Automobile Technology & Material
FDS工艺在电池包壳体连接中的应用研究
FDS FDS
摘要：研究了薄板铝合金的 连接工艺，论述了 工艺的影响因素和质量评价标准。
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针对连接过程的钻速与压力进行了 组正交试验，并通过金相剖面，连接时间和扭矩曲线选择
FDS
了合适的工艺参数，确定了 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
中图分类号：TG456.4 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190145
1 前言
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。
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 4
的工艺过程可以分为
个步骤，即预压定位-刺穿板材-形成螺纹-拧紧螺
FDS
[2]。本文将重点介绍某电池包壳体
钉 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
某电池包壳体由上盖板，中间框架与下护板连
EN
接而成。其中上盖板与下护板材料牌号均为
AW5182 Al- Mg
，它属于 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。
VW TL116C24，
中间框架材料的供货标准为
Al-mg-si 4.0 mm，其材料的
它属于 系铝合金，厚度
2
供货技术要求如表 所示。
2.2 试验设备
FDS工位上完成，FDS
本次试验在自动 设备为RSF-25
德国巍博公司生产的 型流钻螺钉枪，机器人
KUKA 360 kg VKRC4。电池包安装
为 公司的 级别的
1
在转毂上以保证可达性。实验设备如图 所示。
2.3 FDS连接质量的评价标准
FDS
对于 工艺的连接质量，主要有以下评价2
标准，如图 所示。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； b.板材材料无溢出，如②所示；
0.05 mm，如③所示；
c.螺钉帽与上板材间隙小于
9mm
d.离螺栓中心线 处的上下板材间隙需小
0.2 mm，如④所示；
于
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；
f.板材与螺钉未开裂,螺钉与板材的垂直偏差3。，如⑥所示。
角度小于
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
FDS 4
连接工艺可以分为 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。步骤一的工艺参数如下。
A.螺钉尺寸的预设定，FDS
连接前须在在系统
3中定义螺钉与板材的尺寸，如图 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，
eff 0.0，Tolmin
则 值为 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。b.offset 的测量，FDS Offset
连接前须设置 值，
它的定义是螺钉驱动杆（Screw driving tool）的下边4
缘与螺钉帽下沿的距离，如图 所示。
预标定，FDS
c. 连接前须对设备进行预标定，
FDS 20~30 mm
预标定要求 设备手动排钉后，在 的
3。）冲击
高度，以垂直的姿态（垂直度偏差不超过
FDS
标定块。通过预标定，可以消除 刀头各部件的拆装误差。
FDS Down d.预压力，预压力是指由 下压板（ 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。
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
1~2 mm。
打开深度应减小，卡爪打开深度一般设定为
FDS
f.检测相对运动速度，即步骤一中 刀头的
50 mm/s。
下降速度的上限值，一般设置为
3 mm/s，意 FDS
g.检测接触，一般设置为 为当
3 mm/s FDS
刀头与板材相对速度降低至 时，默认刀头与母材上板接触。步骤二的工艺参数如下。
FDS
a.转速，步骤二的转速是 的核心参数（以
2），它的作用是加热板材并使之处于
下简称转速软化状态，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
8 000 r/min；最大转速的选择和板材
大可以达到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]。
FDS
b.压力，步骤二中的压力是 的核心参数
2），在压紧板压住板材后，FDS
（以下简称压力 枪将施加轴向的进给力，使螺钉在旋转的同时能够
2
穿进板料。压力 与板材的硬度和厚度正相关[4] ，
2 2.0 kn。
在气缸的作用下，压力 最大可达
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。
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，
100 mm/s。
一般设置为步骤三的影响因素如下。
FDS
a.压力，步骤三的压力是 的核心参数（以
3），是指在螺钉刺破板材后，由FDS
下简称压力 枪施加给轴的进给力。为了保证螺纹充分的形成且
3 2。
不破坏螺纹，一般压力 小于压力
FDS
b.转速，步骤三的转速是 的核心参数（以3），它的作用是攻丝并形成螺纹，为了
下简称转速
3远
保证螺纹充分的形成且不破坏螺纹，一般转速
2。
小于转速
0.1 s，作为步骤二
c.加减速时间，一般设置为与步骤三间转速切换的过渡。
2mm
d.深度：一般设置为 ，作为步骤三的监控。步骤四的影响因素如下。
a.压力，步骤四的压力是保证螺纹的充分拧
3
紧，取值一般与压力 相同。
b.转速，步骤四的转速是为了保证螺纹的充分
3。
拧紧与足够的扭矩，一般远小于转速
0.1 s,作为步骤三
c.加减速时间，一般设置为与步骤四间转速切换的过渡。
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
1.2 mm 5182
上盖板的连接板材为 铝合金与
4 mmtl116 1.2 mm
铝合金，其中 铝合金有预开
M5×20
孔。使用 的阿诺德螺钉进行连接。因为
FDS 4
工艺可以分为 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
3~
讨论，其余各步骤非核心工艺参数的设置如表
6
表 所示。
3.3 实验结果
完成实验后对试件做金相剖面，每组实验的
5
剖面状态如图 所示。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
9mm
钉与板材均无开裂；距螺钉中心线 处，上下板
0.02 mm；有效螺纹长度在5.8~6.1 mm
材间隙小于之间波动，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
2
工艺，其对工艺参数的容错性较高。当转速
6 000~8 000 rad, 2 1.2~1.6 kn，转速3
在 压力 在 在
1 500~3 500 rad, 3 0.6~1.0 kn
压力 在 的宽泛区间内，均能得到良好金相效果的连接件。100 FDS
因为每个电池包壳体需要超过 个 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6
果。连接时间与扭矩曲线如图 所示。