板材连接方法及汽车车身或底盘的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种板材连接方法及汽车车身或底盘，尤其涉及一种将相互不能焊接 的板材进行连接的方法，通过使用独特结构的半空心铆钉形成焊接性能良好的接头，提高 连接的剪切强度。
【背景技术】
[0002] 许多现代汽车的车身和底盘（发动机和主变速箱除外）是通过钢与铝、镁、纤维复 合材料等比较轻的材料制成的部件组装而成。
[0003] 由于汽车轻量化以及制造成本降低的要求使得汽车由不同材料混合制造的趋势 不断加强。合适的材料应该被使用在合适的位置上，从而在汽车重量和制造成本之间达到 一个最好的平衡。
[0004] 为了实现不同材料之间的连接，近些年来已经开发出许多种方法。这其中有粘接， 自冲铆接，冲压连接（例如Τ0Χ连接和Clinch连接，其原理是圆柱形凸模将要连接的不同 材料挤入凹模中并迫使材料在凹模侧内流动变形，从而形成连接），以及由以上方法混合起 来而实现的连接方法。
[0005] 综上所述，为了实现多种不同材料之间的连接，往往在汽车组装过程中必须使用 更多新的连接方法，因此，必须使用新的特殊设备，增加了新设备的投资，并增加的新工序， 从而提高了制造成本。这个情况大大地阻碍了混合材料结构在汽车中的实现。
[0006] 因为在传统的汽车装配生产过程中主要使用的设备是点焊机，使相互连接的材料 之间通过电阻焊的方式形成焊点。一个白车身有大约2000到6000个焊点。除了点焊机之 外，还有活性气体保护电弧焊（MIG)/惰性气体保护焊（MAG)和激光复合焊机。但是它们只 能用于焊缝连接，并且只能从单侧焊接部件。这样，如果使用钢与铝或其它轻量化的材料制 造车身，并使用以上所述的诸如粘接、自冲铆接、冲压连接等方法，则必须采用更多的设备 使钢与铝或其它轻量化的材料进行连接，故必须对于汽车组装车间进行大量投资，从而使 轻量化汽车的成本大大增加。
[0007] 为了解决不同种材料之间使用现有点焊机进行连接问题，典型的如铝板材与钢板 材之间的连接问题，工程技术人员进行了多种尝试。以下简单介绍发明人所了解的现有技 术。
[0008] 现有技术一：德国专利文献DE10015713A1公开了一种方法，一个全实心的工字 形钢铆钉被加入一个铝板，此工字形铆钉夹在该铝板上，然后，这个铝板通过该钢铆钉与另 一个钢板通过点焊连接起来，此工字形铆钉的两面都是平整的。但是，此文件没有说明如 何将钢铆钉加入一个铝板并产生带两个平整表面的工字形，实际生产中，通过现有的铆钉 铆接技术无法制作此种形状的铆钉。此形状的铆钉有可能通过对全实心的钢杆进行高压 挤压，比如锻造成型才能制成。高压挤压需要极高的力并且在大多数情况下由于铆钉下 端与凹模接触部分材料在变形中产生堆叠或者在向周围展开时形成裂痕从而无法形成如 DE10015713A1所描述的极其平整的表面。汽车零部件之间一般需要通过几个到几十个焊点 相连，也就需要在零件中加入相应几个到几十个铆钉。该文献所公开的技术方案在实现时 存在如下困难：用于汽车钣金件加工的普通冲压机里无法得到锻造成型所需要的力。如果 用此方法，需要极大地增加压机的压力。汽车公司必须额外购置提供极大压力的压机才行。 此外，此方法对于铆钉的尺寸和几何要求没有任何设定，按照此文献所公开的方案，本发明 的发明人和其它人的研究表明，在一般情况下，如果用普通的自冲铆钉，虽然可以产生一个 类似的连接，但是，在此基础上进行的点焊结果表明，此种连接的强度小于自冲铆钉的连接 强度（请参考Β?丨丨h〇f> RIVSET Stanzniettechnik fUr perfekte Verbindungen 网址： 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)。其原因是由于焊接时 铝板易受热熔化，导致其连接质量极其不稳定，因此其连接的强度及稳定性较差。
[0009] 综上所述，德国专利DE10015713A1中描述的方法虽然可以避免在焊接过程中必 须使用更多新的连接方法和设备，但是却反过来要求在钣金件加工时使用更大吨位的冲压 机来实现将铆钉墩粗，从而大大降低了经济可行性。因此，该专利自2000年申请以来，申请 人也没有提出对发明进行实际审查的要求，一直没有得到实际应用。
[0010] 现有技术二：欧洲专利文献EP2127797AK公开日2009年12月2日）描述了另 外一种连接方法。首先，将一个T字形的钢铆钉加入一个铝板，其中，该T字形钢铆钉的铆 钉杆上细下粗，铆钉的头顶部下端有一个凹槽；其次，通过压机和模具使用钢铆钉将铝板切 孔，之后通过上下模具的挤压，使铝板与铆钉夹紧，铆钉被固定在铝板上；最后，将带铆钉的 铝板与钢板通过点焊连接起来。此时，铆钉与钢板之间的连接点（焊点）在铆钉的下方（也 就是铆钉杆的端部），其中的T字形铆钉的两面都是平整的。其存在的主要缺陷有：要实现 铆钉的两面都是平整的，需要较大的压机压力；而铆钉要对铝材进行较大的挤压变形，填充 凹槽部分，以将原本空隙的部分变成实心部分，实现铝材与铆钉之间的连接，也需要较大的 压力；此外，由于铆钉的头顶部下端设有一个凹槽，使得铆钉的头顶部分变得较厚，从而降 低铆钉与钢板工件的焊接能力；同时要求铆钉杆的直径变大，以保证点焊时焊点的直径达 到要求的尺寸，从而增加整个组装件的重量。另外，由于此方法的变形机理，铝板的下侧会 局部变薄，使零件的力学性能减弱。根据实验测量，使用EP2127797A1所公开的方法所得到 的连接件的十字拉伸测试失效力只有2kN。
[0011] 现有技术三：德国专利文献DE4237361C2(公开日1996年9月19日）也提供了一 种连接方法，在铝板中加入一个实心的铆钉，然后，通过铆钉与下面的一个钢板工件通过点 焊连接起来。其特点是：铆钉的头部的边缘设有尖的凸起，以嵌入铝板并与之固定；铆钉的 尾部设有凸焊点以便与钢板焊接连接。其缺陷是：其提供的几种方案中，铝板与铆钉之间 无固定连接或者只有其突出的凸起与铝板依靠摩擦连接，这样加入铆钉的铝板在运输过程 中，铆钉容易脱落；此外，此方法如果用于连接纤维复合材料，其铆钉的尖的凸起点会对材 料中的纤维造成切断和表面损伤，使连接性能降低。
[0012] 现有技术四：欧洲专利文献EP0967044A2(公开日1998年6月25日）中的方法与 上述DE4237361C2中的方法类似，也是通过在铝板内加入铆钉，而后将铆钉与钢板焊接的 方式，只是提供了不同形状的铆钉可供选择。这两种方法都不能有效保证在通过冲压制造 钣金件时加入的铆钉在之后的运输过程中不会脱落。因此，为了防止铆钉在运输过程中脱 落，其改进方案一般是在制造钣金件时将相应的孔打好，先不加入铆钉，在焊接时才加入铆 钉。加入铆钉后通过点焊将铆钉与下面的钢板件焊接起来。由于铆钉是在焊接时加入到零 件中的，焊接设备必须增设铆钉传输设备。而且在焊接过程中还需要加大焊钳的压力，使其 与焊接时产生的高温结合而将铆钉杆部变形，从而填满铆钉杆与孔之间的缝隙。这个方法 虽然可以使用点焊方法，但是却因为焊钳的压力的大大增高而要求高刚度、高强度的焊钳， 因而可能会增加焊接机器人的承载力和费用。此外，如果工件用于连接的凸缘位置不是水 平设置，而是竖直或其它角度设置，铆钉很容易脱落，从而使生产线停工。
[0013] 现有技术五：德国专利文献DE102010053608A1(2012年6月14日）也公开了一种 连接方法，使用实心铆钉铆入铝板（或者其他不能与其焊接的材料）中，铆钉铆入后在模具 的作用下，其铆钉头的一端为平整的平面，另一端变形为不平整的平面，将其平整的一端与 钢板（或能与其焊接的其他材料）通过点焊焊接。其缺陷是：第一，将铆钉铆入铝板并与其 固定连接，需要较大压力使铆钉变形；第二，铆钉充当焊接材料在与钢板点焊时，在焊接压 力作用下，其不平整的平面使与其接触的电极容易发生磨损。
[0014] 现有技术六：采用半空心自冲铆钉来实现自冲铆接是一种常见的技术。典型的方 案如万淑敏等在《半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定》（载天津大学学报 2007年4期）所描述的。半空心自冲铆钉有以下特征，它是半中空的，用于连接两种材料时， 自冲铆钉在强压力下切入材料，穿过第一个材料后，在凹模和第二个材料的挤压下，其铆钉 的腿部分开进入第二个材料，形成力和形状式的连接，从而将两个零件，比如铝板，或是钢 板和铝板连接起来。当连接钢板和铝板时，由于它们间的电位不同，常常要在它们之间涂上 粘胶，以免产生接触式腐蚀。当半空心自冲铆钉冲入一个材料时，它的一面是平整的，由于 加入材料时产生的变形以及凹模作用，它的腿部会叉开。此种连接方法有三方面的缺陷：第 一、自冲铆钉在