電磁鉚接技術國內外研究進展

黃運凱，張旭，李杰，崔俊佳

（1.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙 410114；2.北京理工大學 深圳汽車研究院，廣東深圳 518118；3.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點試驗室，長沙 410082）

電磁鉚接技術是基于傳統(tǒng)鉚接和電磁成形工藝發(fā)展起來的一種裝配工藝，裝配工藝原理如圖1 所示。電磁成形設備通過對電容器組充電儲能，能量充到預定值后閉合放電開關，通過置于鉚接工裝中的平板線圈進行釋能放電。放電瞬間，儲能電容、放電線圈以及系統(tǒng)內阻構成的振蕩電路產生交變電流，使線圈周圍產生交變磁場。在交變磁場作用下，與線圈貼合的銅質驅動片表層會感生出交變渦流，進而產生感生渦流磁場。線圈磁場與渦流磁場產生相反的斥力推動沖頭壓縮鉚釘形成釘頭，鎖緊被連接板材。

圖1 電磁鉚接原理Fig.1 The principle diagram of electromagnetic riveting

與常規(guī)鉚接工藝[1—2]相比，電磁鉚接過程加載速度快、沖擊力大，有利于高強度難變形材質鉚釘成形；應力波傳遞干涉配合充分、均勻，可減少板材孔壁沖擊損失；鉚接過程中參數便于控制而且鉚接工藝精確穩(wěn)定。

1 電磁鉚接裝備研究

在國外，俄羅斯和美國最早開始研究電磁鉚接技術，主要偏向于技術應用方面，基礎研究方面報道較少。20 世紀70 年代，俄羅斯伏爾加航空工藝研究院研發(fā)了世界上第1 臺電磁鉚接設備，已應用于伊爾-86和TY-154（見圖2a）等型號飛機部分構件鉚接裝配之中。隨后該單位在20 世紀80 年代研發(fā)了配備有加熱裝置的手提式電磁鉚槍，投產應用于發(fā)動機燃燒室殼體（見圖2b）Cr-Ni 鋼鉚釘鉚接裝配過程中[3]。美國關于電磁鉚接技術研究大致可分為高電壓電磁鉚接、低電壓電磁鉚接以及自動化電磁鉚接3 個階段[4]。高電壓（5 kV 以上）電磁鉚接階段，最具代表性的成果是杜魯門宇航公司20 世紀70 年代左右開始研究的電磁鉚接技術，該技術成功攻克了鈦合金結構干涉配合鉚接難題，實現無損傷鉚接并且顯著提高了鉚接結構的疲勞壽命，而洛克希德公司采用杜魯門公司的電磁鉚接設備在復合材料鉚接裝配中也取得了很好的效果。低電壓（0.5 kV 以上）電磁鉚接階段，最具代表性的成果是Eletroimpact（EI）公司研發(fā)的E4000系列設備，目前已應用于空客A340-600 機型的生產制造。此外，該公司還開發(fā)了多款低電壓手持式電磁鉚槍，并面向全世界銷售。自動化電磁鉚接階段，近些年，美國Electroimpact 公司開發(fā)了大型自動化電磁鉚接裝備[5—7]，并成功應用于波音[8]（見圖2c）和空客[9]（見圖2d）相關產品的裝配之中。綜上所述，國外電磁鉚接設備推展及應用做得最好的應屬美國Eletroimpact（EI）公司，持續(xù)研發(fā)和改進技術使電磁鉚接設備的穩(wěn)定性和技術成熟度顯著提高，其電磁鉚槍及鉚接能力見表1。

表1 Electroimpact 公司電磁鉚槍及鉚接能力Tab.1 Electromagnetic riveters and riveting capacity of Electroimpact company

圖2 電磁鉚接的應用Fig.2 Application of Electromagnetic riveting

在國內，西北工業(yè)大學針對航空領域率先開展研發(fā)工作，近些年在電磁鉚接設備及鉚槍結構設計方面取得了很大進步，并開發(fā)了多款電磁鉚接設備及電磁鉚槍（見圖3）[10—13]。此外，20 世紀90 年代北京航空制造工程研究所引進俄羅斯電磁鉚接設備用于機翼油箱鉚接裝配，并在此基礎上研發(fā)了采用自動化脈沖變壓器的電磁鉚接設備[14]。哈爾濱工業(yè)大學針對航天制造領域需求，“十一五”和“十二五”期間研發(fā)了電磁鉚接設備和鉚槍樣機[15—16]。近些年福州大學在電磁鉚接設備研制方面也做了大量工作，并開發(fā)了基于PLC 控制的鉚接設備及電磁鉚槍（見圖4）[17—18]。其他單位多數以基礎研究為主，主要采用電磁鉚接過程中數值仿真和工藝試驗相結合的研究方式，探究最佳工藝參數和接頭力學性能。

圖3 小型電磁鉚槍Fig.3 Small electromagnetic riveter

圖4 電磁鉚接設備及手持式電磁鉚槍Fig.4 Electromagnetic riveting equipment and handheld electromagnetic riveter

2 電磁鉚接數值仿真

電磁鉚接過程屬于高速沖擊鉚釘釘頭成形，釘頭內部的變形程度、應力和其他影響鉚接質量的微觀因素以及干涉配合過程等很難通過試驗測試得到，因此需要借助數值方法來進行分析。電磁鉚接過程涉及電磁場、力場以及溫度場之間的耦合作用，因此要想得到精確的仿真結果尤為復雜。國內外多數采用ANSYS/LS-DYNA 軟件從放電參數、鉚模幾何尺寸以及鉚釘變形、溫度場分布3 方面對電磁鉚接過程進行仿真。

針對電磁鉚接過程放電參數，福州大學鄧將華等[19—20]進行了系統(tǒng)研究，研究了工藝參數、結構參數、材料參數等對放電電流的幅值和周期的影響規(guī)律，對鉚接過程放電參數的優(yōu)化具有重要意義。

鉚模幾何尺寸不僅決定了釘頭成形后的幾何尺寸，同時影響了鉚接過程中釘頭的塑性流動和應力-應變狀態(tài)，是釘頭成形的重要影響因素，許多學者采用有限元方法對其進行了研究。Reinhall 等[21]對鉚釘產生剪切破壞的原因進行了探討，認為鉚模的幾何尺寸決定了釘頭應力-應變狀態(tài)分布，對其成形質量有很大影響。西北工業(yè)大學李奕寰等[22]研究表明鉚模傾角對干涉量有較大影響，傾角越小，干涉量越大。采用66°鉚模傾角可以實現較理想的干涉配合，接頭疲勞壽命最長。南京航空航天大學馮曉 旻[23]探究了鉚模傾角對鉚接件殘余應力的影響，發(fā)現釘孔周圍殘余應力隨著鉚模角度的減小而減小。Cui 等[24]研究發(fā)現鉚模幾何尺寸決定了釘頭成形后微觀組織分布，進而決定了釘頭的成形性能。

電磁鉚接時鉚釘在高速沖擊下成形，高速塑性變形產生的熱量來不及散失，因此該過程近似絕熱狀態(tài)。由于高速成形時絕熱溫升很難通過實驗捕捉測量，Repetto 等[25]通過考慮熱效應作用的數值模擬，發(fā)現2224 鋁合金鉚釘局部最大溫度高達600 ℃，局部劇烈溫升軟化效應不容忽視，而劇烈的溫升軟化促進了鉚釘產生塑性變形形成鐓頭。張岐良等[26]針對TB2 鈦合金鉚釘熱力耦合模擬，發(fā)現局部最大溫度高達507.8 ℃，而且發(fā)現鐓頭高溫帶與剪切帶位置相同，說明了溫度變化直接導致了應變集中帶形成，該溫升也說明鈦合金鉚釘電磁鉚接具備絕熱剪切帶形成條件。

耦合方式主要采用松散耦合與順序耦合相結合方式為主，而近些年隨著DYNA971-R7 版本推出電磁模塊，全耦合方式在電磁鉚接仿真過程中也得到了應用。

1）松散-順序耦合仿真。松散-順序耦合仿真過程如圖5 所示，電磁場分析獨立計算，計算后得出的電磁力結果作為變形場分析加載條件[27—29]。變形場與溫度場直接采用順序耦合方式進行計算。該方法計算簡單、效率較高，但是電磁分析時沒有考慮鉚釘變形過程對電磁場的影響。驅動片隨著沖頭運動遠離線圈，與之間隙增大會影響電磁感應效應，對于大變形鉚釘鉚接過程影響尤為明顯，但對于小變形鉚釘鉚接過程仿真比較適用。

圖5 松散-順序耦合流程Fig.5 Loose-sequential coupling process

為了解決大變形鉚釘鉚接松散-順序耦合仿真過程中的失真問題，亦可采用近似順序耦合方式解決電磁場與變形場之間的實時響應?？蓪㈦姶艌龇治鲋械碾娏麟x散化處理（如圖6 所示），進行分布加載[30]。第1 步加載后，將電磁場分析的結果作為熱力耦合場的加載條件，熱力耦合分析后，采用后處理計算驅動板運動位移（驅動片與線圈之間間隙增量），更新第2 步電磁場分析幾何模型，重新劃分網格后再計算磁壓力，作為下一步熱力耦合場加載條件，而第2 步熱力耦合場計算時利用LS-DYNA 軟件的重啟動功能，繼承第1 步計算結果進行二次加載計算。以此類推進行循環(huán)計算，直至計算結束。

圖6 改進的松散-順序耦合流程Fig.6 Improved loose-sequential coupling process

2）全耦合仿真。LS-DYNA 中新增的電磁求解器將有限元方法與邊界元方法相結合[31—34]，在電磁場分析時，導體采用有限元方法進行處理，而對導體周邊的空氣及絕緣體采用邊界元方法進行處理，因此，可以略去ANSYS 電磁場分析時的空氣建模以及網格劃分。模型中放電線圈中定義了一個電阻、電感、電容電路，可在驅動片中產生感應電流，反過來產生洛倫茲力，推動驅動片移動。此外，電磁、熱和機械求解器之間的軟件可自動耦合。但是，結合邊界元算法后，相對于松散-順序耦合仿真計算速度較慢。

3 電磁鉚接工藝試驗

國外關于電磁鉚接設備的研究主要集中在設備開發(fā)，而關于工藝研究報道極少，主要是20 世紀的一些報道。Brown 等[35]為解決波音B787 上復合材料結構件的連接問題，采用低電壓電磁鉚接機進行高鎖螺栓安裝時發(fā)現，低電壓鉚接技術適用于復合材料的干涉配合安裝，預緊和最終拉應力能夠很容易獲得而不會損傷復合材料。Choo 等[36]采用7050-T73 鋁合金鉚釘電磁鉚接時，發(fā)現高速沖擊變形時變形溫升局部化，使鉚釘剪切變形區(qū)發(fā)生彌散強化現象（見圖7），以致于彌散強化區(qū)硬度升高而塑性變差開裂。Zieve[37]研究發(fā)現，7050-T73 鋁合金對應變速率比較敏感，通過低電壓電磁鉚接降低加載速率，解決了彌散強化開裂問題。

圖7 鉚釘變形區(qū)硬度分布和彌散強化效應Fig.7 Hardness distribution and dispersion strengthening effect in rivet tail

國內眾多學者[38—43]對電磁鉚接工藝進行試驗研究，與常規(guī)鉚接工藝的微觀組織以及接頭力學性能進行對比分析，通過對鉚釘變形、加載速率以及鉚釘尺寸等工藝參數進行鉚接接頭制備，分析其力學性能，結果表明電磁鉚釘在干涉配合均勻性、以及力學性能方面均明顯優(yōu)于常規(guī)鉚釘工藝。在工程應用方面，章茂云等[44]針對火箭客體裝配所需的Φ8 mm-2A10 鋁合金鉚釘鉚接工藝進行試驗研究，發(fā)現采用電磁鉚接的鉚接接頭抗剪切和拉脫接頭強度均優(yōu)于常用的氣動鉚接技術。曹增強等[45]采用Φ8 mm 鋁合金鉚釘，研究某型號飛機鉚接部段電磁鉚接裝配，研究表明[46—48]采用電磁鉚接工藝的部段疲勞強度優(yōu)于其他鉚接的部段。電磁鉚接過程中鉚釘屬于高應變率下沖擊變形，變形過程通常在數毫秒內結束，因此，整個變形可近似看作絕熱過程。通過對變形微觀組織分析發(fā)現，鉚釘釘頭變形主要集中于狹窄的絕熱剪切，該剪切帶為變形協調機制，并不是剪切裂紋。絕熱剪切機制有利于高強度難變形鉚釘完成室溫下大塑性變形形成釘頭。

4 結語

通過對電磁鉚接在設備、數值模擬以及工藝試驗方面進行總結與分析，可以看出國內外關于該技術研究取得了許多顯著成果，國外關于電磁鉚接研究早已成熟，而國內研究主要以數值仿真與工藝試驗相結合的方式，探究最佳工藝參數。研究主要針對航空航天領域技術需求，應用領域相對較窄也限制了該技術的廣泛應用，要想使該技術在工程方面廣泛應用還有很長路要走，尤其在技術標準以及擴展工藝方面還有待探究。