探究复合材料电磁铆接技术研究现状及展望

探究复合材料电磁铆接技术研究现状及展望

徐荃 ,曹臣鹏

天津航天长征火箭制造有限公司，天津市，300462

摘要：复合材料在新型结构件中的应用越来越多，对复合材料连接技术手段要求也越来越高。为了满足复合材料铆接需求。本文通过对电磁铆接技术工艺原理进行分析，探讨电磁铆接技术在复合材料连接中的技术优点和应用效果，为促进电磁铆接技术的实际应用和发展奠定基础。

关键词：复合材料；电磁铆接技术；连接强度

0引言

随着我国航天事业的不断快速发展，许多高性能材料构件制作都选用复合材料，这也对材料铆接技术提出更高的要求。但我国传统的铆接技术已经很难满足当前多元化复合材料连接的强度要求。为此，行业内迫切引入先进的铆接技术，提高复合材料铆接质量。通过电磁铆接技术的出现，该技术手段主要以金属材料电磁成型为基础，具有高速率、高强度铆接的特点，因此在未来的发展中都具有良好的应用前景。

1电磁铆接工艺研究

如图1，电磁铆接技术在实际工作中需要经历以下几个流程，首先在系统接入电源后，初级线圈与次级线圈之间会受到耦合感应影响，生成两个感应磁场。在磁场的作用下会生成涡流斥力，利用放大器将应力波在短时间内发挥到铆钉结构中，使铆钉发生形变。整个过程一般仅需要μs或ms级别的极短时间就可以完成，而且铆钉结构产生的形变较为均匀。在我国当前的航天发展中复合材料构件基本都选用铝合金或钛合金材料，如果在这些复合材料的连接中选用传统铆接技术，不仅会引发铆钉位置发生细小列问题，还容易出现连接孔不均匀损伤现象，对合金构件质量造成一定影响。利用电磁铆接技术能够通过电磁形成原理来解决传统铆接中存在的问题。电磁铆接技术与传统铆接技术存在本质区别，传统铆接技术在实际应用过程中，铆钉微观变形方式为滑移方式，但电磁铆接技术的材料变形是微观绝热剪切现象。以往的铆接技术很难超越电磁铆接技术中的变性塑料。因此，两种铆接技术手段的效果也是不可比拟的。

图1电磁铆接技术工作原理图（1－电容；2－开关；3—初级线圈；4—次级线圈；5—放大器；6—铆模；7—铆钉；8—被铆接件；9—挡铁）

2电磁铆接在复合材料中的应用及优点

2.1提高大直径、难成形材料铆接质量的稳定性

电磁铆接技术在复合材料连接中的应用也能够提高大直径和难以成行复合材料的铆接稳定性。随着复合材料产品性能的要求提高，致使许多紧固件也不断涌现出来，然而传统铆接技术在面对大直径铆钉、难成行复合材料、应变率敏感材料以及屈服强度比较高的材料中，仍然面临着较大的铆接难度，实际铆接过程极易引发微裂纹质量，也容易造成锚杆冲击产生断裂问题。电磁铆接技术作为一种全新的铆接手段，能够解决大直径、难成行、应变率敏感铆钉铆接过程遇到的问题。比如在波音747飞机的机翼壁板构件的连接中，采用电磁铆接技术可以有效摆脱大直径铆钉难以成形的铆接问题。关专业人士的实验研究中分别采取传统锤击铆接技术和新型电磁铆接技术，进行4mm钛合金材料铆接实验，铆接厚度要求为5.4mm，在两种铆接方式对比下可以看出，电磁铆接技术所产生的膨胀量更加均匀，铆接效果更是优于锤击铆接技术。此外，利用电磁铆接技术对进行板材铆接实验，试验板厚度为22mm，干涉量为0.58%-1.33%，符合强度需求。从我国当前的铆接技术来看，已经逐渐实现了电磁铆接技术与数字化、集成化和自动化技术的融合，构建全新的铆接装配系统，满足多种结构类型的紧固件铆接与安装。

2.2实现低损伤、高质量的铆接

复合材料构件对产品性能和铆接强度要求不断提升，如果仍然采用传统铆接形式很难满足较高的产品性能需求。据相关统计表明，复合材料中由于产品铆接位置引发的问题达到80%左右。所以复合材料铆接质量关乎着整个产品性能。复合材料的连接过程中必须采用剧烈的冲击铆接手段，例如锤铆方式并不可取，此外，通过拉铆方式在一般情况下也很难满足复合材料产品的连接强度要求。因此，通过引入电磁铆接技术能够实现瞬时零距离加载特点，通过使铆钉钉体产生形变的原理完成复合材料的连接，这种方式能够提高铆钉干涉的均匀性，达到高性能的铆接效果，以此来满足复合材料连接需求。

电磁铆接技术在实际应用中可以将当前紧固件运用到复合材料产品的连接在，保证连接质量满足其产品本身的性能需求，不需要引入专用的紧固件，最大程度节约紧固件成本投入。在实际研究中，专业人才通过电磁铆接技术和液压铆接技术应用所连接的环槽钉性能进行分析，充分展现出电磁铆接技术在复合材料连接中的优势。通过将电磁铆接技术运用到复合材料的连接试验组对连接位置的强度和损伤进行检测，其铆接质量与螺接效果相差无几，但是电磁铆接的初始破坏强度远高于螺接的初始破坏强度。利用X射线对电磁铆接孔展开分析，其孔边身上宽度和深度分别为0.32mm与0.25mm，相比于规定标准值小得多，同时电磁铆接技术应用所产生的孔壁挤压度较小，不会对复合材料连接位置造成严重破坏。干涉配合也能满足复合材料连接性能，而且阶层厚度和孔隙度相差较大，锚杆膨胀量较为均匀，能够展现出良好的复合材料连接效果。将电磁铆接技术运用到飞机复合材料构件产品的连接中，能够避免安装过程中对构件造成的损伤程度，提高连接位置的强度，而且能最大程度减轻产品重量，满足飞机构件产品的实际应用需求。在对比传统铆接技术和电磁铆接技术时，通过对采用电磁铆接技术的试样拉脱强度和剪切强度分析，都远超传统铆接技术强度，而且该技术产生的干涉量大幅度降低。由此可见，利用电磁铆接技术能够有效提升接头位置的静强度。

2.3提高工作效率，降低劳动强度

电磁铆接技术在复合材料的连接应用中也能够起到高效装配的目的，大大降低人员作业强度。在电磁铆接过程中，所产生的应力波会直接对紧固件造成影响，但是这一影响十分微弱，远小于锤铆等方式造成的紧固件损伤问题。因此，这也能够避免影响铆接作业效率。如果选用以往常规的铆接技术，需要大量人工锤铆以及压铆设备干预，不仅耗费大量人力物力，还会浪费作业实际，影响作业效率，尤其是对于大尺寸的铆钉连接过程中，所耗费的时间和作业强度远超过采用电磁铆接技术。干涉量较大的铆接作业十分复杂，施工周期比较长，容易影响后期的施工周期。选用电磁铆接技术，其应力波放大能够传递到铆钉端部位置，确保极短时间内就可以实现材料变形，达到铆接效果，大大提高了铆接装配效率。

结束语

综上所述，电磁铆接技术在我国得到了全面应用与推广，特别是在复合材料的铆接作业中，不仅可以大大提高工作效率，降低复杂作业的铆接强度，同时也有利于降低铆接构件位置损伤，提高产品强度，因此，电磁铆接技术研究也是当前发展的主要研究方向。

参考文献：

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[2]邓将华，李春风，于海平．电磁铆接试样质量分析[J]．塑性工程学报，2019，17(4)：144～147.