航空復合材料結(jié)構(gòu)鉚接技術(shù)綜述

正文碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有比強度高、可設(shè)計性強、優(yōu)異的耐疲勞和耐腐蝕性以及高阻尼等特點，在飛機制造中得到廣泛的應(yīng)用。復合材料用量已成為評價飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，采用復合材料結(jié)構(gòu)的前機身段相比金屬結(jié)構(gòu)，可減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%，復合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。復合材料的應(yīng)用極大促進了飛機整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展，在降低飛機重量的同時提高了結(jié)構(gòu)的整體性。隨著分離面的減少，結(jié)構(gòu)連接部位隨之減少，但尚存的分離面?zhèn)鬟f載荷更大、受力情況更為復雜。此外由于檢查、拆裝、維護的需要以及工藝的限制，設(shè)計和工藝分離面仍不可避免，這就使得分離面的連接愈加重要和關(guān)鍵，在復合材料使用占比不斷提升的趨勢下，連接接頭設(shè)計成為復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。復合材料結(jié)構(gòu)的連接方式主要有膠接、機械連接和混合連接。膠接載荷分布均勻，但可靠性低，破損–安全性差；機械連接主要包括螺栓連接和鉚釘連接，具有可傳遞較大載荷、可靠性高、對環(huán)境不敏感等優(yōu)點，其應(yīng)用最為廣泛。然而，機械連接破壞了復合材料結(jié)構(gòu)的完整性，纖維在連接孔的不連續(xù)導致孔周應(yīng)力分布復雜和應(yīng)力集中嚴重。為了彌補制孔后層合板強度下降的缺陷，層合板局部一般需要加厚處理，加之緊固件本身的重量，導致整體結(jié)構(gòu)重量進一步增加。相比鉚接，螺栓連接除了能拆卸、可傳遞更大載荷外等優(yōu)點外，復合材料連接的釘孔間隙易于控制，可避免安裝損傷。近年來學者們的研究重點也集中在復合材料螺栓連接，對復合材料螺接的安裝損傷、力學行為和結(jié)構(gòu)破壞失效機理等展開了大量研究，對干涉配合、襯套螺栓及復雜外界環(huán)境下對連接性能的影響也開展了細致的工作。而復材結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的鉚接工藝，由于釘桿膨脹不均勻和鉚接過程的沖擊等因素，極易造成復合材料結(jié)構(gòu)損傷，大大限制了鉚接技術(shù)在復合材料連接上的應(yīng)用。筆者和航空工業(yè)成飛合作的某項目對某機型復材結(jié)構(gòu)鉚接損傷進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)使用普通鉚接方法按照現(xiàn)有工藝規(guī)范操作，50%以上的鉚釘孔周圍復材都會有損傷。損傷作為不可預知的破壞因子會在結(jié)構(gòu)承載服役過程中迅速擴展，降低整個復合材料連接結(jié)構(gòu)的強度和疲勞壽命，造成結(jié)構(gòu)的失效或者斷裂，最終引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，設(shè)計人員會盡量避免采用鉚接而選用螺接。但為便于裝配制造，目前我國在制飛機實際結(jié)構(gòu)如翼面、口蓋及艙門等部位，仍采用一定數(shù)量的鉚釘連接。此外，隨著我國航空制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，多材料、多結(jié)構(gòu)混用在降低產(chǎn)品自重的同時為產(chǎn)品設(shè)計提供更多的選擇，已經(jīng)成為輕量化技術(shù)發(fā)展的趨勢，而采用鉚接對于飛機減重和控制制造成本具有積極的作用。如何抑制復合材料鉚接損傷、提升鉚接連接性能，以及對于復合材料結(jié)構(gòu)，鉚接能否代替螺栓連接成為設(shè)計人員關(guān)切的問題。針對新型號研制過程中對輕質(zhì)、高強、長壽命以及功能高效化整體結(jié)構(gòu)的迫切需求，本文從航空復合材料結(jié)構(gòu)鉚接所用緊固件、方法、工藝等方面進行了系統(tǒng)分析，并提出了應(yīng)用發(fā)展的方向。1、航空復合材料結(jié)構(gòu)鉚接1.1復合材料機械連接技術(shù)復合材料的機械連接是借助緊固件將復合材料結(jié)構(gòu)與構(gòu)件之間（如桁條與蒙皮之間），以及復合材料與金屬結(jié)構(gòu)連接成一個整體的連接方法。對于大型運輸飛機來說，采用緊固件連接更容易滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求。緊固件通常有螺栓和鉚釘兩大類，螺栓進一步可分為普通螺栓、高鎖螺栓和錐形螺栓等，鉚釘可分為普通鉚釘、環(huán)槽鉚釘和抽芯鉚釘?shù)葐蚊媸┿T的盲鉚釘，兩類緊固件應(yīng)用對比如表1所示。表1鉚釘連接與螺栓連接對比

Table1Comparisonbetweenrivetconnectionandboltconnection在航空金屬結(jié)構(gòu)連接廣泛應(yīng)用的干涉配合連接技術(shù)，能夠顯著降低應(yīng)力集中、提高連接結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命。隨著研究的深入，在復合材料連接上使用上述技術(shù)也發(fā)現(xiàn)了類似效果，然而復合材料纖維脆性和纖基界面強度低等特點，使其在安裝力作用下極易發(fā)生分層、脫膠等損傷，若干涉量選取不當反而會大幅降低接頭連接強度與疲勞壽命。所以在復合材料機械連接中，設(shè)計人員對干涉量的選擇特別謹慎，一般采用小干涉量甚至間隙配合的連接方式規(guī)避潛在的風險。螺栓連接干涉量通過調(diào)整釘孔間隙即可控制，而鉚釘釘桿膨脹不均勻，干涉量的確定更為困難，且只有鉚接后才能檢測最終的干涉量。此外，鉚釘?shù)呐蛎浫菀讓筒囊敫鼮閲乐氐某跏紦p傷。因此當前復合材料的連接主要采用螺栓連接和膠接，配合一定數(shù)量的鉚釘連接及混合連接。1.2鉚接原理及工藝方式鉚接是飛機裝配制造中應(yīng)用最廣的連接方式，鉚接裝配工作量占整機制造工作量的20%以上，鉚接的主要方式包括錘鉚、壓鉚、拉鉚及電磁鉚接等，又依據(jù)鉚釘加載端的選擇分為正鉚和反鉚。錘鉚或風動鉚接一般由鉚工手持工具/風動鉚槍多次沖擊鉚釘后形成鐓頭，操作靈活、設(shè)備成本低、應(yīng)用最為廣泛，但鉚接質(zhì)量嚴重依賴操作人員的技術(shù)水平；壓鉚一般采用壓鉚機或自動鉆鉚設(shè)備完成，一致性好、穩(wěn)定性高，常用于壁板結(jié)構(gòu)等開敞性好的工況環(huán)境；近年來，電磁鉚接作為一種新興的鉚接技術(shù)，在大直徑鉚釘鉚接、鈦合金等難成形材料鉚釘鉚接和復合材料結(jié)構(gòu)鉚接中優(yōu)勢明顯，逐漸得到越來越多的應(yīng)用

。鉚接過程一般包括定位、夾緊、制孔（锪窩）、施鉚和松開等工序，整個鉚接循環(huán)由鉚模接觸鉚釘開始，至鐓頭完全成形，鉚模離開為止。以平錐頭鉚釘壓鉚過程為例，依據(jù)釘桿材料流動趨勢將壓鉚過程簡化為4個階段（圖1）：鉚接準備階段、釘孔填充階段、鐓頭成形階段以及回彈階段。學者們對鉚接塑性變形過程中釘、孔受力情況開展了大量研究，通過上限法、主應(yīng)力法、有限元法和試驗分析法等為鉚接力的選取提供了理論依據(jù)。復合材料幾乎沒有塑性，在釘孔填充、鐓頭成形階段釘桿的擠壓極易造成復材的損傷，同時鉚接力的選取較金屬也更加嚴格。圖1鉚釘成形過程

Fig.1Rivetformingprocess1.3復合材料結(jié)構(gòu)鉚接形式工程實際中，復合材料鉚接結(jié)構(gòu)通常有多種搭配形式，以雙層結(jié)構(gòu)為例，通?？煞譃榻饘?復材疊層、復材/金屬疊層和復材/復材疊層。在具體鉚接形式上，針對不同的結(jié)構(gòu)和功能要求可以選擇凸頭鉚釘或沉頭鉚釘，一般認為只要允許采用凸頭鉚釘，就盡量不用沉頭鉚釘，沉頭鉚接的锪窩工藝繁瑣且連接區(qū)域需要適當加厚或強化以彌補強度的下降。但出于結(jié)構(gòu)平整性和飛機氣動性的考慮，飛機鴨翼、副翼、襟翼和垂尾方向舵的楔形部位的復合材料連接廣泛使用了單面或雙面埋頭鉚接的形式，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2典型復合材料鉚接結(jié)構(gòu)形式

Fig.2Typicalcompositerivetingstructures與平面壁板結(jié)構(gòu)相比，斜面或曲面結(jié)構(gòu)的復合材料鉚接在工藝方法和實際操作上存在一定困難，鉚接過程中復合材料面板更容易受到?jīng)_擊，鐓頭不均勻成形、傾斜的現(xiàn)象也更加明顯。針對飛機典型復合材料楔形埋頭結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究，利用電磁鉚接方法和特制的斜面鉚模解決了復合材料斜面鉚接難題，并通過試驗給出了相關(guān)的工藝規(guī)范。對斜面制孔锪窩工藝進行了改進，并通過電磁鉚接方法實現(xiàn)了復合材料斜面夾層結(jié)構(gòu)的膠鉚混合連接，有效提高了結(jié)構(gòu)的密封效果和疲勞性能。沈陽航空航空大學依據(jù)現(xiàn)有工藝，對復合材料楔形雙面埋頭結(jié)構(gòu)壓鉚的仿真分析、工藝方法和工藝參數(shù)進行了研究，對比了壓鉚和錘鉚兩種鉚接方法，并對當前生產(chǎn)過程中實際工藝參數(shù)進行了改進。從上述研究可以看出，現(xiàn)在實際生產(chǎn)過程中復合材料斜面鉚接甚至是曲面鉚接的需求很大，但現(xiàn)有工藝規(guī)范仍大多以平板結(jié)構(gòu)給出操作指南，研究人員雖然通過試驗不斷調(diào)整工藝方法并取得了一定的效果，但這些工藝規(guī)范針對性過強，還未能形成普遍認可的標準。此外，在更深層次的復合材料鉚接埋頭結(jié)構(gòu)損傷機理和力學行為的研究中，相關(guān)的報道較螺栓埋頭結(jié)構(gòu)的研究仍然偏少。1.4復合材料結(jié)構(gòu)用鉚釘?shù)倪x擇除過環(huán)槽釘、單面抽釘?shù)忍厥獾你T釘緊固件，普通鉚釘按照釘桿鐓粗和釘桿局部變形可分為實心鉚釘和半空心鉚釘。半空心鉚釘包括空尾鉚釘和半管狀鉚釘，這類鉚釘僅在釘尾變形而主桿部分基本不膨脹，可以有效避免復合材料孔壁的損傷。在復合材料鉚接鉚釘材料的選取上，由于碳纖維可導電，且與大多數(shù)合金存在較大的電位差，在環(huán)境介質(zhì)形成的電解液作用下，極易引起金屬的電化學腐蝕。英國韋布里季工廠通過試驗評價了腐蝕環(huán)境下連接CFRP的鋁合金鉚釘、不銹鋼鉚釘和蒙乃爾（Monel）合金鉚釘?shù)目垢g性能，結(jié)果表明鋁合金鉚釘受到了明顯的腐蝕。從表2可以看出，鈦合金具有高比強度，和碳纖維電位又比較接近，是最理想的鉚釘材料。復合材料結(jié)構(gòu)鉚接目前主要采用純鈦（TA1）或鈦鈮合金（Ti45Nb）鉚釘。純鈦鉚釘曾是我國復材結(jié)構(gòu)使用最多的鉚釘，但在塑性指標上還需做出改進，而鈦鈮合金具有良好的塑性和高溫性能且無磁性，與鋼鉚釘相比，鈦鈮鉚釘比強度高的同時還可降低26%的重量。美國于1974年將鈦鈮合金列入AMS4982規(guī)范，各種先進軍民用飛機廣泛使用鈦鈮合金鉚釘，現(xiàn)已完全取代純鈦鉚釘，空客和波音的各種機型也大量使用這種鉚釘。我國“十一五”期間開展了鈦鈮合金的應(yīng)用研究，并確定鈦鈮合金為復合材料連接的主要鉚釘材料，目前已形成了鈦鈮鉚釘?shù)南嚓P(guān)標準（HB8314—2013、HB8315—2013、HB8366—2013）。此外，為了兼顧鉚釘強度和成形性，出現(xiàn)了由兩種不同材料（釘桿材料為TC4，釘尾材料為Ti45Nb）通過摩擦焊連接的雙金屬鉚釘，但這類鉚釘使用成本較高。當前我國在航空緊固件的種類、規(guī)格及材料方面距離發(fā)達國家仍有一定的差距，在針對復合材料新型緊固件的研發(fā)上還處于起步階段。表2緊固件材料電位與比強度

Table2Fastenermaterialpotentialandspecificstrength2、航空復合材料結(jié)構(gòu)鉚接損傷原因分析復合材料結(jié)構(gòu)鉚接損傷主要分為制孔過程對復合材料的損傷和鉚接本身安裝過程對復合材料的損傷，這些初始損傷、缺陷在飛機服役過程中不斷積累，最終造成結(jié)構(gòu)失效。制孔是飛機復合材料結(jié)構(gòu)裝配連接過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)，已有研究表明，由于制孔原因造成的復合材料零部件不合格比例占到總體返工結(jié)構(gòu)件的60%左右，且制孔過程造成的損傷很難修復，含孔帶來應(yīng)力集中的影響比金屬嚴重得多。學者們對復合材料制孔過程中產(chǎn)生損傷的原因已有一定認識，并且也為提高復合材料制孔質(zhì)量制定了一系列工藝規(guī)范。生產(chǎn)中普遍會對復合材料制孔后進行探傷檢測，本文重點分析鉚接過程對復合材料造成的損傷。2.1安裝過程對復合材料造成的沖擊損傷現(xiàn)有工藝規(guī)范上普遍明確指出復合材料應(yīng)當避免錘鉚，盡可能采用壓鉚。針對復合材料斜面結(jié)構(gòu)對比分析了錘鉚和壓鉚的鉚接質(zhì)量，結(jié)果表明對比錘鉚，采用壓鉚不僅沒有使得復合材料發(fā)生分層損傷，還提升了鉚釘?shù)募羟衅茐膹姸取Ｈ欢趯嶋H生產(chǎn)、維修過程中，由于結(jié)構(gòu)開敞性和經(jīng)濟性等原因，復合材料鉚接仍然大量采用錘鉚的方式。這種一端頂持一端多次錘擊鉚釘完成鐓頭成形的方法，如果頂持不當或操作失誤會將鉚接力直接作用在復合材料層合板表面，鉚釘?shù)陌惭b過程勢必會對復合材料表面造成一定的沖擊，區(qū)別于鳥撞等高能量沖擊，這種沖擊屬于低能量沖擊。低能量沖擊在復合材料表面不容易出現(xiàn)損壞的跡象，通過目視很難發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)部可能已發(fā)生基體裂紋、纖維斷裂和分層等形式的損傷（圖3），因此帶來的威脅更大。圖3沖擊后在準各向同性層合板中產(chǎn)生的損傷剖面

Fig.3Sectioncutshowingthedamagecreatedinaquasi-isotropiclaminateafterimpact相比制造缺陷和開孔，沖擊損傷對復合材料結(jié)構(gòu)造成的損傷和強度的削弱最為嚴重，低能量沖擊后引起壓縮（CIA）強度、層間強度和剪切強度嚴重下降，尤其是在壓縮載荷下，分層會進一步擴展，壓縮強度一般會降低至無損結(jié)構(gòu)的40%。避免鉚接安裝過程對復合材料面板的沖擊損傷，需要對鉚接工藝與安裝設(shè)備做出改進。2.2鉚釘膨脹對復合材料造成的擠壓損傷鉚釘膨脹對復合材料造成的擠壓損傷是設(shè)計上限制復合材料鉚接應(yīng)用的最主要原因之一。鉚釘膨脹帶來的擠壓損傷包括釘桿材料沿徑向?qū)妆谠斐傻臄D壓損傷和鐓頭材料沿軸向變形對層合板表面造成的擠壓損傷。（1）釘桿材料徑向擠壓復合材料孔壁。圖4給出了金屬/復合材料雙埋頭疊層結(jié)構(gòu)不同釘孔間隙下的鉚接應(yīng)力變化過程，在鉚接釘孔填充階段，鉚釘釘桿在兩端鉚接力擠壓下變形，進而接觸復合材料孔壁，導致孔周產(chǎn)生復雜的應(yīng)力分布（T為一個鉚接過程所用時間，t為其中的某個時刻）。由于復合材料幾乎沒有塑性，在孔壁發(fā)生初始的彈性變形后，隨著鉚釘材料不斷進入釘孔，過大的應(yīng)力會使層合板孔周萌生基體壓潰、界面滑移、分層和纖維曲屈、扭轉(zhuǎn)等嚴重損傷。圖4不同釘孔間隙（d

=0.01mm、0.10mm和0.15mm）金屬/復合材料雙埋頭疊層結(jié)構(gòu)鉚接過程仿真

Fig.4Simulationofrivetingprocessofmetal/compositedoublecountersunklaminatedstructurewithdifferentclearance(d

=0.01mm,0.10mm,0.15mm)ofconnectinghole值得一提的是，復合材料層間強度遠低于纖維和基體的強度，釘桿的擠壓常導致層間界面處發(fā)生分層，圖5給出了Abaqus開啟刪除Cohesive失效單元時，不同釘孔間隙下金屬/復合材料雙埋頭疊層結(jié)構(gòu)最大分層范圍，可以看出復材孔壁受到釘桿徑向擠壓時，復合材料會在孔周出現(xiàn)嚴重的分層現(xiàn)象，其分層損傷范圍受到釘孔間隙的影響。實際檢測主要通過超聲掃描來判斷復合材料鉚接的分層損傷程度，進而評價復合材料整體的損傷情況。圖5不同釘孔間隙（d

=0.01mm、0.10mm和0.15mm）金屬/復合材料雙埋頭疊層結(jié)構(gòu)最大分層區(qū)域?qū)Ρ?/p>

Fig.5Comparisonofmaximumdelaminationregionsofmetal/compositedoublecountersunklaminatedstructuresunderdifferentclearance(d

=0.01mm,0.10mm,0.15mm)ofconnectinghole（2）鐓頭材料軸向擠壓層合板表面。對于采用凸頭鉚釘?shù)膹秃喜牧香T接過程，復合材料除了受到釘桿材料徑向擠壓造成孔壁的損傷外，在鐓頭成形階段還會受到鐓頭材料軸向擠壓層合板造成的損傷。當鉚模向下位移持續(xù)增加，釘桿會接觸到層合板表面并形成鐓頭。鐓頭與層合板間產(chǎn)生的摩擦力使材料流動方向發(fā)生改變，這時有少量材料流入釘孔而層合板此時開始承受沿軸向的擠壓力并發(fā)生一定程度變形，直至鉚模停止移動。由于實際生產(chǎn)過程無法完美保證頂鐵與鉚槍的對中（特別是開敞性差的結(jié)構(gòu)或是采用拐彎頂鐵的工況），鉚釘成形過程并非理想情況下的均勻膨脹，鐓頭也容易出現(xiàn)打偏、傾斜的現(xiàn)象。如圖6所示的典型復合材料鉚接損傷剖面，由于工藝參數(shù)選擇不合適和操作不當導致的鉚接力傳遞不同軸，鐓頭成形過程并不均勻，在右側(cè)對復合材料層合板上表面造成了嚴重的擠壓破壞。同時，干涉不均勻的現(xiàn)象還會出現(xiàn)在復合材料孔壁部分區(qū)域，釘桿過度膨脹形成干涉甚至造成損傷，而其他區(qū)域卻存在釘孔間隙，這種干涉–間隙的配合分布進一步加劇了應(yīng)力集中，降低了連接效率，對結(jié)構(gòu)的疲勞性能極為不利。圖6典型復合材料鉚接損傷剖面

Fig.6Typicalcompositerivetingdamageprofile3、提高航空復合材料鉚接質(zhì)量的途徑對于金屬結(jié)構(gòu)的鉚接，鉚接質(zhì)量的評價指標主要包括鉚接件之間的間隙；釘頭與零件表面的貼合情況；釘頭表面質(zhì)量及沉頭鉚釘頭相對零件的凸出量；鐓頭的尺寸、形狀及缺陷；鉚接件的表面質(zhì)量。但對于復合材料鉚接，除了上述共性指標外，鉚接質(zhì)量的評價還應(yīng)考慮如何抑制復合材料的損傷。提高復合材料的鉚接質(zhì)量可從以下兩個方面著手：減小釘桿膨脹對復材的擠壓程度和對復合材料采取保護。其中，采用合適的鉚接方式、增大釘孔間隙等方法可以降低釘桿變形對復材的擠壓損傷；通過使用限制墊圈和對鉚接設(shè)備、工藝的改進，可保護復材免受損傷。3.1制定合理的工藝規(guī)范目前關(guān)于復合材料的鉚接工藝規(guī)范較多，制造企業(yè)執(zhí)行的標準也不盡相同。影響鉚接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)強度的工藝參數(shù)包括锪窩尺寸、釘孔間隙、釘桿外伸量、鉚接力以及鉚釘和鉚模的幾何構(gòu)型等。對于不同的連接結(jié)構(gòu)和連接形式、鉚接方式和鉚釘材料，最優(yōu)的工藝參數(shù)也存在較大差異，同時現(xiàn)有的工藝參數(shù)也不盡完善，研究人員往往通過試驗制定針對特定結(jié)構(gòu)或某種工況環(huán)境下的工藝規(guī)范，如1.3節(jié)所述，針對復合材料斜面結(jié)構(gòu)的鉚接，相關(guān)的研究幾乎都是通過改進現(xiàn)有工藝參數(shù)以獲得較好的鉚接質(zhì)量。從復合材料鉚接損傷的角度來看，影響復合材料鉚接質(zhì)量最大的工藝參數(shù)在于釘孔間隙的選擇，這也是復合材料鉚接與金屬結(jié)構(gòu)鉚接工藝參數(shù)選取的最大不同。釘孔間隙決定了復合材料鉚釘連接干涉量的大小，大量研究表明復合材料結(jié)構(gòu)連接引入適當?shù)母缮媪渴怯幸娴?，普遍認為復合材料機械連接的干涉量選擇最大不宜超過2%，而復合材料鉚接的最佳配合間隙和干涉量目前還沒有統(tǒng)一的定論?？讖竭^大雖然不會產(chǎn)生預損傷，但會造成鉚接時鉚釘在孔內(nèi)傾斜、錯位或無法形成有效膨脹，使得連接結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下鉚釘過早傾斜，產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)抗拉強度；孔徑過小會一定程度上減緩鉚釘傾斜，抑制接觸區(qū)域的應(yīng)力集中，提高承載能力，但干涉量越大，釘桿膨脹對復合材料孔壁造成的擠壓損傷也就越嚴重，如圖4和5所示，釘孔間隙越小，孔周擠壓導致的復合材料單元畸變越嚴重，分層范圍也越大。2020年發(fā)布的工藝規(guī)范《民用飛機復合材料制件鉚接要求》中給出孔徑應(yīng)比鉚釘直徑大6%~10%，以4mm凸頭鉚釘為例（復材/復材連接），參考前人研究及最新的規(guī)范，孔徑應(yīng)選擇（4.3±0.05）mm為宜。在很多企業(yè)標準中，復合材料鉚接仍參照金屬的工藝規(guī)范選擇0.1mm的釘孔間隙，這就導致飛機在鉚接時及服役中釘孔周圍損傷故障率提高。在鉚接力選取得當時，釘桿外伸量是影響鐓頭成形尺寸最重要的因素，而鐓頭尺寸是最先評價鉚接質(zhì)量和鉚接一致性的標準。過大的外伸量容易造成鐓頭打偏，而過小的外伸量無法形成足夠的鐓頭尺寸，不利于被連接件的拉脫強度的保持。波音公司BAC5063標準最早規(guī)定了復合材料鉚接外伸量選擇范圍（凸頭鉚釘為1.1~1.2倍的釘桿直徑，埋頭鉚釘為0.6~0.8倍的釘桿直徑）和鉚接后鐓頭尺寸（鐓頭直徑和高度一般建議分別為（1.4±0.1）mm和0.5~0.65倍的釘桿直徑），國內(nèi)的標準也給出了大致范圍或通過公式計算來確定鉚釘?shù)拈L度。除了外伸量，鉚模幾何構(gòu)型（開口角度和深度）同樣影響鐓頭尺寸和鉚接質(zhì)量，特別是對鈦合金等難成形材料，使用合適的凹鉚?？上拗漆敆U材料橫向流動，避免鐓頭開裂?？梢钥闯觯绊憦秃喜牧香T接質(zhì)量的工藝參數(shù)種類復雜繁多，采用不同的鉚接方式和工具，在工藝上還會引入額外的變量（如自動鉆鉚設(shè)備鉚模的進給速度、預設(shè)位移和電磁鉚接設(shè)備的充放電電壓），單一參數(shù)對鉚接質(zhì)量的影響可能并不適用多個參數(shù)組合后的情況，現(xiàn)有標準給出的工藝參數(shù)仍然有很大的優(yōu)化空間，生產(chǎn)過程中應(yīng)當參考現(xiàn)有標準結(jié)合實際情形不斷優(yōu)化、完善工藝規(guī)范，以獲得更好的工程效果。3.2采用先進的鉚接工藝方法如前文所述，復合材料鉚接采用錘鉚方式鉚接質(zhì)量和一致性依賴工人技術(shù)水平，甚至還會對結(jié)構(gòu)表面造成沖擊損傷。采用自動化設(shè)備可以很好地解決以上問題。電磁鉚接是一種新興的特種鉚接技術(shù)，大量研究表明，采用電磁鉚接可以在實現(xiàn)復合材料鉚接需求的同時提升連接強度和疲勞性能。20世紀70年代格魯門宇航公司應(yīng)用電磁鉚接技術(shù)在F–14飛機上成功實現(xiàn)了鈦合金—A–286鋼鉚釘—CFRP的干涉配合連接，其干涉量到達了0.203mm，在保證鐓頭成形的同時沒有引起復合材料構(gòu)件的擠壓損傷，使結(jié)構(gòu)強度得到了顯著提高。研究表明，電磁鉚接技術(shù)配合墊圈可使鉚接釘桿膨脹均勻，減少復合材料層合板的損傷，試驗證明了電磁鉚接技術(shù)可使鉚接過程的干涉量控制在2%以內(nèi)。建立了模擬埋頭鉚接搭接接頭鉚接全過程的三維有限元模型并驗證了上述結(jié)論的可靠性，通過數(shù)值模擬選擇合適的釘孔間隙和墊圈尺寸，可以實現(xiàn)CFRP層合板干涉配合鉚接。對電磁鉚接和普通錘鉚的鉚接質(zhì)量進行了對比，從圖7中可以看出，錘鉚后的鉚釘膨脹量不均勻，近鐓頭處釘桿膨脹大，釘頭處膨脹??；兩個層合板連接處由于鉚釘?shù)臄D壓，使層合板出現(xiàn)向內(nèi)彎曲；而電磁鉚接釘桿變形均勻，對復合材料沒有明顯可見的損傷。在CFRP/Al搭接復合結(jié)構(gòu)中，通過對剪切和疲勞性能的測試，證明電磁鉚接技術(shù)能夠保證穩(wěn)定連接強度，可用于復合材料的鉚接。針對某型號衛(wèi)星復合材料承力筒結(jié)構(gòu)采用電磁鉚接技術(shù)代替螺接減重展開了研究，結(jié)果表明，鉚接代替螺接使結(jié)構(gòu)減重達1.5kg，鉚接和螺接的剪切強度相當，其初始破壞強度比螺接高17%，最大破壞強度比螺接低3.3%；鉚接拉脫強度略低于螺接，初始破壞強度和最大破壞強度比螺接分別低6.3%和9.2%。在抗剪能力相同的情況下，采用10mm的2A10鋁合金鉚釘電磁鉚接結(jié)構(gòu)代替6mm的30CrMnSi鋼制螺栓連接結(jié)構(gòu)，從比強度方面對比，鉚接結(jié)構(gòu)抗剪切和拉脫比強度分別可提高22.6%和66.1%，而緊固件重量降低了15.8%。因此，采用電磁鉚接技術(shù)是提高復材連接性能和降低生產(chǎn)成本的有效途徑。電磁鉚接可使得鉚釘成形過程應(yīng)變率達到102~104

s–1，材料的變形方式不同于傳統(tǒng)鉚接的均勻滑移變形，而是以絕熱剪切的形式變形。應(yīng)力波在釘桿中的傳播、反射、疊加使得鉚釘在中部膨脹更大。對比電磁鉚接和壓鉚Q235搭接結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)電磁鉚接可在剪切面處獲得更大的干涉量，如圖8（a）所示；電磁鉚接后測量干涉量表明，電磁鉚接后鉚釘呈兩端細中間粗的“鼓形”，釘桿膨脹均勻，而壓鉚的方式材料主要堆積在鐓頭一側(cè)，呈直徑沿軸向遞減的“倒三角”形狀（圖7（a））；其他研究通過試驗表明電磁鉚接在剪切面上獲得更大的干涉量，有助于提升剪切強度。對鐓頭的硬度測量（圖8（b））表明電磁鉚接起到對鐓頭大部分區(qū)域硬度強化的效果，使剪切性能和疲勞性能優(yōu)于壓鉚。圖7復合材料錘鉚和電磁鉚接效果對比

Fig.7Comparisonoftheeffectbetweencompositematerialhammerrivetingandelectromagneticriveting圖8電磁鉚接和壓鉚質(zhì)量對比

Fig.8Qualitycomparisonbetweenelectromagneticrivetingandpressriveting電磁鉚接設(shè)備針對不同工況如筒狀結(jié)構(gòu)、壁板結(jié)構(gòu)等發(fā)展出了不同的形式，同時也有系列化的鉚槍以滿足不同的使用需求，針對某些開敞性差的裝配工況，陜西大工旭航電磁科技有限公司研制了1.6kg、3.0kg手持式電磁鉚槍以替代風動鉚槍（圖9）。除了先進鉚接設(shè)備的發(fā)展外，新型工藝研究也取得了進展。對于大直徑、難成形的鈦合金鉚釘，傳統(tǒng)的熱鉚不適合復合材料的鉚接。將電流輔助方法引入到復合材料構(gòu)件鈦合金鉚釘壓鉚工藝中，其原理及裝置如圖10所示（ms為鉚釘試樣的質(zhì)量；mt為上電極的質(zhì)量；mb為下電極的質(zhì)量；Rjt、Rjb為上、下電極與鉚釘間的接觸電阻；Rs、Rt、Rb為鉚釘、上電極、下電極材料的自身電阻；Rtc與Rbc為上、下電極電阻；J為名義電流密度；D為單脈沖作用時間；f為脈沖電流的頻率）。鉚釘在電流作用下產(chǎn)生焦耳熱作為金屬變形的重要驅(qū)動力，在確保復合材料熱容限的前提下，可以顯著提升鈦鈮鉚釘?shù)乃苄?，成形時屈服強度降低10%~20%，干涉量的均勻性提高了30%，極大提高了復合材料鈦鈮鉚釘?shù)你T接質(zhì)量。圖9陜西大工旭航電磁科技有限公司研制的系列化電磁鉚槍

Fig.9SerialelectromagneticrivetingequipmentdevelopedbyNPUXuHangElectromagneticTechnologyCo.,Ltd.圖10電流輔助鉚接裝置及原理[67]

Fig.10Currentassistedrivetingdeviceandprinciple[67]3.3重視墊圈的保護作用有學者推薦在復合材料鉚接過程中在鐓頭成形一側(cè)的結(jié)構(gòu)表面使用墊圈來減小鉚接過程對復合材料的沖擊力、減小鐓頭成形時對表面的擠壓損傷并限制釘桿膨脹對孔壁造成的擠壓損傷。系統(tǒng)地研究了墊圈對鉚釘膨脹的影響，發(fā)現(xiàn)墊圈的幾何構(gòu)型對鉚接質(zhì)量影響較大，較大的墊圈外徑提高了成形時的承載面積和承壓能力，較小的內(nèi)徑可以限制鐓頭附近鉚釘?shù)倪^分膨脹，較大的墊圈厚度增加了墊圈剛度和承壓能力，將這種特殊設(shè)計的墊圈稱為“限制墊圈”，并通過研究推薦了墊圈的具體尺寸。圖11給出了墊圈對抑制復合材料損傷的效果對比。從圖11（a）中可以看出，不使用墊圈時，鐓頭成形時局部嵌入層合板上表面處造成嚴重的擠壓破壞，多個鋪層發(fā)生了彎曲、分層等損傷形式；使用墊圈后，從圖11（b）中可以看出，有效減少了鐓頭對層合板表面的擠壓破壞，幾乎觀察不到明顯的鉚接損傷。使用墊圈一方面有效限制了鐓頭附近釘桿不均勻膨脹，另一方面通過將局部軸向擠壓力向孔周表面墊圈覆蓋區(qū)域分散進而降低孔周表面軸向應(yīng)力水平，最終有效減小鉚接損傷程度。墊圈除了可以抑制鉚接過程中的擠壓損傷，對構(gòu)件的力學性能也有一定程度的提升，通過對CFRP/CFRP不銹鋼抽芯鉚接接頭的試驗發(fā)現(xiàn)，在鉚出側(cè)增加墊圈可顯著提高復合材料鉚接接頭的拉剪強度70%以上，主要原因是墊圈可有效抑制拉脫失效，將失效模式限制為擠壓失效。圖11墊圈對復合材料鉚接損傷抑制效果對比

Fig.11Comparisonoftheeffectofwasheroncompositerivetingdamagesuppression在此基礎(chǔ)上提出了一種采用墊圈和沉頭襯套實現(xiàn)復材無損鉚接的方法，如圖12所示；該方法在鉚模頭部的環(huán)形槽上安裝了可產(chǎn)生大變形的乳膠定位套，配合墊圈可為釘頭部分的變形提供一個緩沖約束區(qū)域，使鉚釘大量的形變作用力作用在墊圈內(nèi)，這樣在限制鐓頭過度膨脹的同時最大限度地減少了對復合材料構(gòu)件的沖擊損傷，避免復合材料構(gòu)件的鉚接損傷。此外，采取了復合材料層合板內(nèi)部嵌入金屬預埋件的方式來進行損傷抑制，如圖13所示；該方法將階梯型預埋件與層合板膠接后，鉚釘?shù)淖冃闻蛎洶l(fā)生在預埋件孔內(nèi)，通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)該方法對復合材料孔壁損傷有明顯抑制作用，并使層合板翹曲變形減少60%；但該方法增加了工藝復雜性，同時未考慮孔徑擴大對連接強度降低的影響。圖12復材構(gòu)件帶限制墊圈鉚接示意圖

Fig.12Rivetingmethodofcompositestructurewithlimiting