200℃。冲模和底模需要考虑一定的回弹量,并且根据实际要求考虑SPR自冲铆的失效形式。最后,需要考虑接触,对SPR与板接触的地方需要考虑一定的摩擦系数,因为摩擦系数会严重的影响SOR的拔出力。

图4

        CAD模型一般需要简化,不需把所有的SPR及工装模型都建立出来,只需建立压头、冲模、SPR等即可,不需把压装设备都建模出来,如图5:

图5

        建模的边界条件如下:一般给工装鼻子施加5kN的压力,可以根据实际情况施加。考虑底模的回弹,如施加50Kn/mm,如图6:

图6

        材料模型需要按照实际材料的测试数据建立,包括冲压变形造成的材料硬化。可以根据实际拉伸产生2%、5%的永久塑性变形后的拉伸试验曲线进行分析。还应考虑相关的温度特性,否则,计算结果与实际结果相差较大。如图7:

图7

        根据实际的实效模式建立相关的模型,如软件中失效形式设置为材料的应力达到一定的强度极限后,材料自动产生断裂;也有设置为应力达到一定的极限后不产生断裂。如图8:


图8

        RivTac射钉,该RivTac射钉是博尔豪夫的产品,类似射钉的产品。主要用于空腔类零件,不适用于平板连接,可以从单面打入。该产品可以在汽车研发阶段进行快速组装,无需投入很大的设备费用。一般配合粘结使用,用于粘结时候零件的固定,等工艺固化后基本上就可以不起连接作用,主要可以作用工艺连接点。如图9:

图9

        FDS靠摩擦把材料受热变软,然后与材料结合,由于该FDS较长,所以,从车身建中来说,采用FDS也不太合适,该FDS也适用于空腔结构。采用FDS时候,对于高强度钢需要先预开孔。FDS也是需要与粘结一起使用。如图10:

图10

        EJOT公司与奥迪共同研发了摩擦单元焊,该方法是需要从铝合金连接到钢板上,钢板作为最后的连接板,钢板的强度可以达到很高,可以达到1800Mpa max。通过摩擦焊接到钢板上。如图11:

图11

        盲铆钉即抽芯铆钉,不太适合自动化,一般需要手动拉,目前只有宝马7系用自动的抽芯铆钉工具。可以单面操作,可以用于合成材料,主要靠预紧力来保证满足外部载荷,类似螺栓。但是受力不大,主要用于工序间预紧。如图12:

图12

RSWA铝合金点焊

        因铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、表面易氧化等特性,铝点焊须采用大电流、短时间、多脉冲、大电极压力,所以铝点焊时输出大电流对焊机、变压器(最大达230KVA)及焊枪的供电要求高,大电极压力需焊枪结构牢固可靠。大电流易产生强磁场,焊接工装需防磁以防焊接时通讯信号丢失。

        常规铝合金点焊的主要焊钳供应商有加拿大Centerline等公司。铝点焊焊钳在焊钳结构、最大压力、电极帽尺寸上都与传统焊钳都有些差异。Centerline铝点焊钳在Tesla的应用。

        螺旋状电极铝合金点焊为GM专利技术,在凯迪拉克CT6等生产线有应用。这种电极头表面有特殊的环状纹路,可在铝材表面产生不同的应力区,破碎氧化膜以得到可控制的接触电阻。在铝点焊生产时,还需配备相应的四刀片修磨器修出螺纹,修磨频次为普通碳钢点焊的5倍,约40~50点/次。如图13:

图13

        Delta Spot是在电极和工件之间增加一条全新电极带。每个点焊后,电极带自动移动到下一位置,这样使得电极表面总是清洁的,解决了铝点焊容易从母材上黏连材料的问题,保证每个焊点都有高质量的焊接工况;70M的焊带能焊出5000-10000个点,电极带使用完需要重新更换。

        目前培训老师他们公司研制的子凡溃系统,可以自动根据实际铝合金电阻焊接的实际情况调整焊接参数,并进行磨削电极头,实际测试表面,该自动反馈系统能够完全满足铝合金白车身的要求。如图14:

图14

压力连接Clinching

        无铆压力连接时利用板件本身的冷变形能力,对板件进行压力加工,使板件产生局部变形而将板件连接在一起的机械连接技术。

        Clinching和 SPR 工艺相比,优点是:①它不需要额外的铆钉,在大规模生产制造中,压力连接的总成本要明显低于 SPR 连接;②在连接形成过程中,板件的防锈镀层或漆层也随之一起塑性变形流动而无撕裂损伤,因此不会对零件表面造成破坏,也不会影响连接点处材料的抗腐蚀性及强度。

        缺点是:目前其在车身结构上的应用领域基本局限于车门、发动机罩、行李仓盖、轮罩等强度要求相对较低的地方,并不如 SPR 广泛,主要原因在于其连接强度不如后者,而钢铝混合车身结构对连接点强度的要求就更高。如图15. Clinching设备目前主要还是由国外厂家提供,例如:TOX、BTM等。

图15

        以上就是铝合金车身的相关连接技术和相关的特点,特别介绍了国外成熟的SPR的有限元分析的要求和流程,以及试验和评价方法,SPR的测试要求和样件制作方法等。对铝合金车身连接技术工作有着指导和参考意义。

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