电磁铆接技术

电磁铆接技术发展概况

摘要：对电磁铆接技术的研究现状作概述。介绍了电磁铆接的基本原理及其特点，对国内外电磁铆接设备的研究进行了分析比较，讨论了电磁铆接工艺研究的意义以及工艺参数对电磁铆接质量的影响。随着航空业的发展，电磁铆接工艺参数的定量化势必成为发展趋势。

关键词：电磁铆接；铆接质量；工艺参数

在新型飞机设计中，为增加飞机结构强度，提高疲劳寿命，同时减轻飞机重量，大量采用钛合金结构和复合材料结构。第4代战斗机上钛合金材料将占30％以上，复合材料占40％～60％。但由于复合材料易产生安装损伤、分层等现象，大大限制了热铆方法的采用。同时，在新型飞机和大型运载火箭中，由于大载荷的要求，越来越多地采用大直径铆钉。并且，由于结构开敝性限制，大功率压铆机在许多情况下无法工作，所以只能采用气铆。而气铆存在铆接质量不稳定、效率低下等问题。上述问题是目前普通铆接方法无法避免的，因此，迫切需要采用新型的铆接工艺来解决这些问题，电磁铆接是电磁成形工艺的一个应用，是作为解决上述难题而发展起来的一种将电磁能转化为机械能，使铆钉发生塑性变形的新型铆接方法。

1 电磁铆接原理

电磁铆接是利用初级线圈和次级线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种新型铆接工艺。加载速率高、应变速率大，材料的变形方式与压铆等准静态加载方式不同，铆钉钉杆变形均匀，可有效防止复合材料损伤，为钛合金和复合材料结构的连接及大直径铆钉和难成形材料铆钉成形提供了一种先进的连接技术。目前，该技术已在航天航空工业制造领域中得到广泛应用，波音、空客等飞机制造中均采用这一技术[1]。

1.1 电磁铆接成形原理

电磁铆接的基本原理同电磁成形，只是在次级线圈和工件之间加了一个应力波放大器，电磁铆接原理图如图1-1。

图1-1 电磁铆接原理图

如图所示在开关闭合的瞬间，电容器组进行放电，在初级线圈中产生脉冲电流，脉冲电流在初级线圈中激发出强磁场。根据电磁感应定律进而在次级线圈中产生感应电流，感应电流在次级线圈中产生涡流磁场，两磁场相互作用在耦合的线圈之间产生涡流斥力，涡流斥力在应力波放大器中经过不断的反射和透射，将放大了的力作用在铆钉上进行铆接。

电磁铆接初级线圈和次级线圈的耦合电路图如图1-2所示。初级电路是电磁成形系统回路，包括储能电容器，感应线圈，R1是系统电阻；次级电路是感应回路（涡流）R2是工件电阻，L2是回路电感；M 是互感系数。

C-储能电容器 R1-初级电路电阻 L1-系统电感

R2-次级电路电阻 L2-次级电路电感

图1-2 电磁铆接双回路模型

如上图所示，设1i 是初级回路放电电流，2i 是感应回路电流。根据克希霍夫定律，两个回路的微分方程为：

（1.1）

解得：

（1.2）

（1.3）

（1.4） 1211110021222100t di di L M R i i dt U dt dt C di di L M R i dt dt ⎧+++-=⎪⎪⎨⎪++=⎪⎩⎰1()sin t i t Ie wt τ=2()sin()i t AI wt ϑ=+22

21()A R wL =+

（1.5）

其中M 为互感系数，0U I wL =，2L R

τ= 1.2 电磁铆接的基本参数 电磁铆接的基本原理是通过线圈放电，将电容器中储存的电磁能转化为机械能，在放大器的输入端形成历时极短、强度高的应力脉冲，应力脉冲以弹性波形式在放大器中传播并被放大，随后又被传播给铆钉，从而完成铆钉的塑性变形。单次放电电容器储存的能量W 为：

（1.6）

式中C 为电容器电容量，U 为铆接电压。 由式(2.1)可以看出，单次放电电容器储存的能量与电容器电容量、铆接电压成正比。由于现在电磁铆接设备大都采用低电压，为了获得铆钉成形所需的能量(对于常用的铆钉，铆接设备储存能量一般为几千焦耳)，在降低铆接电压的同时必然要增加电容器的电容量。如采用脉冲电容器，由于其电容量小，要想获得比较大的电容量，则势必要增加电容器的体积，这显然不合适。而电解电容器由于其容量高、体积小、成本低，可以满足低电压电磁铆接设备的要求。

电磁铆接设备采用低电压主要是为了降低放电电流频率，消除由于电压高引起的高放电频率，高放电频率会导致铆接后在铆钉镦头处产生微裂纹或剪切破坏的现象。因此，选择放电电流频率的一个主要标准就是使得铆接时铆钉镦头不产生微裂纹或剪切破坏。电磁铆接放电电流频率f 为：

（1.7）

式中，C 为电容器电容量， L 为系统电感。

从式(2.2)中可以看出，放电频率的大小取决于系统电感、电容器电容量，由于系统电感主要由放电线圈的电感量决定，一般不易改变，因此，要想获得比较小的放电频率，只有增加电容器的电容量。为了选择合适的放电频率，西北工业大学曹增强等曾对成形性较差的TB2-1 铆钉分别采用电容量为225μf 、1850μf 、3500μf 的3 种电容器组进行铆接试验。当系统电感实测为50μh 时，放电电流频率分别为1600HZ 、600HZ 、400HZ ，通过对铆钉镦头金相组织进行观察，当电流频率为1600HZ 时，铆钉镦头有明显的微裂纹；电流频率为600HZ 时，铆钉镦头没有微裂纹，但是有明显的剪切带；电流频率为400HZ 时，镦头没有微裂纹，剪切带也不明显。由此可见，400HZ 的电流频率比较合适，因此，对于低压电磁铆接设备，所选取的放电电流频率一般情况下不高于400HZ 。

在冲击载荷下，如果材料出现了局部化变形，这种在高应变率下的局部化变2

12

W CU

=f =21

arctan()R wL ϑ=

形可能使该区域温度明显升高，温度上升到一定数值时会造成材料的软化，超过了材料由于变形造成的硬化，那么这种局部的变化会以反馈的方式发展，这就是剪切带成形的机理。电磁铆接属于冲击载荷，在铆接的过程中加载速率非常高，材料以绝热剪切的方式产生塑性变形，铆钉材料的应变率很大，一般在几百微秒到几毫秒内材料就会产生30%-50%的应变，其应变率要比普通铆接高出几个数量级。大量的研究表明，在高速变形时，加载速率会对铆钉材料的变形和铆接质量产生很大的影响。铆钉变形主要在脉冲电流的第一个半波周期内完成，电流周期T 为：

（1.8） 式中，L 为铆接设备的电感值，C 为铆接设备的电容量。

L 由初级线圈的结构和尺寸决定，当线圈确定后，整个系统的电感值也就确定，一般不易调整。因此要选择不同的加载速率，只能依靠调整铆接设备的电容值。试验表明，电磁铆接时，随着加载速率的提高，在铆钉材料中产生的剪切带逐渐发展，剪切带内的变形量也逐渐增大，铆钉镦头出现微裂纹。为了提高铆接质量，电磁铆接时加载速率不能过高。

1.3 电磁铆接特点

相比于普通铆接，电磁铆接有以下一些优点[2~3]

(1)效率高。普通铆接时一般都要进行多次锤击，不仅造成材料冷作硬化，而且费力费时，铆接质量受操作工人的技术水平限制。而电磁铆接中涡流斥力在 应力波放大器中放大后，一次成形，成形质量主要受铆接工艺的影响。选择合适的铆接参数，可以使铆接效果达到预期的效果[4]。

(2)噪声小，安全性高。普通铆接时噪声可高达140dB ．会对工人的听力系统造成伤害，许多工厂采用轮班制来弥补该方面的不足。而电磁铆接的峰值噪音一般小于90 dB ，并且持续时间短，其连续噪声等级远小于普通铆接[5]。

(3)干涉配合铆接。普通铆接时钉杆膨胀不均匀，很难保证钉杆沿整个长度有均匀的干涉量，不能提高结构疲劳寿命，而电磁铆接成形速度快，钉杆膨胀和镦头几乎同时形成，在连接件和铆钉之间形成均匀的干涉量，提高接头疲劳寿命。

(4)复合材料铆接。现在飞机制造中大量采用复合材料，复合材料具有许多优异的性能，但普通铆接时容易造成挤压破坏。由于电磁铆接具有屈强比高避免了普通铆接时的问题。

(5)应用电磁铆接原理的电磁铆枪工作时会产生一个强脉冲力，但铆枪后端有缓冲装置因此后坐力很小。电磁铆枪可以手持进行铆接，操作方便灵活，不受空间开敞性的影响。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

2T =