中國電子科技集團公司第三十八研究所 王呈順

在碳纖維復(fù)合材料中的電磁鉚接技術(shù)淺析

中國電子科技集團公司第三十八研究所 王呈順

研究了高模量碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的電磁鉚接工藝。通過試驗確定了鉚釘延伸和釘孔間隙等工藝參數(shù)。給出了鉚接復(fù)合結(jié)構(gòu)墊片的幾何尺寸，提出了合理的鐓頭尺寸。強度試驗和損傷試驗表明，電磁鉚接可以代替螺栓連接，成功地鉚接高模量碳纖維復(fù)合材料。

復(fù)合材料；電磁鉚接；高模量；強度

1. 電磁鉚接工藝研究

1.1 鐓頭尺寸設(shè)計

當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的鉚接，鐓頭直徑為1.4±0.10，與鐓頭高度為0.5～0.65d。高模量碳纖維復(fù)合材料的脆性增加，更容易發(fā)生擠壓破壞，所以鐓頭不宜過大。金屬結(jié)構(gòu)的鉚接和考慮層壓材料強度低、鐓頭尺寸可以初步設(shè)計為高度不小于0.4d和大約1.3的直徑。強度試驗表明，當(dāng)掘進直徑1.2d，可以充分滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。因此，建議對鐓頭的直徑應(yīng)該是1.2和1.3d之間。

1.2 墊圈幾何構(gòu)形設(shè)計

觀察了鐓頭的形成和墊圈的變形。墊片的厚度為0.6mm，0.8mm和1.0mm。實驗結(jié)果表明，無墊圈或0.6mm墊圈，全進入復(fù)合材料，造成復(fù)合材料的嚴重損傷；采用0.8mm厚的鈦合金和不銹鋼墊圈，直徑3.0mm鉚釘沒有發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的損害，3.5mm和4.0mm鉚釘?shù)闹睆讲糠置黠@膨脹和擠壓墊片復(fù)合材料；厚1.0mm鈦合金墊片，無墊圈進入復(fù)合材料，采用1.0mm厚的不銹鋼墊圈，不銹鋼鉚釘鉚接的復(fù)合材料將出現(xiàn)一定程度的損傷。主要是因為不銹鋼強度較低，墊圈不能充分限制鉚釘?shù)呐蛎洝Ｒ虼吮M量使用強度較高的鈦合金墊片。

1.3 釘孔間隙選擇

釘孔間隙的選擇必須保證釘棒在鉚接過程中的膨脹不會對復(fù)合材料造成損傷。當(dāng)接頭干擾量為2時，接頭的擠壓強度可提高8～10，碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的最佳干擾量約為2。X射線檢查表明，這種干擾不會對孔壁造成重大損害，因此在選擇釘子間隙時不需要超過2的干擾。復(fù)合材料的抗折性能較差。為了防止安裝損壞，釘子和孔之間的間隙必須大于釘子之間的間隙。為3.0mm，3.5mm，4.0mm3鉚釘、選中螺栓孔間隙0.2mm，0.3mm，0.4mm鉚接。結(jié)果表明，當(dāng)釘孔間隙為0.2mm，發(fā)現(xiàn)在重大損害復(fù)合板中有一部分是螺桿膨脹釘孔隙口損壞；當(dāng)釘孔間隙為0.3mm時，個別接頭的干涉量大于2%；當(dāng)釘孔間隙為0.4mm時接頭的干涉量一般不會大于2%，鉚接質(zhì)量好。當(dāng)螺栓與孔之間的間隙進一步增大時，鉚釘容易歪斜，影響鉚接質(zhì)量。因此，建議螺栓之間差距從0.3至0.4mm，和較小直徑的鉚釘應(yīng)考慮。直徑較小的鉚釘，釘孔間隙可取下限，直徑較大的鉚釘，釘孔間隙可取上限。

圖1 射線探傷原理圖

2. 射線檢測

檢測方法是通過使用輻射穿過物體發(fā)生輻射能量吸收，通過測量材料的X射線吸收找到缺陷，薄膜設(shè)備記錄信息的無損檢測方法。被測物體放在從X射線裝置500～1000mm的位置，薄膜貼在后面的標本，讓光線合適的時間（幾分鐘到幾十分鐘）曝光。在黑暗中顯影、定影、干燥的曝光。干膜在膠片上觀察燈在屏幕上按觀察、膠片密度和圖像來確定缺陷的類型、大小和數(shù)量，然后根據(jù)現(xiàn)行標準對缺陷進行分級（見圖1）。

測試結(jié)果是直接記錄膠片的，因為膠片記錄的信息非常豐富，而且可以保存很長時間，使各種射線照相無損檢測方法記錄在最真實、最直觀、最好的檢測跟蹤方法?？梢缘玫饺毕萃队皥D像，缺陷在定性和定量上是最準確的。

3. 強度試驗

抗剪強度和抗拉強度試驗方法參照GJB715。單剪和拉脫的兩種形式，根據(jù)實際軸承圓柱結(jié)構(gòu)，樣品的鋁合金板和復(fù)合材料，分別為3.2mm和2.5mm厚。螺栓和鉚釘材料為不銹鋼。鉚釘墊圈TC4，內(nèi)徑為4.1～4.2mm，外徑9mm，和厚度為1mm。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格，螺母的擰緊力矩為2.5nm，墊片兩側(cè)。鉚接工藝參數(shù)選擇試驗，鉚接電壓為2000V，與銷桿延伸約1.2d。我們可以看到，抗拉強度略低于鉚接螺釘連接的抗拉強度，當(dāng)頭部直徑為1.2時的初始強度和最大強度分別降低了6.3和9.2%以上的螺栓連接，當(dāng)頭部直徑大于1.3，鉚接的初始強度和最大破壞強度低。螺栓連接兩側(cè)都有墊圈，鉚接僅為單面墊圈，除估計頭部尺寸較大外，復(fù)合材料可能有一定的沖擊損傷、抗拉強度。因此，要保證抗拉強度高，頭部尺寸應(yīng)小于1.3d。

4. 損傷檢測實驗

由于受沖擊載荷、釘桿過度膨脹或不均勻膨脹，可能會導(dǎo)致復(fù)合材料的壓縮失效或脫層失效。電磁鉚接能否應(yīng)用到高模量碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵是保證復(fù)合材料在鉚接過程中不受損傷。使用X線攝影檢查。鉚釘根據(jù)選定的工藝參數(shù)，在3.3 ～ 3.4mm鉚釘直徑、墊片材料TC4，外直徑7mm，直徑3.1mm，厚1mm。然后將銑頭和機頭從銑床上銑削下來。試樣中有4個鉚釘孔。孔1號和2號是原始孔沒有鉚釘。孔3號將用來去除釘子頭和鐓頭。孔4號整個鉚釘將被去除，當(dāng)鉚釘被取下時，在孔4處故意造成一些損傷以測試這種方法的效果。用放大鏡檢查試樣，發(fā)現(xiàn)孔1、2和3有很小的劈裂損傷。根據(jù)復(fù)合材料孔的質(zhì)量標準，其寬度小于0.4mm的劈裂破壞和寬度小于1.3mm不會影響接頭質(zhì)量。從X光照片可以看到4號孔的可見損傷，表明該方法能夠探測復(fù)合損傷。看到的照片也可以看到鉚接孔1號2號3號鉚接孔形成的損傷，由于損傷較小可以認為在孔制作中產(chǎn)生，但損傷尺寸遠小于規(guī)定的標準尺寸，即深度0.25mm，寬度0.33mm，不超過1 / 4孔的周長長度限制。此外，從照片中可以看出，受損接頭的尺寸和初始孔的損傷尺寸沒有明顯變化，說明電磁鉚接不會造成明顯的損傷和損傷。因此，電磁鉚接可用于組合結(jié)構(gòu)的鉚接。

[1]劉萍.干涉對復(fù)合材料疊層板螺栓連接疲勞強度的影響[J].航空學(xué)報,2014,12.

[2]曹增強.碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波鉚接實驗研究[J].機械科學(xué)與技術(shù),2015,4.

[3]航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院編.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2015.

王呈順（1970－），山東人，雷達裝配高級工，主要從事無人機裝配技術(shù)研究。