摘要： SPR和FDS技术在汽车轻量化方面的应用具有重要的意义。本文从工作原理、技术优势、机械性能及生产质量控制等方面阐述了基于钢铝金属连接的SPR和FDS技术在白车身轻量化方面的应用。SPR和FDS技术的应用有助于减轻车身结构重量、提高生产效率并且保证优异的车身结构强度和安全性能，推动汽车制造业向更轻量化、更高效和更可持续化的方向发展。

关键词：汽车轻量化；自冲铆接；热熔自攻丝；连接技术

Abstract： The application of SPR and FDS technology in automotive lightweight is of great significance. This article elaborates on the application of SPR and FDS technology based on connection of steel and aluminum alloy in the lightweight of white body from the aspects of working principle， technical advantages， mechanical performance， and production quality control. The application of SPR and FDS technology helps to reduce the weight of body structures， improve production efficiency， and ensure excellent body structural strength and safety performance， promoting the development of the automotive manufacturing industry towards a lighter， more efficient， and more sustainable direction.

Key words：Automobile Lightweight； Self-Pierce Rivet； Flow Drill Screw； Connection Technology

0 引言

近年来，中国的汽车工业得到飞速发展，并已进入世界汽车产量和消费大国的行列。这使得汽车工业的发展面临能耗、排放和环保问题，而这些问题皆从不同角度涉及到车身新材料轻量化。而铝合金具有密度低，比强度、比刚度高等一系列优点，在显著减重的同时仍能保证车身整体刚度，被视为汽车轻量化最理想的材料[1-3]。铝合金冲压板、铝挤压型材及铝真空压铸件也逐渐越来越多使用在钢铝混合白车身轻量化设计中。

但由于钢铝金属间的冶金相容性差，易生成硬且脆的金属化合物IMCs（Intermetallic compounds）； 同时，钢铝金属比热容、导热率、线膨胀系数等热物理性能差异较大等原因，导致传统的热连接工艺无法适用于钢铝混合车身零件的连接。而机械连接由于没有额外的热输入，可有效避免钢铝金属界面间因高温产生的低连接强度的金属化合物等原因被广泛应用于钢铝混合白车身的制造过程中。其中，自冲铆接SPR（Self Pierce Rivet）与热熔自攻丝FDS（Flow Drill Screw）是机械连接技术中效率较高且应用最广泛的两种技术[4-6]。

1  工艺原理

SPR全称为Self-Pierce Rivet，为一种高强度冷连接工艺，适用于多种材料间的连接，如Al-Al，Al-Steel，Steel-Steel等的连接，也适用于镁、铜、木材、塑料、三明治板的连接。SPR系统由铆模，铆钉，铆鼻，铆杆，等部件组成，其中最为关键的是铆钉，铆模和铆鼻铆杆所组成的铆接设备。其原理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和铆钉发生塑性变形，成型后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。

SPR具体过程如下图1所示：（1）铆鼻，铆模先移动对对齐至需要铆接位置；（2）铆鼻首先压住被铆接板材；（3）铆钉被铆杆施压，嵌入穿透上层板材；（4）继续穿透进入下一层板材；（5）而后铆钉与板材一起扩张，充满铆模；（6）铆钉腿部向四周翻开形成 “钮扣”，从而完成上下板材牢固的连接。

FDS （Flow Drill Screw， FDS）技术称为热融自攻丝技术，是一种新型的连接工艺，特别适用于多种材料间的单面可达连接，尤其是板材和挤压型及压铸件间的单面连接。FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板材，并在巨大的轴向压力作用下挤压并旋入待连接板材，形成几倍于板料厚度的衬套特征，最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接。同时，在FDS连接的过程中，工件孔内表面因FDS螺钉与金属材料剧烈摩擦产生高温，然后在空气中冷却，起到正火处理效果，使孔的表面硬度及防锈、耐腐蚀性能得以提高。

FDS整个连接过程如图2所示，大致可以分为六个阶段：（1）FDS螺钉慢速旋转，在夹持头的轴向力作用下顶紧被连接板材表面上目标点；（2）螺钉开始高速旋转产生高温加热板材，随着轴向压力增大和进给深度加深，螺钉钉头锥面与板材接触面积增大，钉头区域板材金属迅速软化屈服；（3）随着轴向进给和旋转作用下，螺钉钉头周围板材金属被热熔穿透后沿径向及轴向做热塑性流动，形成环形衬套；（4）处于热塑性状态下的连接板材在FDS螺钉杆螺纹的作用下被攻出内螺纹；（5）FDS 螺杆外螺纹对上阶段板材上形成的螺纹进行校正，并形成100%螺纹啮合；（6）螺钉旋转速度大幅下降，顶帽下沿与被连接板材上表面贴合，扭矩上升到预设目标值紧固到位。

2  SPR/FDS技术优势

2.1.1冷连接工艺，适用于多层、多种类型板材连接

SPR自冲式铆接技术属于冷连接工艺，无需在加热、加压等额外的条件下进行，并且此种工艺被广泛的应用于同种金属板材、异种金属板材甚至是异种非金属材料之间的连接，并被公认为是对于难以焊接板材和带有涂、镀层板材的最佳连接工艺。对于采用焊接工艺无法达到连接效果的铝板、塑料、合金等材料有着得天独厚的优越性能。

2.1.2工序完成迅速，可满足大批量生产需求

SPR自冲铆接设备，工序完成迅速，整个铆接过程仅为1-2秒。尤其是电动伺服型自冲铆接设备配合吹送供钉系统，可以真正实现24小时连续工作，配合机器人或者自动化生产线使用，可有效提高生产效率。

2.1.3连接重复精度高

SPR自冲式铆接设备采用液压和伺服电机为动力，外部的因素影响较小，铆接质量完全由设备控制，故和焊接技术相比连接精度较高。

2.1.4环境友好性好

SPR自冲式铆接技术属于环境友好工艺，无烟和汽和火花的产生。这点在欧洲市场和美洲表现尤为突出。在我国大的经济环境下， “节能减排” 也成为工业制造业所面临的新课题，绿色型工业是未来工业发展的方向。

2.1.5无需预先开孔，保护涂层镀层，提高防腐蚀能力

与传统的铆接技术相比，SPR无需预开孔，可直接进行铆接，通过SPR的压铆技术，避免了底层板材的损坏，只是在铆模中成型为“钮扣”状连接，从而保护了板材的涂层，提高了防腐能力。

2.2.1单面连接，可达性高

FDS连接过程中的旋转摩擦生热，使得材料处于可塑性软化状态，攻丝旋转扭矩低，可在较小变形的情况下实现单边连接，使得连接更加方便，因为螺钉不需要变形，可以用来连接包括超高强钢、铝镁合金、复合材料在内的任何材料及异种材料。

2.2.2连接强度高，机械性能优异

FDS加工过程中，材料处于热塑性变形状态，没有破坏材料的颗粒组织，所以整个过程是无切屑的，加工出的工件抗拉力和抗剪力更强，动态承载性更好；同时，因为螺纹接触面比标准螺纹大，可以产生更大的旋紧扭矩以及很高的松开扭矩，连接强度高于其他传统白车身连接工艺。

2.2.3 可维修性好

FDS螺钉可以拆卸，回收方便；攻丝的螺纹可以重复旋紧；可以使用公制螺丝返修。

2.2.4 加工自动化程度高

FDS设备全程自监控，连接质量稳定，而且便于连接数据的提取；FDS加工过程简单，过程更环保，工作环境更清洁。

3  SPR/FDS机械性能

对同种材料组合的FDS和SPR试片进行剪切和拉伸实验，对比实验结果。实验料片组合为2.5mm厚度的6000系铝裸板和1.2mm厚度的高强钢，料片尺寸为40mm*100mm的标准料片；其中，对6000系铝板作时效处理，处理条件为料片在175度高温下加热30分钟后自然冷却；对于每组FDS和SPR分别使用同样的参数进行3组实验，并记录实验数据。最终比较同一铝材不同连接工艺的强度。

图7和图8分别为FDS和SPR的剪切力试验曲线，可得出定性结论：FDS的最大剪切力高于SPR，FDS抗剪切性能要强于SPR。

表1为整理得到的SPR和FDS剪切试验结果，由试验结果可知，FDS连接的平均剪切力为4847.37N，明显高于SPR连接的平均剪切力2815.92，FDS连接的剪切力大小约是SPR连接剪切力的1.72倍。

图9和图10分别为FDS和SPR的拉脱力试验曲线，可得出定性结论：FDS的最大拉脱力高于SPR，FDS抗拉脱性能要强于SPR。

表2为整理得到SPR和FDS拉脱试验结果，由试验结果可知，FDS连接的平均拉脱力力为1672.13N，明显高于SPR连接的平均拉脱力967.22N，FDS连接的拉脱力大小约是SPR连接拉脱力的1.73倍。

综上所述，FDS的抗剪切和抗拉伸性能均远远大于SPR，性能约为SPR的1.7倍。

4 生产质量控制

4.1 SPR质量检测

对于SPR铆接点质量的检测，可以分别使用无损检测方法和有损检测方法。无损检测方法尤其是视觉检测，是自冲铆接工艺实施过程中对其质量进行实时监控的重要手段。

4.1.1 SPR质量视觉检测法

在生产过程中对于每一铆接点均进行视觉检测，已成为国际工业生产企业的通行惯例。视觉检测法就是根据图纸的要求，对铆接点的数量及其位置进行检查，确认铆接点数量及其间距与设计一致。其次，通过对铆钉头和铆接钮扣的视觉检测，可以判断出铆接点是否属于一个合格铆接。一般来说，合格铆接点的铆钉头和铆接钮扣应如图11所示。

以沉头铆钉为例：铆钉头应与顶层板材平齐，无倾斜、双铆压痕等现象；铆接钮扣对称、丰满，无开裂和铆钉穿透等现象。如果有如下各种情况发生时，即可视为不合格铆接：空铆，铆钉侧倾，铆钉屈服，铆钉崩裂，双铆，双击铆钉，边缘铆接。

4.1.2 SPR质量有损检测法

定期抽样的有损检测，是自冲铆接质量检测的重要手段，其量化的数据为保证自冲铆接铆接点的质量提供了科学的依据。 剖面显微实验法是有损检测法的代表方法，也是唯一一种可以直接检测和评估自冲铆接连接点的内部变形、板材接触面相互关系和特性的方法。

在进行剖面显微实验时，应该对下述的几个特征量进行测量，以便量化地分析和判断铆接点的质量。详见图12所示：

（1） t min（mm） – 剩余材料最小厚度：在铆模边缘发生塑性变形后，板材剩余最薄的部分；

（2） LL （mm） – 铆钉尾部左侧尖端与铆钉切入底层板材的左侧切入点之间的水平距离，此数值为左侧的互锁量；

（3） LR （mm） – 铆钉尾部右侧尖端与铆钉切入底层板材的右侧切入点之间的水平距离，此数值为右侧的互锁量；

互锁数值：一般地，对于铝板铆接点不应小于0.4mm，对于钢板铆接点不应小于0.2mm。当铝板互锁值小于0.4mm，钢板互锁值小于0.2mm时，与理想铆接点相比其连接强度可能下降20%以上；

（4） Y （mm） – 平面度，对于沉头铆钉，此铆钉头的表面应该和顶层板材的基面平齐；对于盘头铆钉，铆钉头的下部应该和顶层板材紧密贴合。一般地，该数据应该在理想铆接铆钉头高度的±0.3mm范围之内。在铆钉头高度值超出此公差带的情况下，如果还需要使用此类自冲铆接，则需严格检测上述的互锁值，必须大于0.4mm / 0.2mm；

（5） T1 （mm） – 顶层板材厚度；

（6） T2 （mm） – 底层板材厚度；

注意：T（n）的定义是根据待铆接板材的层数决定的，如果需要铆接四层金属板材，则应使用T1， T2， T3 和T4表示。

4.2 FDS质量检测

FDS的主要检测方法有外观检查、扭矩检查等。在FDS连接的过程中，主要有裂纹、漏铆、铆偏、钉头脱落、扭矩不达标、滑牙、螺帽和被连接件不贴合7种制造质量缺陷形式。

4.2.1 FDS质量外观检查

每个FDS采用目视进行100%检查，保证螺钉与母材表面垂直并且无间隙，螺帽必须有一点接触到零件支撑面；同时在被连接件下部出现至少3-5mm的螺纹；不允许有裂缝超出挤压螺纹区域；且不出现如缺陷，未贴合、裂纹、漏铆、铆偏、铆钉头脱落、滑牙、扭矩不达标、边缘铆等缺陷。

4.2.2 FDS质量扭矩检查

100％使用定值扭矩扳手进行FDS点的扭矩测量，扭矩不能小于5Nm。静态扭矩测量工具是表盘式扭力扳手。造车的每个阶段，每个批次抽取一定量辆车进行扭矩测量。至少4次扭矩检查（测量点数量不少于30%，选取原则：要包含每种组合同点，要挑选同种组合头尾及中间的铆点；检查的间隔按产量均布，低于15JPH每班不少于2次）。扭矩需满足扭矩值要求，并记录结果，填写FDS铆接点检查数据记录单。

5 结束语

SPR和FDS等钢铝金属连接技术的广泛应用对汽车轻量化具有重要的价值，将轻质的铝材与高强度钢材有效结合在一起，实现车辆轻量化的同时又保证了整体的车身结构强度。通过减轻车身重量，提高燃油经济性，减少尾气排放，并提供更佳的操作性能；同时SPR和FDS技术的运用提高了白车身的设计自由度，实现更多样化的外观和内部空间布局。随着SPR和FDS等钢铝金属连接技术的进一步发展，将在未来的汽车制造中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

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作者简介：

郑德兵，男，1984年生，本科，先进工艺股经理，现就职于泛亚汽车技术中心有限公司车身外饰部。