【汽车材料网】F-SPR（FrictionSelf-piercingRiveting）即自冲摩擦铆焊工艺。其是以传统SPR为基础，结合搅拌摩擦焊原理，使半空心铆钉在轴向进给的同时高速旋转，通过摩擦软化、进给顶锻两阶段完成整个连接过程。
在摩擦软化阶段，铆钉高速旋转产生的摩擦热软化金属，解决传统SPR连接低延展性材料变形难、易开裂的问题及高强度铝合金钉腿镦粗问题；在进给顶镦阶段，通过铆钉停转并快速进给，避免热量在铆钉附近过度累积，提升铆接力、增大机械自锁。
通过铆接力和摩擦热的协调匹配，实现对机械连接质量的有效调控，同时精确控制异种材料界面的摩擦热和温度，形成固相连接，实现了低延展性轻合金的机械-固相复合连接。F-SPR工艺过程如下图所示：
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无需预制孔；
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加热、铆接过程一体化，无需额外加热设备，工艺成本低、效率高；
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实现机械-固相复合连接，获得高性能接头，接头防松动；
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解决镁合金、铸铝、7xxx、2xxx铝合金等低延展性、高比强度轻合金铆接难题。
F-SPR工艺的开发为低延展性高比强度轻合金及异种材料的连接提供了新的连接方案，该工艺应用于轻合金材料连接时效果如下图所示：
据了解，F-SPR工艺由上海交通大学李永兵教授团队研发，并拥有多项发明专利。目前，该课题组在F-SPR工艺机理、接头质量评价、低延展性材料裂纹控制、工艺优化方法等多方面进行了深入研究，并实现该工艺在超高强铝合金（AA7075）、镁合金（AZ31B）等典型车身轻量化材料中的应用。同时，面向实际应用需求，该团队提出了两种工艺变体。
为了解决实际应用中铆钉与凹模不对中而导致的接头缺陷问题，团队提出一种新型平面模F-SPR工艺，并通过连接AA6061-T6铝合金和AZ31B镁合金板材进行了工艺效果验证，该成果于2020年发表在Journalof Magnesium and Alloys，文章标题为：Frictionself-piercing riveting (F-SPR) of aluminum alloy to magnesium alloyusing a flat die。下图为平面模F-SPR工艺过程图：
研究发现：在铝合金与镁合金的平面模F-SPR工艺中，随着进给速度的增加，整个过程的热输入减少，进而导致铆接力增大，接头底部厚度和互锁量增加。在获得的最终接头中，除铆钉与板材之间的机械连接外，材料接合界面处还形成了多种微观连接模式，包括Al-Mg金属间化合物（IMC），Al-Mg机械混合区和Al-Fe原子相互扩散。工艺过程结束后，上层铝合金板变软，下层镁合金板变硬，而铆钉硬度则没有明显变化。随着进给速度从2mm/s增加到8mm/s，平面模F-SPR接头在拉剪测试中分别展现出下板断裂、铆钉拉出及上板断裂三种失效模式。其中，下板断裂模式表现出最高峰值载荷，而上板断裂模式表现出最大断裂吸能。最终，在模具与铆钉偏心1.5mm的工况下，分别使用平面模、凹模和平底模进行了F-SPR工艺比较，发现平面模F-SPR工艺可有效解决因铆钉与模具不对中而引起的接头质量缺陷，且接头具有明显的拉剪力学性能优势。下图分别为平面模F-SPR工艺接头固相连接情况及三种模具下F-SPR接头形貌和性能比较：
随着汽车工业中轻量化需求不断增加，铝合金和先进的高强度钢(AHSS)等高比强度材料混用车身结构成为主流趋势。然而，铝合金与钢在物理性质和冶金性能上差异显著，且汽车用钢的强度等级也不断提高，这给传统的车身装配工艺带来了巨大的挑战。针对这一问题，团队提出了一种新型搅拌摩擦铆焊(FSR)工艺，用于铝合金与高强钢板材组合的连接。该成果于2021年发表在Journalof Materials Processing Technology，文章标题为：Friction Stir Riveting (FSR) of AA6061-T6 Aluminum Alloy and DP600 Steel。下图为铝钢FSR工艺过程图：
FSR工艺过程中，高速旋转的半空心铆钉首先穿透铝板，随后与下层钢板搅拌摩擦焊形成一个环形固相焊接核，最终铆钉帽与铝板接触形成机械锁紧，获得铝-钢机械-固相复合接头。文章研究了接头成形过程、固相连接机理、热-力耦合对接头组织和显微硬度的影响以及接头的拉伸剪切性能。结果表明，FSR工艺成功地实现了AA6061-T6与DP600的可靠连接。但是，工艺后期铝合金完全填充铆腔后，环形固相焊接核中会产生一层薄薄的夹杂物，弱化接头的性能。为了获得无夹杂物、韧性较高FSR接头，未来的研究工作中需要进一步优化铆接腔体与板材厚度的匹配，以及相应的工艺参数。FSR工艺有望为轻合金与钢的连接提供一种全新的工业解决方案，并为管-板结构的固相连接提供新思路。下图分别为FSR工艺接头形貌及力学性能：
在未来，该课题组将继续针对轻合金及异种材料的连接难题，瞄准产业及行业实际需求，进行更加广泛而深入的研究，实现完全自主知识产权F-SPR技术的成熟应用。
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Friction self-piercing riveting of aluminum alloy AA6061-T6 to magnesium alloy AZ31B
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Effect of rivet hardness and geometrical features on friction self-piercing riveted joint quality
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Modeling of friction self-piercing riveting (F-SPR) of aluminum to magnesium
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Friction self-piercing riveting (F-SPR) of dissimilar materials
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Effects of process parameters on crack inhibition and mechanical interlocking in friction self-piercing riveting of aluminum alloy and magnesium alloy
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Modeling and experimental validation of friction self-piercing riveted aluminum alloy to magnesium alloy
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Joint formation and mechanical performance of friction self-piercing riveted aluminum alloy AA7075-T6 joints
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Single-sided joining of aluminum alloys using friction self-piercing riveting (F-SPR) process
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Effect of mechanical and solid-state joining characteristics on tensile-shear performance of friction self-piercing riveted aluminum alloy AA7075-T6 joints
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A Comparative Study of Friction Self-Piercing Riveting and Self-Piercing Riveting of Aluminum Alloy AA5182-O
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Microstructural evolution in friction self-piercing riveted aluminum alloy AA7075-T6 joints
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Friction self-piercing riveting (F-SPR) of aluminum alloy to magnesium alloy using a flat die
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Friction Stir Riveting (FSR) of AA6061-T6 Aluminum Alloy and DP600 Steel
上海交通大学机械与动力工程学院教授、博士生导师，薄板结构制造研究所副所长，上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室副主任。获西安交通大学材料加工专业学士和硕士学位、上海交通大学车辆工程专业博士学位，美国密西根大学吴贤铭制造技术中心博士后，美国橡树岭国家实验室访问学者。主要从事薄板结构焊接与连接工艺、装备的研发以及连接质量监控方面的研究工作。获上海市科技进步一等奖等省部级奖励3项，入选教育部新世纪优秀人才计划（2012），获国家自然科学基金优青项目资助（2013）和国家自然科学基金杰青项目资助（2020）。
