板材連接方法及汽車車身或底盤的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種板材連接方法及汽車車身或底盤，尤其涉及一種將相互不能焊接 的板材進行連接的方法，通過使用獨特結(jié)構(gòu)的半空心鉚釘形成焊接性能良好的接頭，提高 連接的剪切強度。
【背景技術(shù)】
[0002] 許多現(xiàn)代汽車的車身和底盤（發(fā)動機和主變速箱除外）是通過鋼與鋁、鎂、纖維復(fù) 合材料等比較輕的材料制成的部件組裝而成。
[0003] 由于汽車輕量化以及制造成本降低的要求使得汽車由不同材料混合制造的趨勢 不斷加強。合適的材料應(yīng)該被使用在合適的位置上，從而在汽車重量和制造成本之間達到 一個最好的平衡。
[0004] 為了實現(xiàn)不同材料之間的連接，近些年來已經(jīng)開發(fā)出許多種方法。這其中有粘接， 自沖鉚接，沖壓連接（例如Τ0Χ連接和Clinch連接，其原理是圓柱形凸模將要連接的不同 材料擠入凹模中并迫使材料在凹模側(cè)內(nèi)流動變形，從而形成連接），以及由以上方法混合起 來而實現(xiàn)的連接方法。
[0005] 綜上所述，為了實現(xiàn)多種不同材料之間的連接，往往在汽車組裝過程中必須使用 更多新的連接方法，因此，必須使用新的特殊設(shè)備，增加了新設(shè)備的投資，并增加的新工序， 從而提高了制造成本。這個情況大大地阻礙了混合材料結(jié)構(gòu)在汽車中的實現(xiàn)。
[0006] 因為在傳統(tǒng)的汽車裝配生產(chǎn)過程中主要使用的設(shè)備是點焊機，使相互連接的材料 之間通過電阻焊的方式形成焊點。一個白車身有大約2000到6000個焊點。除了點焊機之 外，還有活性氣體保護電弧焊（MIG)/惰性氣體保護焊（MAG)和激光復(fù)合焊機。但是它們只 能用于焊縫連接，并且只能從單側(cè)焊接部件。這樣，如果使用鋼與鋁或其它輕量化的材料制 造車身，并使用以上所述的諸如粘接、自沖鉚接、沖壓連接等方法，則必須采用更多的設(shè)備 使鋼與鋁或其它輕量化的材料進行連接，故必須對于汽車組裝車間進行大量投資，從而使 輕量化汽車的成本大大增加。
[0007] 為了解決不同種材料之間使用現(xiàn)有點焊機進行連接問題，典型的如鋁板材與鋼板 材之間的連接問題，工程技術(shù)人員進行了多種嘗試。以下簡單介紹發(fā)明人所了解的現(xiàn)有技 術(shù)。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)一：德國專利文獻DE10015713A1公開了一種方法，一個全實心的工字 形鋼鉚釘被加入一個鋁板，此工字形鉚釘夾在該鋁板上，然后，這個鋁板通過該鋼鉚釘與另 一個鋼板通過點焊連接起來，此工字形鉚釘?shù)膬擅娑际瞧秸?。但是，此文件沒有說明如 何將鋼鉚釘加入一個鋁板并產(chǎn)生帶兩個平整表面的工字形，實際生產(chǎn)中，通過現(xiàn)有的鉚釘 鉚接技術(shù)無法制作此種形狀的鉚釘。此形狀的鉚釘有可能通過對全實心的鋼桿進行高壓 擠壓，比如鍛造成型才能制成。高壓擠壓需要極高的力并且在大多數(shù)情況下由于鉚釘下 端與凹模接觸部分材料在變形中產(chǎn)生堆疊或者在向周圍展開時形成裂痕從而無法形成如 DE10015713A1所描述的極其平整的表面。汽車零部件之間一般需要通過幾個到幾十個焊點 相連，也就需要在零件中加入相應(yīng)幾個到幾十個鉚釘。該文獻所公開的技術(shù)方案在實現(xiàn)時 存在如下困難：用于汽車鈑金件加工的普通沖壓機里無法得到鍛造成型所需要的力。如果 用此方法，需要極大地增加壓機的壓力。汽車公司必須額外購置提供極大壓力的壓機才行。 此外，此方法對于鉚釘?shù)某叽绾蛶缀我鬀]有任何設(shè)定，按照此文獻所公開的方案，本發(fā)明 的發(fā)明人和其它人的研究表明，在一般情況下，如果用普通的自沖鉚釘，雖然可以產(chǎn)生一個 類似的連接，但是，在此基礎(chǔ)上進行的點焊結(jié)果表明，此種連接的強度小于自沖鉚釘?shù)倪B接 強度（請參考Β?丨丨h(huán)〇f> RIVSET Stanzniettechnik fUr perfekte Verbindungen 網(wǎng)址： http://www.boellhoff.de/en/de/site_services/downloadcenter. php ；H.Rudolf,T. Broda，M.Bielenin，C.Kotschote und Y.Yang，PunktfdnnigesSchweiBen von A1 ~ Stahl ~Blechverbindungen fUr den Karosseriebau，DVS，2012)。其原因是由于焊接時 鋁板易受熱熔化，導(dǎo)致其連接質(zhì)量極其不穩(wěn)定，因此其連接的強度及穩(wěn)定性較差。
[0009] 綜上所述，德國專利DE10015713A1中描述的方法雖然可以避免在焊接過程中必 須使用更多新的連接方法和設(shè)備，但是卻反過來要求在鈑金件加工時使用更大噸位的沖壓 機來實現(xiàn)將鉚釘墩粗，從而大大降低了經(jīng)濟可行性。因此，該專利自2000年申請以來，申請 人也沒有提出對發(fā)明進行實際審查的要求，一直沒有得到實際應(yīng)用。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)二：歐洲專利文獻EP2127797AK公開日2009年12月2日）描述了另 外一種連接方法。首先，將一個T字形的鋼鉚釘加入一個鋁板，其中，該T字形鋼鉚釘?shù)你T 釘桿上細(xì)下粗，鉚釘?shù)念^頂部下端有一個凹槽；其次，通過壓機和模具使用鋼鉚釘將鋁板切 孔，之后通過上下模具的擠壓，使鋁板與鉚釘夾緊，鉚釘被固定在鋁板上；最后，將帶鉚釘?shù)?鋁板與鋼板通過點焊連接起來。此時，鉚釘與鋼板之間的連接點（焊點）在鉚釘?shù)南路剑ㄒ?就是鉚釘桿的端部），其中的T字形鉚釘?shù)膬擅娑际瞧秸?。其存在的主要缺陷有：要實現(xiàn) 鉚釘?shù)膬擅娑际瞧秸?，需要較大的壓機壓力；而鉚釘要對鋁材進行較大的擠壓變形，填充 凹槽部分，以將原本空隙的部分變成實心部分，實現(xiàn)鋁材與鉚釘之間的連接，也需要較大的 壓力；此外，由于鉚釘?shù)念^頂部下端設(shè)有一個凹槽，使得鉚釘?shù)念^頂部分變得較厚，從而降 低鉚釘與鋼板工件的焊接能力；同時要求鉚釘桿的直徑變大，以保證點焊時焊點的直徑達 到要求的尺寸，從而增加整個組裝件的重量。另外，由于此方法的變形機理，鋁板的下側(cè)會 局部變薄，使零件的力學(xué)性能減弱。根據(jù)實驗測量，使用EP2127797A1所公開的方法所得到 的連接件的十字拉伸測試失效力只有2kN。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)三：德國專利文獻DE4237361C2(公開日1996年9月19日）也提供了一 種連接方法，在鋁板中加入一個實心的鉚釘，然后，通過鉚釘與下面的一個鋼板工件通過點 焊連接起來。其特點是：鉚釘?shù)念^部的邊緣設(shè)有尖的凸起，以嵌入鋁板并與之固定；鉚釘?shù)?尾部設(shè)有凸焊點以便與鋼板焊接連接。其缺陷是：其提供的幾種方案中，鋁板與鉚釘之間 無固定連接或者只有其突出的凸起與鋁板依靠摩擦連接，這樣加入鉚釘?shù)匿X板在運輸過程 中，鉚釘容易脫落；此外，此方法如果用于連接纖維復(fù)合材料，其鉚釘?shù)募獾耐蛊瘘c會對材 料中的纖維造成切斷和表面損傷，使連接性能降低。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)四：歐洲專利文獻EP0967044A2(公開日1998年6月25日）中的方法與 上述DE4237361C2中的方法類似，也是通過在鋁板內(nèi)加入鉚釘，而后將鉚釘與鋼板焊接的 方式，只是提供了不同形狀的鉚釘可供選擇。這兩種方法都不能有效保證在通過沖壓制造 鈑金件時加入的鉚釘在之后的運輸過程中不會脫落。因此，為了防止鉚釘在運輸過程中脫 落，其改進方案一般是在制造鈑金件時將相應(yīng)的孔打好，先不加入鉚釘，在焊接時才加入鉚 釘。加入鉚釘后通過點焊將鉚釘與下面的鋼板件焊接起來。由于鉚釘是在焊接時加入到零 件中的，焊接設(shè)備必須增設(shè)鉚釘傳輸設(shè)備。而且在焊接過程中還需要加大焊鉗的壓力，使其 與焊接時產(chǎn)生的高溫結(jié)合而將鉚釘桿部變形，從而填滿鉚釘桿與孔之間的縫隙。這個方法 雖然可以使用點焊方法，但是卻因為焊鉗的壓力的大大增高而要求高剛度、高強度的焊鉗， 因而可能會增加焊接機器人的承載力和費用。此外，如果工件用于連接的凸緣位置不是水 平設(shè)置，而是豎直或其它角度設(shè)置，鉚釘很容易脫落，從而使生產(chǎn)線停工。
[0013] 現(xiàn)有技術(shù)五：德國專利文獻DE102010053608A1(2012年6月14日）也公開了一種 連接方法，使用實心鉚釘鉚入鋁板（或者其他不能與其焊接的材料）中，鉚釘鉚入后在模具 的作用下，其鉚釘頭的一端為平整的平面，另一端變形為不平整的平面，將其平整的一端與 鋼板（或能與其焊接的其他材料）通過點焊焊接。其缺陷是：第一，將鉚釘鉚入鋁板并與其 固定連接，需要較大壓力使鉚釘變形；第二，鉚釘充當(dāng)焊接材料在與鋼板點焊時，在焊接壓 力作用下，其不平整的平面使與其接觸的電極容易發(fā)生磨損。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)六：采用半空心自沖鉚釘來實現(xiàn)自沖鉚接是一種常見的技術(shù)。典型的方 案如萬淑敏等在《半空心鉚釘自沖鉚接的工藝參數(shù)及鉚接質(zhì)量的判定》（載天津大學(xué)學(xué)報 2007年4期）所描述的。半空心自沖鉚釘有以下特征，它是半中空的，用于連接兩種材料時， 自沖鉚釘在強壓力下切入材料，穿過第一個材料后，在凹模和第二個材料的擠壓下，其鉚釘 的腿部分開進入第二個材料，形成力和形狀式的連接，從而將兩個零件，比如鋁板，或是鋼 板和鋁板連接起來。當(dāng)連接鋼板和鋁板時，由于它們間的電位不同，常常要在它們之間涂上 粘膠，以免產(chǎn)生接觸式腐蝕。當(dāng)半空心自沖鉚釘沖入一個材料時，它的一面是平整的，由于 加入材料時產(chǎn)生的變形以及凹模作用，它的腿部會叉開。此種連接方法有三方面的缺陷：第 一、自沖鉚釘在