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钛合金铆钉热铆技术研究

作者：黄宁赵建国于思阳

来源：《科学与财富》2020年第30期

摘要：本文根据电阻加热原理，提高铆钉塑性后进行铆接，对铆接过程的各项参数进行

分类研究和试验验证，形成了针对钛合金铆钉热铆的一种工艺方法，提升了铆接速率，提高了

铆接质量，同时也为其它铆接工艺提供了一种可靠的验证方法。

关键词：飞机装配;钛合金;热铆;热铆机

钛合金铆钉强度高、塑性差，墩头成形困难，并且随着锤击次数增加，铆钉冷作硬化，墩

头容易产生裂纹，导致铆接效率低，铆接质量难以得到保证。热铆技术是指在冷铆技术的基础

上，通过外部设备给铆钉加热，使其瞬间达到塑性变形温度，从而实施铆接。该技术的特点

是：铆钉变形均匀，与铆钉孔配合紧密，有利于提高铆接质量和铆接部位的密封性[1]。

情况1分析

材料特1.1性

TB2材料的铆钉是目前飞机上常用的钛合金铆钉。其用于结构连接的优势是一方面是抗高

温，另一方面是有非常高的剪切强度，与同径的30CrMnSi螺栓相当，同直径条件下，钛合金

铆钉剪切性能是纯钛的4.6倍，铝合金的2.6倍，不锈钢的1.5倍，因此特别适用于飞机高温区

的铆接和机体重量控制。

铆接性1.2能

分别对TB2钛合金铆钉进行三种铆接方式的试验，发现冷铆接，无法形成墩头，原因是

常规铆枪功率不够;电磁铆接会造成铆钉碎裂，原因是材料应力敏感;热铆接的墩头尺寸合格，

但墩头氧化严重、有灼伤，分析原因是铆钉过热和电弧造成的。

通过上述试验，证明了热铆接方式更适合钛合金铆钉的铆接，但也存在墩头氧化严重和表

面灼伤的问题，具体原因分析如下：

）钛1是一种化学性质极其活泼的元素.易与空气中的氧发生反应生成致密且牢固地附着在

金属表面的氧化膜。钛合金零件的氧化层必须通过酸洗去除，而装配后的铆钉不具备酸洗的环

境，因此控制钛合金氧化，必须控制铆钉的加热时间。

）电弧是开关电路断开电流时，电路的接触处产生的高温高导电率的游离气体。电弧的2

中心温度可达到10000℃以上，对钉体和机体会产生严重的灼伤。在热铆过程中消除电弧，即

要求当铆枪或顶铁与钉体分离前，必须断开热铆设备的电源。

热铆方法2

热铆技术原理2.1

钛合金铆钉的热铆原理是：将热铆机的两个输出电极分别连接在零件（或铆枪冲头）和顶

铁上，当顶铁和冲头与铆钉接触时，通过钛合金铆钉的电流使铆钉产生电阻热。

根据焦耳一楞次定律，铆钉产生的电阻热量Q为：

Q=I2Rt（1）

式中，I-电流：R-铆钉的电阻;t-加热时间。由式（1）可看出，当选定了铆钉，即电阻R

确定了之后，影响铆钉加热的物理量主要为热铆机的输出电流I和加热时间t。根据传热学的

基本定律，当钛合金铆钉被加热到塑区温度时，所需要的热量Q1为：

Q1=mc（T2-T1）（2）

式（2）中，m-铆钉的质量;c-铆钉材料的比热容;T1-铆钉的初始温度;T2铆钉达到700℃～

900℃热塑性区时的温度。若忽略加热中的热辐射和热传导效应的影响，假设式（1）中所产生

的电阻热Q全部转化为铆钉的升温吸热，则有Q1=Q，对于TB2钛合金铆钉而言。其电阻R

为：

ρL/SR=（3）

式（3）中，ρ-铆钉的电阻率;L-铆钉的长度;S-铆钉的截面积。由上述三式可以得出电流I

和加热时间t的对应关系为：

I2t=mc（T2-T1）S/ρL（4）

按照式（4）进行理论计算，得到的TB2钛合金铆钉的电阻加热特性曲线，电流值与加热

时间成反比。

热铆机加热2.2试验

热铆机是实施钛合金铆钉热铆的关键设备。在热铆工艺中，钛合金铆钉的加热温度至关重

要，如果加热温度过低，达不到热塑性温度，铆钉难以产生塑性变形;如果加热温度过高，容

易造成铆钉熔融，甚至材料组织变性，使铆钉失效。本次试验采用功率10KVA，电压3V的热

铆机，铆钉钉杆加热到750℃所需时间约为4S，按照该参数对验证铆钉的各项性能指标进行进

一步验证。

铆接特殊要求3

钉长的选择3.1

钛合金铆钉的钉长计算公式如下：

δ+0.7L=～1.0d（5）

其中L—铆钉钉长;δ—夹层厚度;L0—钉杆伸出量;d—铆钉直径。