钛合金铆钉热铆技术研究
2020-12-14黄宁赵建国于思阳
黄宁 赵建国 于思阳
摘 要：本文根据电阻加热原理，提高铆钉塑性后进行铆接，对铆接过程的各项参数进行分类研究和试验验证，形成了针对钛合金铆钉热铆的一种工艺方法，提升了铆接速率，提高了铆接质量，同时也为其它铆接工艺提供了一种可靠的验证方法。
关键词：飞机装配;钛合金;热铆;热铆机
钛合金铆钉强度高、塑性差，墩头成形困难，并且随着锤击次数增加，铆钉冷作硬化，墩头容易产生裂纹，导致铆接效率低，铆接质量难以得到保证。热铆技术是指在冷铆技术的基础上，通过外部设备给铆钉加热，使其瞬间达到塑性变形温度，从而实施铆接。该技术的特点是：铆钉变形均匀，与铆钉孔配合紧密，有利于提高铆接质量和铆接部位的密封性[1]。
1情况分析
1.1材料特性
TB2材料的铆钉是目前飞机上常用的钛合金铆钉。其用于结构连接的优势是一方面是抗高温，另一方面是有非常高的剪切强度，与同径的30CrMnSi螺栓相当，同直径条件下，钛合金铆钉剪切性能是纯钛的4.6倍，铝合金的2.6倍，不锈钢的1.5倍，因此特别适用于飞机高温区的铆接和机体重量控制。
1.2铆接性能
分别对TB2钛合金铆钉进行三种铆接方式的试验，发现冷铆接，无法形成墩头，原因是常规铆枪功率不够;电磁铆接会造成铆钉碎裂，原因是材料应力敏感;热铆接的墩头尺寸合格，但墩头氧化严重、有灼伤，分析原因是铆钉过热和电弧造成的。
通过上述试验，证明了热铆接方式更适合钛合金铆钉的铆接，但也存在墩头氧化严重和表面灼伤的问题，具体原因分析如下：
1）钛是一种化学性质极其活泼的元素.易与空气中的氧发生反应生成致密且牢固地附着在金属表面的氧化膜。钛合金零件的氧化层必须通过酸洗去除，而装配后的铆钉不具备酸洗的环境，因此控制钛合金氧化，必须控制铆钉的加热时间。
2）电弧是开关电路断开电流时，电路的接触处产生的高温高导电率的游离气体。电弧的中心温度可达到10000℃以上，对钉体和机体会产生严重的灼伤。在热铆过程中消除电弧，即要求当铆枪或顶铁与钉体分离前，必须断开热铆设备的电源。
2热铆方法
2.1热铆技术原理
钛合金铆钉的热铆原理是：将热铆机的两个输出电极分别连接在零件（或铆枪冲头）和顶铁上，当顶铁和冲头与铆钉接触时，通过钛合金铆钉的电流使铆钉产生电阻热。
根据焦耳一楞次定律，铆钉产生的电阻热量Q为：
Q=I2Rt（1）
式中，I-电流：R-铆钉的电阻;t-加热时间。由式（1）可看出，当选定了铆钉，即电阻R确定了之后，影响铆钉加热的物理量主要为热铆机的输出电流I和加热时间t。根据传热学的基本定律，当钛合金铆钉被加热到塑区温度时，所需要的热量Q1为：
Q1=mc（T2-T1）（2）
式（2）中，m-铆钉的质量;c-铆钉材料的比热容;T1-铆钉的初始温度;T2铆钉达到700℃～900℃热塑性区时的温度。若忽略加热中的热辐射和热传导效应的影响，假设式（1）中所产生的电阻热Q全部转化为铆钉的升温吸热，则有Q1=Q，对于TB2钛合金铆钉而言。其电阻R为：
R=ρL/S（3）
式（3）中，ρ-铆钉的电阻率;L-铆钉的长度;S-铆钉的截面积。由上述三式可以得出电流I和加热时间t的对应关系为：
I2t=mc（T2-T1）S/ρL（4）
按照式（4）进行理论计算，得到的TB2钛合金铆钉的电阻加热特性曲线，电流值与加热时间成反比。
2.2热铆机加热试验
热铆机是实施钛合金铆钉热铆的关键设备。在热铆工艺中，钛合金铆钉的加热温度至关重要，如果加热温度过低，达不到热塑性温度，铆钉难以产生塑性变形;如果加热温度过高，容易造成铆钉熔融，甚至材料组织变性，使铆钉失效。本次试验采用功率10KVA，电压3V的热铆机，铆钉钉杆加热到750℃所需时间约为4S，按照该参数对验证铆钉的各项性能指标进行进一步验证。
3铆接特殊要求
3.1钉长的选择
钛合金铆钉的钉长计算公式如下：
L=δ+0.7～1.0d（5）
其中L—铆钉钉长;δ—夹层厚度;L0—钉杆伸出量;d—铆钉直径。
普通铆钉的钉长计算公式如下：
L'=δ+1.2d（6）
其中L'—铆钉钉长。
从式（5）和式（6）可以计算出L'-Lmin=0.5d，以4mm的铆钉为例，相同夹层情况下钛合金的钉长比普通铆钉短2mm。
3.3墩头成型尺寸
钛合金铆钉的墩头的直径范围：Dmin=1.4d，高度hmin=0.3d，普通铆钉为0.4d。按照铆接前后体积不变原则，计算Dmax值如下：
V1=π（d/2）2L0（7）
V2=π（D/2）2h（8）
式中V1—铆接前钉杆伸出体积;π—圆周率;d—铆钉直径;L0—铆钉伸出量;V2—鉚接后墩头体积;D—墩头直径;h—墩头高度。
假设V1=V2，取L0=d，h=0.3d，带入公式（11）和（12）结果为Dmax≈1.7d。
4试验验证方法
4.1试验方法
试验组要分为五部分，分别为验证铆接成形质量的铆接性试验;验证破坏剪力的剪切性试验;验证拉脱力的拉伸试验;检验墩头组织变化的气体含量检测和金相分析。
4.2铆接性试验
选用冲击功3.9J/次，25Hz的铆枪，顶铁质量3kg，加热4s后断电施铆。
试验结果显示通过上述参数4mm铆钉能够达到墩头直径不小于5.6mm，墩头高度大于1.2mm的要求。墩头无裂纹，无灼伤，未出现严重的氧化层。
4.3剪切试验
剪切试验采用JJG139标准的万能试验机，单钉剪切试片。
通过试验，多组试件中剪切力最小值大于国军标理论值，剪切性能满足设计指标。
4.4拉伸试验
拉伸试验采用JJG139标准的万能试验机及其相应的拉伸试片。
通过试验，多组试件中拉脱力最小值满足设计指标。
4.5气体含量检测
对铆钉墩头纵断面氢氧含量检测结果如下，H（氢）和O（氧）最大含量满足GB/T3620.1中对杂质含量的要求。
4.6金相分析
试样经金相检查结论为：墩头可见外扩流线;杆部组织为等轴β晶粒，晶粒相对细小;墩头部位有变形，可见拉长晶粒，钉体内部无损伤和裂痕，铆接质量合格。
5结束语
通过本文对钛合金铆钉热铆接原理和工艺过程的研究，完善了传统方式的不足之处，减少了墩头区产生的氧化层，避免了铆接过程中的电弧灼伤，结合理论计算给出了铆接质量的验收标准。通过本文的研究，也为其它铆接工艺提供了一种有效的验证方法。
参考文献：
[1]曹增强. 铆接技术发展状况[J].航空工程与维修，2004，4.
[2]The Editiorial Committee of This Handbook.Processing Hangbook for Rare Metal Material[M].Beijing Metallurgical Industry Press，1984.
