金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法 【技术领域】
本发明涉及航空、航天工程制造领域，尤其涉及一种大型飞机机身、机翼和大型运载火箭弹体等筒体结构件上金属与复合材料的铆接方法。
背景技术
我国新一代大型运载火箭系列和大飞机项目研制生产中采用很多先进的新技术、新材料，对生产工艺技术提出了更严格的要求。金属-复合材料是火箭箭体和大型民用飞机、新型军用飞机必然用到一种材料结构。随着火箭运载能力提高、导弹武器巡航速度加快、飞机起飞重量和飞行速度提高，必须实现材料和结构的轻量化，复合材料所占的比重显著提高，必然导致金属-复合材料组合结构数量增加、金属-复合材料厚度变大，需要大量的铆接连接结构。为了满足对金属-复合材料的铆接，必然将使用大直径、大长度的铆钉；同时，为了提高铆接件的连接强度，铆钉材料也要选用强度更高的材料。高强度、大直径且长度远大于现有的铆钉长度的铆钉高质量地成形将直接影响到火箭箭体和飞机机身装配的最终质量，因此就需要一种针对新型材料的铆接方法。
现有的铆接设备和方法，如美国专利3961739公开的“一种应力波铆接方法和设备”、美国专利3559269公开的“强冲击手提式电磁铆接设备”、中国专利ZL00113765.4公开的“一种电磁铆接设备”，这些专利都是通过电容器和放电线圈将电能转换为机械能，实现铆钉变形。其技术特征是首先对电容器充电以存储能量，然后电容器对铆枪中的线圈放电，在放电的瞬间，铆枪中的初级和次级线圈产生强大的斥力，传递至铆钉，实现铆钉的变形和铆接。上述专利涉及到的设备均采用高压脉冲电容器，电容电压高达4.0kV-10.0kV，这些设备在铆接金属与复合材料的铆接中，由于放电频率高，所以铆接时对材料的加载速率大，铆接时镦头容易出现微裂纹。欧洲专利0293257公开的“低压电磁铆接设备”，这种设备通过多个电容器并联增大了设备总电容量，降低了加载速率，采用低压充放电。中国专利CN2865927公开的“一种低压电磁铆接设备”，采用单枪铆接代替双枪结构，其设备采用额定电压1kV-1.2kV的并联大容量脉冲电容器组，实现了500V以下的低压电磁铆接，但是它对金属与复合材料的铆接稳定性不够理想，并且无法完成大直径铆钉的铆接。
上述专利公开的铆接设备和方法，不能解决新一代运载火箭型号研制过程中、以及大飞机的研制和生产的下列问题：(1)不能满足金属与复合材料结构的铆接质量稳定性的要求；(2)难以完成高强度、大直径、大长度铆钉对金属-复合材料的铆接；(3)铆接过程中不能保证大长度铆钉的均匀干涉铆接成形；(4)铆接后难以保证金属与复合材料结构的长寿命要求。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述问题，提出一种金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法。
金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法，它由以下步骤完成：
步骤一、固定已钻有通孔的金属和已钻有通孔的复合材料组合结构，并使金属上的通孔和复合材料上的通孔保持在一条水平直线上；
步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的金属上的通孔和复合材料上的通孔；
步骤三、调整铆枪位置，使铆枪的铆头与步骤二中铆钉的镦头一侧接触，所述铆钉的钉头一侧与顶铁接触，使铆枪、铆钉和顶铁三者位于同一条水平直线上；
步骤四、低压电磁铆接系统与步骤三中的铆枪的线圈连接，形成放电电路，使用低压电磁铆接系统对铆枪给出加工信号，完成金属与复合材料的铆接。
低压电磁铆接系统的放电电路满足公式：
(R/2)2C＜L；
式中R为放电回路的电阻值；L为放电回路的电感值；C为放电回路的电容量。
有益效果：一、本发明可进行金属桁条、框架与复合材料组合结构的电磁铆接，复合材料包括玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等，金属可以为铝合金、镁合金、钛合金等，组合结构可为两层结构或两层以上的夹层结构；
二、本发明可以实现高强度、大直径、大长度的铆钉对新型材料的铆接，铆钉材料可为铝合金铆钉、钛合金和高温合金等难变形材料铆钉；最大高径比可达到5∶1；可铆铆钉直径范围：铝合金铆钉大于等于6mm、高温合金与钛合金等难变形材料铆钉大于等于3mm；铆钉钉头为沉头或半圆头形状；
三、本发明在铆接过程中能够保证高强度、大直径、大长度铆钉的均匀干涉，接头内的铆钉钉杆径向变形均匀，变形铆钉和被连接地复合材料与金属组合结构形成均匀干涉配合接头，铆接接头中复合材料不会产生分层和开裂破坏；
本发明在电磁铆接时，钉杆膨胀和镦头的成形几乎同步完成，铆钉变形均匀，因而在钉杆和钉孔间形成的干涉量比较均匀，当钉孔间隙较大或夹层厚度较大时仍能实现干涉配合，是实现复合材料干涉配合铆接的理想工艺方法。
四、本发明能够完成长寿命的铆接结构。对于传统的铆接工艺，如锤铆和压铆，当钉杆较长时，铆钉的镦头先成形，钉杆后发生径向胀形。但是，钉杆变形不均匀，靠近镦头的位置变形量大，而远离镦头的位置变形量小，容易出现失稳，沿夹层材料难以实现良好的配合，不能形成合格的零件。在这种情况下，若连接结构为金属-复合材料结构，则复合材料可能被钉杆因大的胀形量挤裂，也可能因小变形没能良好填充，导致铆接接头连接情况差，力学性能低，因此铆接后的结构寿命短。而在本发明提及的低压电磁铆接条件下，冲击载荷导致的高变形速率使铆钉的镦头和钉杆同时变形，铆钉变形量均匀，可有效防止复合材料的初始安装损伤，容易实现钉杆与金属-复合材料的干涉配合接头，显著提高铆接接头的抗拉、抗剪性能与疲劳寿命。因此，可实现铆接后结构的长寿命。
本发明采用的低压电磁铆接技术具有如下优点：(1)非常适于高屈强比、应变速率敏感、高强度、难变形材料铆钉的成形；(2)能实现理想的干涉配合接头，提高构件疲劳寿命，对于按照损伤容限准则设计的结构具有显著减重的潜力；(3)对于复合材料组合结构，电磁铆接方法是既可避免安装损伤，又能获得干涉配合接头的有效途径。(4)相对容易地提高铆接质量和改善劳动条件，还具有普通铆接的特点和优点。
【附图说明】
图1是本发明的低压电磁铆接设备的原理框图；图2至图4是本发明具体实施方式三的金属与复合材料的组合结构以及铆钉在此组合结构中的示意图；图5~图17均为具体实施方式九中实验对应图；其中图5是大高径比铆钉电磁铆接(EMR)试验中尺寸为φ6×18mm的2A10铝合金铆钉变形情况示意图；图6是大高径比铆钉EMR试验中尺寸为φ6×24mm的2A10铝合金铆钉变形情况示意图；图7是大高径比铆钉EMR试验中尺寸为φ6×32mm的2A10铝合金铆钉变形情况示意图；图8是电磁铆接工艺下铝合金板-复合材料的铆接试样示意图；图9是气动铆接工艺下铝合金板-复合材料的铆接试样示意图；图10是铝合金约束部分和复合材料约束部分的钉杆波动度的测量位置示意图；图11是铝合金约束部分和复合材料约束部分的钉杆波动度曲线示意图；图12是45号钢-复合材料使用TA1铆钉电磁铆接钉头变形示意图；图13是根据GJB715.19-90、在INSTRON万能电子拉伸试验机上进行试验的试样装夹示意图；图14是在气铆实验中采用5A06铝合金-复合材料试样示意图；图15是在电磁铆接实验中采用5A06铝合金复合材料试样示意图；图16是在拉脱试验中采用气铆方法的5A06铝合金-复合材料试样示意图；图17是在拉脱试验中采用电磁铆接方法的5A06铝合金-复合材料试样示意图。
【具体实施方式】
具体实施方式一：金属复合材料组合结构的低压电磁铆接方法，它由以下步骤完成：
步骤一、固定已钻有通孔的金属3和已钻有通孔的复合材料2组合结构，并使金属3上的通孔和复合材料2上的通孔保持在一条水平直线上；
步骤二、将铆钉1穿过步骤一所述的金属3上的通孔和复合材料2上的通孔；
步骤三、调整铆枪4位置，使铆枪4的铆头与步骤二中铆钉1的镦头一侧接触，所述铆钉1的钉头一侧与顶铁5接触，使铆枪4、铆钉1和顶铁5三者位于同一条水平直线上；
步骤四、低压电磁铆接系统6与步骤三中的铆枪4的线圈连接，形成放电电路，使用低压电磁铆接系统6对铆枪4给出加工信号，完成金属1与复合材料2的铆接。
低压电磁铆接系统6的放电电路满足公式：
(R/2)2C＜L；
式中R为放电回路的电阻值；L为放电回路的电感值；C为放电回路的电容量。
本实施方式的铆枪4在放电过程中，只有当放电电流波形为衰减振荡波时，电流峰值和变化率大，利于铆钉材料成形，铆接效率高，这要求放电参数满足(R/2)2C＜L，而未降低放电电压。低压电磁铆接设备的电容量大，一般为几千-几万微法。因此，需要优化放电回路的电阻和电感，以满足上述关系。一般，放电回路中电容器的电容量是固定的。放电回路的电感主要取决于线圈参数，包括线圈匝数、匝间距、线圈直径、匝线截面尺寸和材料电阻率等，其中线圈匝数和半径是主要影响因素。放电回路的电阻主要取决于设备与铆枪之间连接导线电阻和线圈电阻，其中连线电阻与连线的截面积、长度与材料电阻率有关，而线圈电阻与线圈匝线电阻率，匝线截面尺寸、线圈匝数与直径有关。因此，放电回路的电阻和电感参数主要取决于连接导线长度、线圈匝线材料与结构、所用材料的电阻率等。
本实施方式的最高放电电压为380V、电容量88000uF，线圈匝线为电工用矩形截面紫铜带或导线，截面积为20-30mm2，匝数20-30匝，线圈直径80-140mm；连接导线为电工用紫铜芯电缆线，长度2-6m，截面积50-95mm2。
具体实施方式二：结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的金属复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，低压电磁铆接系统6还包括主控制系统6-1、充电回路6-2和电容器组6-3，充电回路6-2的电流信号输出端与电容器组6-3的电流信号输入端连接，电容器组6-3的电流信号输出端与铆枪4的线圈绕组连接，主控制系统6-1的控制信号输入/输出端与充电回路6-2的输出/输入端连接，电容器组6-3的电流信号输出端与主控制系统6-1的电流信号输入端连接，主控制系统6-1的控制信号输出端与铆枪4的控制信号输入端连接。
本发明的铆钉1钉头(沉头)一侧的金属或复合材料上预先加工出锪窝，使变形后的铆钉1(沉头)钉头完全处于锪窝内。
具体实施方式三：结合图2、图3和图4说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，金属3与复合材料2的组合结构为两层或多层。
具体实施方式四：本具体实施方式与具体实施方式三所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，金属3为铝合金、镁合金或钛合金，复合材料2为玻璃纤维复合材料或碳纤维复合材料。
具体实施方式五：本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，铆钉1的材料为铝合金、钛合金或高温合金；铆钉1钉头形状为沉头或半圆头。
具体实施方式六：本具体实施方式与具体实施方式五所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，铝合金材料的铆钉1直径为6mm～10mm，高温合金或钛合金材料的铆钉1的直径为3mm～6mm。
具体实施方式七：本具体实施方式与具体实施方式一、二、四或六所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，铆钉1长度为铆钉1直径的1～5倍。
具体实施方式八：本具体实施方式与具体实施方式七所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法的区别在于，低压电磁铆接系统6的放电电压为100V~380V。
具体实施方式九：本具体实施方式与具体实施方式一、二、四、五、六或八所述的金属-复合材料组合结构的低压电磁铆接方法，其特征在于，主控制系统6-1采用1761-L20BWA-5A型PLC控制器。
以下通过具体试验验证本发明的效果：
实验中使用6mm直径高强度铝合金铆钉连接金属-复合材料复合结构，电磁铆接只需一次冲击载荷，而在气动铆接试验中，一般对铆钉的冲击加载次数在4-8次；本实验应用的铆枪后坐力小，测得的后坐力冲量一般为4N·S，显著低于军标9.84N·S，而气动铆接铆枪的后座力大，操作者的体力消耗大；本方法涉及的电磁铆枪加工噪音介于85-90db，而气动铆枪加工时，峰值噪音可达120dB，多枪连续工作的噪音更高，严重影响操作者的身心健康。
1、大高径比铆钉EMR试验：
实验中，使用铆钉材料为2A10铝合金，尺寸分别为φ6×18mm、φ6×24mm、φ6×32mm，最大高径比达到5.3；放电电容值为88000μF，放电电压380V。
使用本方法进行铆接后，不同高径比铆钉变形情况如图5～7所示。见图5～图7，其中图5为尺寸为φ6×18mm的2A10铝合金铆钉变形情况、图6为尺寸为φ6×24mm的2A10铝合金铆钉变形情况、图7为尺寸为φ6×32mm的2A10铝合金铆钉变形情况，可见不同高径比铆钉的径向变形趋势一致，铆钉钉杆变形均匀。这是由于铆钉钉杆变形时材料在所有方向上都同步流动，所以铆钉钉杆变形均匀，未出现失稳。
对于厚夹层材料的铆接，电磁铆接对夹层材料厚度不敏感，适合于厚夹层材料的铆接，是实现干涉配合的有效方式，而普通铆接方法很难实现沿夹层材料厚度方向钉杆的均匀变形，难以形成比较均匀的干涉配合，这是电磁铆接区别于传统铆接的重要特点。如此可见，电磁铆接是解决厚夹层材料铆接的有效途径。
选取两种铆接工艺下铝合金板-复合材料的铆接试样(见图8和图9，其中图8为电磁铆接腐蚀试样，图9为气动铆接腐蚀试样)，铝合金约束部分和复合材料约束部分的钉杆波动度如图10和图11所示，其中图10表示钉杆测量位置，图11为钉杆测量位置对应的钉杆波动度曲线，曲线11-1为电磁铆接的钉杆波动度曲线，曲线11-2为气动铆接的钉杆波动度曲线，曲线11-3为数据基线；由此可见，电磁铆接的钉杆波动度均较气动铆接的钉杆波动要小，即均匀性好。电磁铆接下铝合金板材和复合材料的总厚度为8.30mm，而气动铆接下二者厚度为6.53mm。这说明电磁铆接并未因钉杆长度和连接件厚度的增加而影响到钉杆变形的均匀性，反而更体现出其在钉杆均匀性变形方面更具优势。
由于钛合金与复合材料相容性好，钛合金和复合材料的使用导致了大量钛合金铆钉的采用。钛合金材料屈强比高，对应变速率敏感，普通冷铆很难达到铆接质量要求。热铆成形时铆钉钉杆填充钉孔质量差，易使复合材料产生安装损伤、分层等，疲劳性能不能满足设计要求，从而限制了热铆方法的采用，而电磁铆接是解决这一问题的有效途径。铆钉材料为TA1，尺寸为φ3×13mm，88000μF，放电电压240V，钉杆变形均匀，复合材料未发生破坏。复合材料-金属板组合结构的TA1铆钉的电磁铆接接头见图12，图12为45号钢-复合材料使用TA1铆钉电磁铆接接头。
2、剪切试验
根据GJB715.19-90进行铆接接头剪切试验，在INSTRON万能电子拉伸试验机上进行。试验试样装夹如图13所示。5A06铝合金-复合材料气铆实验数据见表1，试样见图14。电磁铆接实验数据见表2，试样见图15。通过对比可见，气铆试样最大剪切载荷的平均值为3.4968kN，而电磁铆接试样最大剪切载荷的平均值为3.5554kN。
表1：
编号 1 2 3 4 5 6 位移mm 0.267 0.273 0.455 0.551 1.021 0.466 最大载荷kN 3.639 3.716 3.389 3.23 3.614 3.393
表2：
编号 1 2 3 4 5 位移mm 1.645 1.138 0.66 0.912 1.337 最大载荷kN 3.515 3.402 3.582 3.464 3.814
3、拉脱试验
拉脱试验数据：5A06铝合金-复合材料气铆实验数据见表3，试样见图16。电磁铆接实验数据见表4，试样见图17。气铆试样最大拉脱载荷平均值为15.5915kN，而电磁铆接试样的最大拉脱载荷平均值为15.825kN。
表3：
编号 1 2 3 5 位移mm 14.681 11.51 11.628 11.565 最大载荷kN 15.428 15.608 15.699 15.631
表4：
编号 1 2 3 4 位移mm 8.368 9.781 10.452 10.221 最大载荷kN 16.002 15.541 15.98 15.777
4、疲劳寿命试验：
对于直径6mm的高强度铝合金铆钉而言，气动铆接条件下，完成铆接接头要对铆钉镦头一侧连续施加4-8次冲击载荷才能获得满足技术要求的镦头。试验研究发现，上述条件常常容易导致铆接连接接头复合材料一侧出现分层和开裂等形式的破坏，必然降低接头的疲劳寿命。
而对于电磁铆接而言，对于直径6毫米的高强度2A16铝合金铆钉，在放电电压380V、电容量88000μF、铆枪线圈直径118mm、匝线截面1*30mm、28匝的条件下，一次铆接就获得满足技术要求的铆接接头(镦头高度3.2±0.3mm，直径8.7±0.3mm)。铆钉杆与接头上金属板形成均匀的干涉连接，与复合材料板形成紧密的连接，并且复合材料未出现沿厚度方向的分层和表面的开裂现象。
上述现象和试验结果可以充分证明，同等材料和结构条件下，金属-复合材料组合结构的电磁铆接接头的疲劳和服役寿命优于常规的气动铆接接头。