【技研】轻量化的关键技术之一SPR自冲铆！
SPR自冲铆属于机械连接，因为没有热输入，可以有效避免热连接所引起的种种问题，目前已广泛应用于汽车车身的制造。
实物展示
图1 SPR正面
图2 SPR铆钉正面
图3 SPR反面
图4 SPR铆钉反面
图5 SPR断面
图6 SPR操作现场图
工艺简介
SPR铆钉在外力的作用下穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动延展，形成相互镶嵌的永久塑性形变，这样的铆钉连接技术成为自冲铆，英文简称SPR（Self-piercing Rivet）。
所述“自冲铆”中文名称源自亨罗布，也有其他供应商将此种连接称为锁铆连接，顾名思义就是铆钉与底层板件形成了一种互锁的关系。
SPR连接的工艺过程包括四个阶段：夹紧→冲裁→扩张→冲铆，如下图所示：（有些文献也将此过程分为6个阶段，即在夹紧前计算定位和预压的过程）
图7 SPR工艺过程
夹紧阶段：压边圈向下压紧待铆接板料，与此同时，铆钉也在冲头的驱动下垂直向下对板料进行预压紧。
冲裁阶段：冲头向下运动，推动铆钉迫使其穿透上层板料，同时铆钉也驱使下层板料向凹模内发生塑性变形。
扩张阶段：铆钉腿部逐渐张开，下层板料发生塑性变形逐渐填充入凹模，在冲头和凹模凸台的共同作用下，铆钉腿部向周围扩张，嵌入下层板料从而形成铆钉与板料间的机械互锁结构。
冲铆阶段：当冲头将铆钉下压至铆钉头与上层板料的上表面紧密接触且平齐时可以认为铆接完成，此时压边圈释放压边力，冲头将返回初始工位，冲铆结束。
SPR自冲铆操作过程如下视频所示：
铆钉介绍
车身通常的铆钉有3mm，5mm两个系列，重量约为0.3~0.5g。
图8 直径3mmSPR铆钉
图9 直径5mmSPR铆钉
铆钉的断面和尺寸如上图所示，其工艺参数包括直径、长度、几何形状、表面镀层及硬度等。
铆钉直径的选择依据主要是所要铆接的板料厚度，一般而言，所要铆接的板料厚度越大，则使用铆钉的直径越大，如铆接2mm+2mm厚的板料，多采用Φ5.3mm直径的铆钉；铆接1mm+1mm厚的板料，多采用Φ3.3mm直径的铆钉。
但有时为了提高疲劳寿命，也使用细长的铆钉铆接厚板料。（所述的5.3与3.3直径为SPR铆钉具体直径，上图中为大致直径，不同供应商也略有不同）
铆钉长度大致等于被铆接板料总厚度加上铆钉腿部直径的75%，再大致做一个圆整，一般供应商会协助选型。
铆钉采用特殊热处理的碳钢材质制成，应用到Al连接结构时，其表面有复杂的机械合金涂层处理。（防止Steel-Al电化学腐蚀）
限于技术保密等原因，在此不公开各种铆钉的镀层和硬度值，但供应商回介绍，可以根据主机厂的要求（连接性能、防腐）提供各种类型的SPR铆钉选择，预知详情可咨询相关的供应商。
优缺点
SPR是一种机械冷成型连接，具有如下优点：
可以实现多种材料连接 （钢、铝、塑料）；
Al SPR铆接点的静态强度、疲劳强度均高于等厚Al板材RSW电阻点焊强度；
单步工艺；
CT时间短 2s （纯铆接时间）；
能耗低，绿色工艺；
工艺质量可以过程自监控。
当然，SPR也具有它的局限性：
连接点处需要保留双侧的进枪空间；
通常不同的材质、厚度、硬度的接头组合需要不同的铆钉、冲头冲模；
铆钉成本 0.08Euro/Rivet（部分供应商已下探至0.03）；
设备系统成本远高于电阻点焊 80W人民币/system；
铆接点凸起约2-3mm；只能使用C型铆接枪。
图10 某车型机盖SPR设备
质量检验
SPR连接技术的质量检验包括以下三种方式：外观检验、金相检验及强度检验。
外观检验常用的检验工具为隔套百分表。隔套的尺寸为外径Φ12mm，内径Φ8mm，长度40mm。百分表如下图所示：
图11 百分表
外观检验的质量要求如下：
①进行位置、数目、冲铆方向检查；
②进行板材和铆钉裂纹的检查；
③进行铆接底部的旋转对称性检查，对称度≤0.40mm；
④测量铆钉的顶厚，即顶部高出板材的厚度，要求≤0.30mm；
⑤测量顶部低于板材的厚度，要求≤0.15mm；
⑥下层板材不能被铆钉穿透；
⑦铆钉头部的涂料不能被破坏；
⑧铆钉15mm内不能有焊缝；
⑨每班三次检查，首、中、尾各一次，并做好检验记录。
金相检验是检查铆接的机械性能的重要手段，通过二维金相试样磨面的显微组织测量，确定连接部位断面的形貌及参数，从而科学评价SPR工艺性能。金相检验常用工具为切割机、制样机、显微镜。
合格的SPR铆钉断面应该是下图所示的样式：
图12 SPR标准断面
金相检验的具体要求见下表所示：（此检验要求节选自上汽大众）
图13 SPR金相检验标准
强度检验的料片尺寸为140*40（料片的大小可根据各家主机厂的要求而定，此处参照的是TUCKER给的尺寸），如下图所示：
图14 拉伸试验试片建议尺寸
强度检验可参照点焊焊点的强度检验方式，即：
①抗剪sheer②剥离测试peel③十字拉伸cross。
铆钉出现断裂是不允许的，因此断裂形式必须做好记录。SPR铆接的三种断裂形式如下图所示：
①钉头处拉脱
图15 SPR失效形式1
②钉脚处拉脱
图16 SPR失效形式2
③材料撕出开口槽
图17 SPR失效形式3
返修
在生产过程中，有时会出现不合格的铆接点，需要对不合格品进行返工。返修的工具包括**钻、钻头及手动拉铆枪等。
返修方法目前简单的概括为两种，一种为扩孔，在原来的SPR基础上打一个稍大直径的SPR，另一种为用拉铆钉来替代，具体可参照如下标准：
总结 
大致介绍以上几方面，钢铝混合车身是未来几年的一大趋势，铝合金等轻质材料能否快速应用于汽车行业很大程度上取决于轻量化连接技术的发展。
SPR自冲铆技术目前已成为欧美高端车型制造中的关键连接技术之一，Jaguar XF用了2794个SPR铆钉，奥迪Q7用了2855个铆钉（这些车型的SPR使用情况将在近期做一个统计并分享），这大概就是我们为什么研究SPR这种连接工艺的原因吧。
SPR自冲铆的设计准则、布置空间、典型车型及其数量和应用位置、设备及工艺参数、供应商等内容将在近期的***推送中更新，敬请期待！
