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发表于 2020-4-23 11:56:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

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FDS工艺在电池包壳体连接中的应用研究

徐治勤 郭志强 赖鸿群
(上汽大众汽车有限公司,上海 201805)
【中国汽车材料网】摘要:研究了薄板铝合金的FDS 连接工艺,论述了FDS 工艺的影响因素和质量评价标准。针对连接过程的钻速与压力进行了9 组正交试验,并通过金相剖面,连接时间和扭矩曲线选择了合适的工艺参数,确定了FDS 连接中步骤二与步骤三的转速与压力的设定范围。得出如下结论,FDS 连接对工艺参数的容错性较高,增大转速与压力可以减小连接时间。
关键词:FDS 金相剖面 连接时间 扭矩曲线

[size=1em]车身及动力系统的轻量化是当前汽车行业的研究热点,车身及动力系统越轻,其油耗越小,排放越少;制动距离,加速时间,转向力都会相应减少;轮胎寿命则会相应提高。为了实现轻量化,铝合金等轻质材料在车身和动力系统中得到了广泛使用。铝合金具有电阻低、导热快、表面有氧化层,易热变形等特点,常规的电阻点焊与弧焊不适合于铝合金材料的连接[1]。为了实现铝合金板材之间高效可靠的连接,FDS工艺在主机厂逐渐得到了开发利用。

[size=1em]FDS(Flow Drill Screw)工艺即流钻螺钉工艺,它是通过高转速与高压力将特定螺钉拧入板材的连接工艺。它具有较高的抗拉与抗剪强度;热变形与热应力极小;适合与胶水连接配合;螺钉可重复拆装;既可连接有预开孔的板材也可连接无预开孔的板材等优点。FDS 的工艺过程可以分为4个步骤,即预压定位-刺穿板材-形成螺纹-拧紧螺钉[2]。本文将重点介绍某电池包壳体FDS 工艺的影响因素与工艺参数的优化过程。


2 试验材料与设备

2.1 试验材料

[size=1em]某电池包壳体由上盖板,中间框架与下护板连接而成。其中上盖板与下护板材料牌号均为EN AW5182,它属于Al-Mg 系防锈铝。上盖板厚度1.2 mm,下护板厚度2.5 mm,其材料成分如表1所示。

[size=0.8em]表1 AW5182材料组分表 %
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[size=1em]中间框架材料的供货标准为VW TL116C24,它属于Al-Mg-Si 系铝合金,厚度4.0 mm,其材料的供货技术要求如表2 所示。

2.2 试验设备

[size=1em]本次试验在自动FDS 工位上完成,FDS 设备为德国巍博公司生产的RSF-25型流钻螺钉枪,机器人为KUKA公司的360 kg级别的VKRC4。电池包安装在转毂上以保证可达性。实验设备如图1所示。

[size=0.8em]表2 TL116C24材料组分表 %
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[size=0.8em]图1 FDS连接实验设备

2.3 FDS连接质量的评价标准

[size=1em]对于FDS 工艺的连接质量,主要有以下评价标准,如图2 所示。

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[size=0.8em]图2 FDS连接质量评价标准

[size=1em]a.如果上板有预冲孔的话,螺钉帽需充分遮住预冲孔,如①所示;

[size=1em]b.板材材料无溢出,如②所示;

[size=1em]c.螺钉帽与上板材间隙小于0.05 mm,如③所示;

[size=1em]d.离螺栓中心线9 mm 处的上下板材间隙需小于0.2 mm,如④所示;

[size=1em]e.钉子螺牙得到有效填充,有效螺纹长度大于上下板厚之和,如⑤所示;

[size=1em]f.板材与螺钉未开裂,螺钉与板材的垂直偏差角度小于3。,如⑥所示。


3 试验过程、方法与结果


3.1 FDS工艺的影响因素与实验过程

[size=1em]FDS 连接工艺可以分为4 个步骤,每个步骤均涉及到多个影响连接质量的工艺参数,将逐一分析各参数的作用与影响。

[size=1em]步骤一的工艺参数如下。

[size=1em]a.螺钉尺寸的预设定,FDS 连接前须在在系统中定义螺钉与板材的尺寸,如图3所示。L表示为螺钉长度;t eff 表示为上板板厚,如果上板有预开孔,则eff值为0.0,Tolmin与Tolmax分别表示螺钉刺入母材深度的下公差与上公差。FDS设备是根据位移传感器来控制各工艺步骤,并相应调节转速,压力与扭矩,所以螺钉与板材尺寸的预设定会影响连接质量。一般来说,ToLmin与ToLmax均设置为1.0 mm。

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[size=0.8em]图3 螺钉尺寸的预设定

[size=1em]b.Offset 的测量,FDS 连接前须设置 Offset 值,它的定义是螺钉驱动杆(Screw driving tool)的下边缘与螺钉帽下沿的距离,如图4 所示。

[size=1em]c.预标定,FDS 连接前须对设备进行预标定,预标定要求FDS 设备手动排钉后,在20~30 mm 的高度,以垂直的姿态(垂直度偏差不超过3。)冲击标定块。通过预标定,可以消除FDS 刀头各部件的拆装误差。

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[size=0.8em]图4 Offset的测量

[size=1em]d.预压力,预压力是指由FDS 下压板(Down holder)给母材上板的压紧力,它的作用是用来消除上下板材间离缝,母材硬度偏低时,应降低预压力以避免压痕;母材硬度偏大时应增加预压力,否则板材离缝过大会导致连接工艺失效。

[size=1em]e.卡爪打开深度,螺钉较长时卡爪打开深度应增加,以保证螺钉刺入过程的稳定性;螺钉较短时卡爪打开深度应减小,卡爪打开深度一般设定为1~2 mm。

[size=1em]f.检测相对运动速度,即步骤一中FDS 刀头的下降速度的上限值,一般设置为50 mm∕s。

[size=1em]g.检测接触,一般设置为3 mm∕s,意为当FDS刀头与板材相对速度降低至3 mm∕s 时,默认FDS刀头与母材上板接触。

[size=1em]步骤二的工艺参数如下。

[size=1em]a.转速,步骤二的转速是FDS 的核心参数(以下简称转速2),它的作用是加热板材并使之处于软化状态,便于螺钉穿透板料。在第二步骤刺穿板材阶段,转速应为整个工艺过程的最大值,最大可以达到8 000 r∕min;最大转速的选择和板材材料类型和厚度有关。对于钢材,最大转速为2 000~3 000 r∕min;对于铝材,最大转速为4 000~8 000 r∕min;板材越厚或越软,转速要求越高。由于铝材硬度小于钢材而热传导性大于钢材,所以铝材的最大转速要大于钢材[3]。

[size=1em]b.压力,步骤二中的压力是FDS 的核心参数(以下简称压力2),在压紧板压住板材后,FDS 枪将施加轴向的进给力,使螺钉在旋转的同时能够穿进板料。压力2 与板材的硬度和厚度正相关[4],在气缸的作用下,压力2 最大可达2.0 kN。

[size=1em]c.深度,一般设置为上下板材厚度之和,作为第二步骤结束的监控。

[size=1em]d.深度单位时间变化量,是指步骤二中螺钉刺入速度的上限,如果速度过低,严重影响生产节拍;如果速度过高,则螺钉与板材有开裂的风险,一般设置为100 mm∕s。

[size=1em]步骤三的影响因素如下。

[size=1em]a.压力,步骤三的压力是FDS 的核心参数(以下简称压力3),是指在螺钉刺破板材后,由FDS 枪施加给轴的进给力。为了保证螺纹充分的形成且不破坏螺纹,一般压力3 小于压力2。

[size=1em]b.转速,步骤三的转速是FDS 的核心参数(以下简称转速3),它的作用是攻丝并形成螺纹,为了保证螺纹充分的形成且不破坏螺纹,一般转速3 远小于转速2。

[size=1em]c.加减速时间,一般设置为0.1 s,作为步骤二与步骤三间转速切换的过渡。

[size=1em]d.深度:一般设置为2 mm,作为步骤三的监控。

[size=1em]步骤四的影响因素如下。

[size=1em]a.压力,步骤四的压力是保证螺纹的充分拧紧,取值一般与压力3 相同。

[size=1em]b.转速,步骤四的转速是为了保证螺纹的充分拧紧与足够的扭矩,一般远小于转速3。

[size=1em]c.加减速时间,一般设置为0.1 s,作为步骤三与步骤四间转速切换的过渡。

[size=1em]d.目标扭矩,目标扭矩的作用是完成最终的拧紧,目标扭矩值一般由产品设计方给出,不同板材的连接组合,扭矩也会变化。目标扭矩可以根据扭矩特征曲线,在攻入螺纹成型扭矩和滑牙扭矩之间进行选择。

3.2 上盖板FDS工艺参数设置

[size=1em]上盖板的连接板材为1.2 mm 5182 铝合金与4 mmTL116 铝合金,其中1.2 mm 铝合金有预开孔。使用M5×20 的阿诺德螺钉进行连接。因为FDS 工艺可以分为4 个步骤,且诸多工艺参数中,转速,压力与对螺纹成型影响最大。本次实验将主要对不同转速,压力对连接工艺产生的影响做讨论,其余各步骤非核心工艺参数的设置如表3~表6 所示。

[size=0.8em]表3 步骤一非核心工艺参数的设置(上盖板螺钉M5×20)
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[size=0.8em]表4 步骤二非核心工艺参数的设置(上盖板螺钉M5×20)
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[size=0.8em]表5 步骤三非核心工艺参数的设置(上盖板螺钉M5×20)
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[size=0.8em]表6 步骤四非核心工艺参数的设置(上盖板螺钉M5×20)
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[size=1em]对于核心工艺参数转速和压力我们采用正交实验进行验证。实验参数如表7 所示。

[size=0.8em]表7 核心工艺参数的正交试验
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3.3 实验结果

[size=1em]完成实验后对试件做金相剖面,每组实验的剖面状态如图5 所示。

[size=1em]在切面图中可以看到每组试件的螺钉帽已充分遮盖预冲孔;螺钉帽与上板材之间的间隙小于0.05 mm 且无材料溢出;螺钉垂直度满足要求且螺钉与板材均无开裂;距螺钉中心线9 mm 处,上下板材间隙小于0.02 mm;有效螺纹长度在5.8~6.1 mm之间波动,满足有效螺纹长度的要求。从金相结果上可以得出结论,FDS 作为无热输入量的铆接工艺,其对工艺参数的容错性较高。当转速2在 6 000~8 000 rad, 压力 2 在 1.2~1.6 kN,转速 3 在1 500~3 500 rad, 压力 3 在 0.6~1.0 kN 的宽泛区间内,均能得到良好金相效果的连接件。

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[size=0.8em]图5 各试件金相剖面

[size=1em]因为每个电池包壳体需要超过100 个FDS 连接点,所以每个连接点的连接时间对生产节拍影响很大;而整个连接过程设备施加的扭矩曲线对连接质量也有很大的影响。所以下面我们从连接时间和扭矩曲线上进一步分析各组试件的工艺效果。连接时间与扭矩曲线如图6 所示。

[size=1em]从上表中我们可以看出,试件1 与试件8 的连接时间分别为2.17 s与2.24 s,远远超过推荐的连接时间1.6 s左右。试件1因为转速2为6 000 rad与压力2为1.2 kN过小,导致刺穿板材时间超过1.2 s;试件8因为转速3仅为1 500 rad,导致步骤三形成螺纹的时间超过0.9 s,从而致使连接时间过长。

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[size=0.8em]图6 连接时间与连接全过程扭矩曲线

[size=1em]同样,在试件2,4,6 的连接时间分别为1.81 s,1.88 s 和1.85 s,依然存在连接时间过长的问题。根据过程曲线,可以看出试件2 刺穿板材的时间超过1 s,虽然由于压力2 的提升,优于试件1,但是步骤二的时间依然过长。试件4 刺穿板材的时间也在1 s 左右,优于试件1,优化原因在与转速2 的提高。试件6 则由于转速3 为1 500 rad 过低,导致步骤三形成螺纹的时间约0.7 s,从而导致了连接时间过长。

[size=1em]由上述结果可知,转速2 与压力2 影响刺穿板材的时间,转速3 与压力3 影响形成螺纹的时间。随着转速与压力的增加,连接时间将减小,反之亦然。为了将连接时间控制在1.6 s 左右,转速2 应在7 000 rad 以上,压力 2 应大于 1.4 kN;转速 3 应在 2 500 rad以上,压力3应大于0.8 kN。

[size=1em]从全过程扭矩的角度对连接质量进行分析,将试件3、6、8 的扭矩曲线集中在一张曲线图中,如图7 所示。

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[size=0.8em]图7 试件3,6,8全过程扭矩曲线对比图

[size=1em]从上图中,我们可以看出试件3、6、8在步骤三形成螺纹阶段的扭矩在6~7 N·m之间,超过目标扭矩8 N·m的75%。一般来说在形成螺纹阶段,为了保证螺钉不滑牙,螺纹成型质量好,扭矩应在目标扭矩的一半左右。所以试件3,6,8的工艺参数不合理。

[size=1em]我们从表6 中对比试件1、6、8 可以得出结论:在转速3 较低的情况下,压力3 越大,形成螺纹阶段的扭矩越大,工艺越不合理。从表6 中对比试件3,4,8 可以得出下述结论:在压力3 值较高的情况下,中间转速2500rad 在步骤三阶段中产生的扭矩较小,工艺效果较好。

4 结束语

[size=1em]主要介绍了电池包壳体连接中FDS 工艺的影响因素,质量评价标准及工艺优化过程。通过对不同转速2,压力2,转速3,压力3 下的测试,得出以下结论:

[size=1em]a.FDS 连接对工艺参数的容错性较高。当转速2 在6 000~8 000 rad,压力2 在1.2~1.6 kN,转速3在 1 500~3 500 rad, 压力 3 在 0.6~1.0 kN 的宽泛区间内,均能得到良好金相效果的连接件。

[size=1em]b.转速2 与压力2 影响刺穿板材的时间,转速3 与压力3 影响拧紧螺钉的时间。随着转速与压力的增加,连接时间将减小,反之亦然。

[size=1em]c.在转速3 较低的情况下,压力3 越大,螺纹成型阶段的扭矩越大,工艺越不合理。在压力3 值较高的情况下,中间转速2500rad 在步骤三阶段中产生的扭矩较小,工艺效果较好。

[size=1em]d.为了控制连接时间在1.6s 内,转速2 应在7 000 rad 以上,压力 2 应大于 1.4 kN;转速 3 应在2 500 rad 以上,压力 3 应大于 0.8 kN。




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