作者：李成瑶，余颖舜，钟远婷，陈湖演
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SPR工艺最初由英国亨罗布公司率先提出，该公司投入了大量资金资源对该技术进行研究，随着该公司针对此工艺技术装备的研发成功，亨罗布公司将此技术的逐步实用化。接着以技术引领为特色的奥迪汽车首先将其应用在奥迪的铝制车身上，以奥迪A8全铝车身作为最典型的杰出代表。
1.1 SPR工艺的过程及原理
铆钉在铆鼻中推杆的下压作用下，刺穿上层板或者上面两层板，最后在铆模的作用下铆钉空心部分在底层板中张开，与底层板形成自锁结构，整个连接过程底层板只发生塑性变形。因为有铆模的存在，所以SPR是一种需要双面开放空间的连接工艺。SPR工艺过程如图1所示。
SPR工艺的关键点在于铆钉腿在下层板张开并使得两层板料与铆钉腿部形成互锁，要达到此目的有两个技术层面的要求。第一，下层板料强度不能过大，否则铆接过程中铆钉腿由于阻力过大不能够完全张开导致互锁失效。第二，上层板料不能厚度过厚，否则铆钉腿部与下层板接触量较小，同样会导致互锁失效。因此连接时要求连接方向从强度高的材料到强度低的材料，从材料薄的一侧到材料厚的一侧。
1.2 SPR工艺的优点
（1）由于其纯物理连接特性，可以连接焊接性能差或者不容易焊接的材料。
（2）可实现同种材料和异种材料的连接。
（3）连接过程中无需预冲孔，工艺性优良。
（4）对材料表面镀层的损伤比较小。
（5）相对焊接工艺而言，SPR 工艺能耗非常低，过程中不产生电火花、不产生烟尘，绿色、节能、环保，工艺成本低。
（6）铆接部位强度好，具备很好的疲劳寿命。
（7）配合胶粘工艺，提升了连接强度。
（8）SPR工艺需要两端留存开发空间的工艺技术。
影响自穿刺铆接质量因素比较多，如铆钉型号规格、铆接模具尺寸精度及各种跟连接相关的过程参数等；铆模尺寸主要是模具本身的内腔高度、深度、内直径及外直径等；连接参数包括铆接速度以及铆接的行程。必须在使用前设定好最优的工艺参数，因此在使用前需要做材料的试验验证例如拉力试验等，以确保铆接的质量，只有这样才能保证大批量在线生产时的铆接精度及质量。
实际使用SPR 工艺的过程中，难免会出现铆接缺陷，最常见缺陷有偏铆、漏铆、叠铆和铆接过程中铆钉本身开裂、破损等。因此针对不同缺陷类型需要做好各种失效模式分析，以及针对不同的缺陷制定出针对性的返修办法。比如最常见铆偏，需要卸除原铆钉重新铆接新的铆钉，此时注意新铆钉的定位，一般选择在原铆钉中心点10 mm范围的圆周内实施铆接并保证铆接后的铆钉距离钣金的边缘距离在6 mm以上。
02
FDS工艺是由热熔钻技术发展而来的热机械连接技术，FDS技术出现在20世纪90年代初，一开始由于没有开发出适合汽车工业使用的专用工具，所以未能在汽车工业上使用，直到90年代中期，英国某汽车厂商研发出了可以让FDS 技术能够在汽车工业上使用的专用工具，从此拉开了FDS 技术在汽车上应用的序幕。现今国内外很多知名的汽车公司已经开始使用FDS技术，如奥迪、福特、蔚来、小鹏等。以福特F150为例，采用了约200个FDS铆钉。
2.1 FDS工艺的连接过程
在高速的特殊工具旋转带动下FDS铆钉发生高速旋转，同时在轴向下压力的作用下，熔融并穿透板材，在上层板和底层板之间形成螺纹连接副，整个工艺过程主要可以分为4个步骤：钻孔、螺纹成形、螺纹啮合和紧固。根据板材及使用铆钉的类型不同，每个阶段的转矩、轴向力和转速都是不相同的，需要再试验验证。
FDS连接系统由驱动设备、FDS铆钉、连接板件组成。FDS工艺的螺钉接头种类很多，根据头部形状基本可以分为内梅花驱动头，外驱动双向法兰头，外驱动单向头，如图2所示。
2.2 FDS工艺的成形过程
对于FDS工艺，螺钉钻入板材并形成螺纹，加大了螺钉与板材接触的面积，适用于金属薄板。因螺纹增加了接触面积，故需要更大的紧固力、紧固扭转力矩和更可靠的连接，故FDS工艺成形过程可分解为6个阶段，如图3所示。
（1）螺钉定位阶段。定位是FDS工艺的准备工序。基本分为两个过程首先是动力系统的刀头与螺母进行定位，这样才能让螺钉和动力系统的主轴同步旋转，还可以预防螺钉高速旋转掉落。然后是螺钉头部与板料的定位，先在板料上预钻一个非常小的预钻孔，预防摩擦过程中螺钉产生晃动。在主轴下压定位之前，会有压紧机构向下压紧板材，可以预防穿透过程中板料产生位移或变形。
（2）穿透阶段。热塑性变形阶段，主轴连接螺钉进行高速旋转，螺钉尖端高速旋转摩擦板料，产生的高温会软化尖端附近板料金属，在主轴的下压力之下钻出孔洞，将板件穿透。这个过程中，螺钉与工件要经受500℃～600℃的高温，但螺钉有特殊保护镀层保护其不受高温影响，整个过程持续到螺钉刺破工件结束。
（3）孔成形阶段。热塑性变形阶段，当螺钉穿过板后，转速降低。板材仍处于软化状态，螺钉在主轴的下压力下继续向下移动。螺钉的锥形端面与板料的接触面积加大，板料形成熔融状态，并在螺钉的下压和旋转作用下沿径向和轴向产生热塑性流动，最终形成环颈和衬套。螺钉刺穿板料后形成的通孔比板件厚度还要厚得多。
（4）螺纹成形阶段。螺钉最下面有三圈螺纹处称为攻丝区。板料形成环颈和衬套后，主轴转速会继续降低，螺钉开始利用攻丝区在环颈和衬套上攻出螺纹。
（5）螺纹旋入阶段。与正常拧入螺钉一样，螺钉以一定速度开始拧入螺纹孔。
（6）拧紧阶段。此阶段螺钉已经部分拧入板材螺纹孔中，继续旋转拧入，螺母下平面会和板材的上平面接触并产生摩擦，主轴设定好拧紧力矩，螺钉拧紧到设定的力矩后即停止旋转。此过程需要关注拧紧力矩的设定值，因为螺母和板料接触会产生摩擦，如果力矩设定值较大，则螺钉可能会被拧断。
2.3 FDS工艺的优点和缺点
FDS技术作为新型铝合金材料连接工艺，刚刚引入国内推广。相比目前已经成熟使用的其他铝合金连接方案，FDS具有其独特的优点，但是也存在很多不足。
2.3.1 主要优点
（1）单侧连接。区别于双侧连接工艺，单侧连接工艺具备单边操作的工艺特性。尤其在汽车行业上，往往出现封闭腔体等结构，在内面无法满足连接的工艺要求情况下，单侧连接具有其他工艺无法比拟的优势。
（2）可连接多种材料，包括普钢、高强度钢、铝板、铝镁合金、塑料以及复合材料在内的异种材料。
（3）连接强度好。FDS连接时，钣金发生熔融并形成螺纹与铆钉配合，连接质量高，强度约为无钉铆接的两倍。
（4）螺纹可以拆卸，拆装便利，返修时可以使用公制螺纹进行返修。
2.3.2 主要缺点
（1）设备投入大，工艺成本比传统电阻焊高，螺钉的单价贵。
（2）单侧连接时连接面需要一定的刚度，否则会导致连接失效。
（3）螺钉自重大（约5 g），使用数量太多会使增大整车质量，不利于轻量化。
（4）连接较厚的板料的时候，如上层板太厚需要预冲孔，FDS工艺对料厚也有一定要求，如上层板太厚则需要开预孔，下层板不能超过5 mm等。最后，FDS设备较贵，设备一次性投入较大。
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无铆钉铆接工艺（TOX）采用TOX气液增力缸式冲压设备及TOX专利——托克斯标准连接模具，在一个气液增力的冲压过程中，通过挤压板件从而使板件产生塑性变形使两个板件在挤压处形成一个互相镶嵌的圆形连接点，由此将板件点连接起来，如图4所示。无铆钉铆接的优点如下。
（1）连接综合成本低。
（2）可以连接0.5 mm的薄板及厚度差异大的材料组合。
（3）用时短，一次完整的连接过程约2 s。
其缺点是连接强度较低，目前主要应用在开闭件等非主要承力结构。
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铆钉为全实心，通常是圆柱状，一般可分为两种，一种是通体为圆柱状形式；一种是一端带头部，头部形状不同又分为圆头、扁头、沉头、半沉头等，可根据不同的适用场景选用。实心铆钉一般使用在受力大的零部件处，如车架及承重梁等部件。实心铆钉的材质通常为钢、铝、铜等合金，表面处理主要有镀锌、镀铬、发黑等。
实心铆钉的铆接安装是通过一定的外力作用在铆钉的一端，另一端固定，或是两端同时在外力的作用下，再通过一定形状的铆冲模具而成型。实心铆钉几乎涵盖了所有的应用领域，如航天航空、汽车、家电等。
