浅论电磁铆接技术在飞机上的应用

摘 要：本文介绍了电磁铆接技术的发展和特点，详细说明了电磁铆接技术和装置原理及电磁铆接技术的应用情况。

关键词：电磁铆接；应力波；电磁调制器

中图分类号：V26 文献标识码：A

一、电磁铆接技术的应用

随着航天科学的高速发展，对材料的要求也越来越高。为了满足某些特殊要求，用高强度、耐高温、耐腐蚀的钛合金来代替铝合金。同时对钛合金的铆接工艺和铆钉材料也提出了相应要求。为了有效地将钛铆钉进行铆接，经过多次试验，研制成功了电磁铆接设备，在国内第一次成功地铆接了φ4mm、φ6mm的钛铆钉，铆钉镦头直径、干涉量、外观均符合标准。

二、电磁铆接技术和装置的原理

电磁铆接技术涉及高压脉冲技术、电磁学、电动力学、塑性动力学、材料学、制造工艺学等多个学科，是一项难度较高的综合性研究课题。电磁铆接铆钉的过程，可以视为弹塑性加载波在弹塑性线性硬化的有限长杆中传播和由固定端反射干涉而使铆钉塑性变形。装置原理图如图1，其主要组成部分有高压脉冲电源，电磁发生器，以及机床和测试系统等。

工作原理：220V交流电经变压器F升压，由硅堆D整流后对脉冲电容器组充电，储存电能，高压开关K导通后，电容器C放电，在电磁发生器中的放电线圈C1中产生强大的脉冲电流，同时在其周围形成强脉冲磁场。次级线圈C2中由于电磁感应而产生电涡流，此涡流磁场与原脉冲磁场反向。由于电动力作用，电磁调制器S的输入端输入一个弹性应力波。此电波在S中传播并调制、放大，从S输出端透射到铆钉中，应力波在铆钉中以弹塑性波形形式传播并在S小端的铆模和支座T之间来回反射，使铆钉产生塑性变形胀粗同时形成墩头。

充电后电容器中储存的电场能为：We=C·u02/2

放电时，电场能转换为磁场能为：Wm=LI2/2

放电电流

上列式中u0为充电电压，C、L、R分别为放电回路中总的电容、电感、电阻，a为二线圈间距离。u0为真空磁导率。

由上述分析可知，放电电流为正弦衰减振荡波，入射应力波波形类似于全波衰减整流波形，且只有压缩波而无拉伸波。入射应力波强度与放电电流强度平方成正比，如图2所示，而最大放电电流幅值取决于压u0、电容量C和电感量L。u0、C增加，Im增加；L增大，Im减小。由回路频率ω可以推知，脉冲宽度只取决于L和C。L、C越大，脉冲宽度也越大。当t=0时，有电流变化率最大值 ■=■，并且放电电流上升最大陡度与充电电压成正比，与电感成反比。

欲使铆钉成形，应力波必须有足够的幅值，适当的作功时间以及较大的上升陡度，也就要求放电电流应有一定的幅值、脉冲宽度和上升陡度。根据上述分析，在保证工作性能并考虑到成本、安全性、重量等多种因素的条件下，对电磁铆接装置着重研制的主要元部件有电源、放电线圈和电磁调制器。

三、电磁铆接的特征

电磁铆接试验包括工艺参数试验，铆接的板件有TC3，LY12CZ，30CrMnSi和碳环氧复合材料，夹层最大厚度达14mm，铆钉有TB2-1，LY10，30CrMnSi，最大直径为6mm。

试验中对铆接过程进行了测量分析，主要为放电电流测量。放电电流测量采用了罗果夫斯基线圈，其原理如图3，当放电电流I（t）流经传输线时，测量线圈中产生感应电动势，并在信号电阻R上有电压降u，则测量回路的电流I=u/R，由其最大值Im可得放电电流最大幅值：

利用瞬态存储示波器记录的测量线圈信号电阻电压降波形如图4。从测量线圈信号电阻电压降波形图可以看出电磁铆接的铆接速率很高，成形快。电流衰减到0时仅耗时2ms，而铆接工作主要由第一个半波完成，耗时仅200μs，与之比较，风动铆枪打击速度最高为2600次/分钟，即每次打击耗时约23ms，考虑活塞的往返运动，取每次打击为10ms，为电磁铆接铆钉成形所需时间的50倍。

结语

为了使电磁铆接设备符合科研生产的需要，科研人员经过多年的努力，对设计方案、电源设备、控制电路、驱动线圈、铆枪、顶铁进行了大量的摸索实践，在安全性能方面做了高压脉冲电击等多项试验，并在调试、铆接工艺试验、科研生产试用中逐步熟悉、掌握了电磁铆接设备的性能和操作使用规律。电磁铆接加载速率高，干涉量均匀，抑制孔壁裂扩展，提高结构的疲劳寿命。适合于难于成形的高强度、大直径铆钉的铆接。为解决日益广泛采用的高强度金属材料的铆接，在工艺上摸索出了新的铆接方法。

参考文献

[1]周茂祥.低压电器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]高低压电器设计手册编写小组.高低压电器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1971.