鈦合金鉚釘熱鉚技術(shù)研究

黃寧 趙建國 于思陽

摘 要：本文根據(jù)電阻加熱原理，提高鉚釘塑性后進(jìn)行鉚接，對鉚接過程的各項參數(shù)進(jìn)行分類研究和試驗驗證，形成了針對鈦合金鉚釘熱鉚的一種工藝方法，提升了鉚接速率，提高了鉚接質(zhì)量，同時也為其它鉚接工藝提供了一種可靠的驗證方法。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配;鈦合金;熱鉚;熱鉚機(jī)

鈦合金鉚釘強(qiáng)度高、塑性差，墩頭成形困難，并且隨著錘擊次數(shù)增加，鉚釘冷作硬化，墩頭容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致鉚接效率低，鉚接質(zhì)量難以得到保證。熱鉚技術(shù)是指在冷鉚技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過外部設(shè)備給鉚釘加熱，使其瞬間達(dá)到塑性變形溫度，從而實施鉚接。該技術(shù)的特點是：鉚釘變形均勻，與鉚釘孔配合緊密，有利于提高鉚接質(zhì)量和鉚接部位的密封性[1]。

1情況分析

1.1材料特性

TB2材料的鉚釘是目前飛機(jī)上常用的鈦合金鉚釘。其用于結(jié)構(gòu)連接的優(yōu)勢是一方面是抗高溫，另一方面是有非常高的剪切強(qiáng)度，與同徑的30CrMnSi螺栓相當(dāng)，同直徑條件下，鈦合金鉚釘剪切性能是純鈦的4.6倍，鋁合金的2.6倍，不銹鋼的1.5倍，因此特別適用于飛機(jī)高溫區(qū)的鉚接和機(jī)體重量控制。

1.2鉚接性能

分別對TB2鈦合金鉚釘進(jìn)行三種鉚接方式的試驗，發(fā)現(xiàn)冷鉚接，無法形成墩頭，原因是常規(guī)鉚槍功率不夠;電磁鉚接會造成鉚釘碎裂，原因是材料應(yīng)力敏感;熱鉚接的墩頭尺寸合格，但墩頭氧化嚴(yán)重、有灼傷，分析原因是鉚釘過熱和電弧造成的。

通過上述試驗，證明了熱鉚接方式更適合鈦合金鉚釘?shù)你T接，但也存在墩頭氧化嚴(yán)重和表面灼傷的問題，具體原因分析如下：

1）鈦是一種化學(xué)性質(zhì)極其活潑的元素.易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)生成致密且牢固地附著在金屬表面的氧化膜。鈦合金零件的氧化層必須通過酸洗去除，而裝配后的鉚釘不具備酸洗的環(huán)境，因此控制鈦合金氧化，必須控制鉚釘?shù)募訜釙r間。

2）電弧是開關(guān)電路斷開電流時，電路的接觸處產(chǎn)生的高溫高導(dǎo)電率的游離氣體。電弧的中心溫度可達(dá)到10000℃以上，對釘體和機(jī)體會產(chǎn)生嚴(yán)重的灼傷。在熱鉚過程中消除電弧，即要求當(dāng)鉚槍或頂鐵與釘體分離前，必須斷開熱鉚設(shè)備的電源。

2熱鉚方法

2.1熱鉚技術(shù)原理

鈦合金鉚釘?shù)臒徙T原理是：將熱鉚機(jī)的兩個輸出電極分別連接在零件（或鉚槍沖頭）和頂鐵上，當(dāng)頂鐵和沖頭與鉚釘接觸時，通過鈦合金鉚釘?shù)碾娏魇广T釘產(chǎn)生電阻熱。

根據(jù)焦耳一楞次定律，鉚釘產(chǎn)生的電阻熱量Q為：

Q=I2Rt（1）

式中，I-電流：R-鉚釘?shù)碾娮?t-加熱時間。由式（1）可看出，當(dāng)選定了鉚釘，即電阻R確定了之后，影響鉚釘加熱的物理量主要為熱鉚機(jī)的輸出電流I和加熱時間t。根據(jù)傳熱學(xué)的基本定律，當(dāng)鈦合金鉚釘被加熱到塑區(qū)溫度時，所需要的熱量Q1為：

Q1=mc（T2-T1）（2）

式（2）中，m-鉚釘?shù)馁|(zhì)量;c-鉚釘材料的比熱容;T1-鉚釘?shù)某跏紲囟?T2鉚釘達(dá)到700℃～900℃熱塑性區(qū)時的溫度。若忽略加熱中的熱輻射和熱傳導(dǎo)效應(yīng)的影響，假設(shè)式（1）中所產(chǎn)生的電阻熱Q全部轉(zhuǎn)化為鉚釘?shù)纳郎匚鼰幔瑒t有Q1=Q，對于TB2鈦合金鉚釘而言。其電阻R為：

R=ρL/S（3）

式（3）中，ρ-鉚釘?shù)碾娮杪?L-鉚釘?shù)拈L度;S-鉚釘?shù)慕孛娣e。由上述三式可以得出電流I和加熱時間t的對應(yīng)關(guān)系為：

I2t=mc（T2-T1）S/ρL（4）

按照式（4）進(jìn)行理論計算，得到的TB2鈦合金鉚釘?shù)碾娮杓訜崽匦郧€，電流值與加熱時間成反比。

2.2熱鉚機(jī)加熱試驗

熱鉚機(jī)是實施鈦合金鉚釘熱鉚的關(guān)鍵設(shè)備。在熱鉚工藝中，鈦合金鉚釘?shù)募訜釡囟戎陵P(guān)重要，如果加熱溫度過低，達(dá)不到熱塑性溫度，鉚釘難以產(chǎn)生塑性變形;如果加熱溫度過高，容易造成鉚釘熔融，甚至材料組織變性，使鉚釘失效。本次試驗采用功率10KVA，電壓3V的熱鉚機(jī)，鉚釘釘桿加熱到750℃所需時間約為4S，按照該參數(shù)對驗證鉚釘?shù)母黜椥阅苤笜?biāo)進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

3鉚接特殊要求

3.1釘長的選擇

鈦合金鉚釘?shù)尼旈L計算公式如下：

L=δ+0.7～1.0d（5）

其中L—鉚釘釘長;δ—夾層厚度;L0—釘桿伸出量;d—鉚釘直徑。

普通鉚釘?shù)尼旈L計算公式如下：

L'=δ+1.2d（6）

其中L'—鉚釘釘長。

從式（5）和式（6）可以計算出L'-Lmin=0.5d，以4mm的鉚釘為例，相同夾層情況下鈦合金的釘長比普通鉚釘短2mm。

3.3墩頭成型尺寸

鈦合金鉚釘?shù)亩疹^的直徑范圍：Dmin=1.4d，高度hmin=0.3d，普通鉚釘為0.4d。按照鉚接前后體積不變原則，計算Dmax值如下：

V1=π（d/2）2L0（7）

V2=π（D/2）2h（8）

式中V1—鉚接前釘桿伸出體積;π—圓周率;d—鉚釘直徑;L0—鉚釘伸出量;V2—鉚接后墩頭體積;D—墩頭直徑;h—墩頭高度。

假設(shè)V1=V2，取L0=d，h=0.3d，帶入公式（11）和（12）結(jié)果為Dmax≈1.7d。

4試驗驗證方法

4.1試驗方法

試驗組要分為五部分，分別為驗證鉚接成形質(zhì)量的鉚接性試驗;驗證破壞剪力的剪切性試驗;驗證拉脫力的拉伸試驗;檢驗墩頭組織變化的氣體含量檢測和金相分析。

4.2鉚接性試驗

選用沖擊功3.9J/次，25Hz的鉚槍，頂鐵質(zhì)量3kg，加熱4s后斷電施鉚。

試驗結(jié)果顯示通過上述參數(shù)4mm鉚釘能夠達(dá)到墩頭直徑不小于5.6mm，墩頭高度大于1.2mm的要求。墩頭無裂紋，無灼傷，未出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化層。

4.3剪切試驗

剪切試驗采用JJG139標(biāo)準(zhǔn)的萬能試驗機(jī)，單釘剪切試片。

通過試驗，多組試件中剪切力最小值大于國軍標(biāo)理論值，剪切性能滿足設(shè)計指標(biāo)。

4.4拉伸試驗

拉伸試驗采用JJG139標(biāo)準(zhǔn)的萬能試驗機(jī)及其相應(yīng)的拉伸試片。

通過試驗，多組試件中拉脫力最小值滿足設(shè)計指標(biāo)。

4.5氣體含量檢測

對鉚釘墩頭縱斷面氫氧含量檢測結(jié)果如下，H（氫）和O（氧）最大含量滿足GB/T3620.1中對雜質(zhì)含量的要求。

4.6金相分析

試樣經(jīng)金相檢查結(jié)論為：墩頭可見外擴(kuò)流線;桿部組織為等軸β晶粒，晶粒相對細(xì)小;墩頭部位有變形，可見拉長晶粒，釘體內(nèi)部無損傷和裂痕，鉚接質(zhì)量合格。

5結(jié)束語

通過本文對鈦合金鉚釘熱鉚接原理和工藝過程的研究，完善了傳統(tǒng)方式的不足之處，減少了墩頭區(qū)產(chǎn)生的氧化層，避免了鉚接過程中的電弧灼傷，結(jié)合理論計算給出了鉚接質(zhì)量的驗收標(biāo)準(zhǔn)。通過本文的研究，也為其它鉚接工藝提供了一種有效的驗證方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹增強(qiáng). 鉚接技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[J].航空工程與維修，2004，4.

[2]The Editiorial Committee of This Handbook.Processing Hangbook for Rare Metal Material[M].Beijing? ?Metallurgical Industry Press，1984.