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据美国太平洋西北国家实验室（PNNL）网站9月份报道，PNNL的研究人员开发出一种新型铆接工艺，可用于轻质镁合金或铝合金连接，提高铆接质量与效率，并降低制造成本。
一、旋转锤铆接创新铆接新工艺
镁合金具有轻质、高强度的特性，是轻量化制造的理想材料。但在室温下其塑性变形能力差、易断裂，用于紧固连接较为困难。通常情况需要先对镁合金铆钉进行预热使其变软，然后再进行锤击铆接，但加热铆钉需要额外的时间和成本。因此，虽然镁合金铆钉比铝合金铆钉轻30%，大多仍使用铝铆钉来铆接镁金属板。PNNL开发出一种名为旋转锤铆接（Rotating Hammer Riveting，RHR）的新工艺，该工艺无需对镁铆钉进行预热即可进行铆接，使加工效率提高4倍以上，并且避免异种材料带来的电偶腐蚀。
图1 旋转锤铆接过程示意图
旋转锤铆接工艺重点融合了搅拌摩擦焊技术。该工艺使用了一种名为“锤子”的高速旋转工具，其实质为一个具有凹面的固体金属圆柱形装置，相当于搅拌头。“锤子”在高速旋转时通过摩擦和变形产生热量，使镁合金变软，再施加压力从而制成铆钉头，同时搅拌铆钉头底面，使其与金属板进行冶金结合，提高铆接质量并有效防止腐蚀。研究人员使用AZ31镁合金铆钉铆接AZ31镁合金/AA7055-T6铝合金和AZ31镁合金/碳纤维增强复合材料（CFRP）两种不同材料组合进行研究。经过多次试验，在“锤子”旋转速度和插入铆钉速度之间找到了平衡点，避免在加工过程中铆钉头由于过多的热量粘附到“锤子”上或由于热量不足未完全形成铆钉头而开裂，铆接时间仅需0.23秒。
二、旋转锤铆接在航空制造领域的应用潜力
铆接工艺在航空制造领域大量应用，旋转锤铆接因其冶金结合的高质量与高效率具有较好的应用前景，例如应用于2024铝合金铆接。2024铝合金是一种高强度硬铝，广泛应用于飞机结构（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）制造，为避免异种材料带来的电偶腐蚀最好选用相同材料的铆钉进行铆接。2024铝合金铆钉又称“冰箱（ice box）”铆钉，其在室温下太硬，采用传统铆接工艺需要先退火软化后储存在“冰箱”内保存，需要时再取出。并且需要在15至30分钟内完成铆接，这需要较高的成本，因此大多选用其他（例如2117、7050）铝合金铆钉或者钛合金铆钉进行替代。若采用旋转锤铆接工艺，便可在室温下直接使用2024铝合金铆钉进行铆接，节省其热处理和储存成本。同时，铆钉头与金属板的冶金结合能够提高铆接质量并有效防止腐蚀。此外，采用旋转锤铆接工艺每个铆钉的安装时间仅需约1/4秒，而传统工艺需要1到3秒。每架商用飞机包含数十万甚至上百万个铆钉，若旋转锤铆接技术可以做到工业化应用，每十万个铆钉节省时间约为40小时，能够大幅提升铆接效率。
图2 PNNL采用旋转锤铆接工艺完成“冰箱铆钉”铆接铝合金板
三、结语
PNNL创新性地将传统铆接和搅拌摩擦焊两种成熟工艺技术相融合，实现铆接技术创新与突破。通过冶金学原理，旋转锤铆接工艺解决了AZ31镁合金无法在室温下直接进行铆接的问题，提高铆接质量及效率，并降低成本。针对同种或异种材料铆接需求，借鉴此项成果改善和提升铆接工艺水平或许是一条可行的途径。
作者：博森，中国航空制造技术研究院技术发展中心