在碳纖維復合材料中的電磁鉚接技術淺析

中國電子科技集團公司第三十八研究所 王呈順

在碳纖維復合材料中的電磁鉚接技術淺析

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合材料結構的電磁鉚接工藝。通過試驗確定了鉚釘延伸和釘孔間隙等工藝參數。給出了鉚接復合結構墊片的幾何尺寸，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合材料。

復合材料；電磁鉚接；高模量；強度

1. 電磁鉚接工藝研究

1.1 鐓頭尺寸設計

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

1.2 墊圈幾何構形設計

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。實驗結果表明，無墊圈或0.6mm墊圈，全進入復合材料，造成復合材料的嚴重損傷；采用0.8mm厚的鈦合金和不銹鋼墊圈，直徑3.0mm鉚釘沒有發現復合材料的損害，3.5mm和4.0mm鉚釘的直徑部分明顯膨脹和擠壓墊片復合材料；厚1.0mm鈦合金墊片，無墊圈進入復合材料，采用1.0mm厚的不銹鋼墊圈，不銹鋼鉚釘鉚接的復合材料將出現一定程度的損傷。主要是因為不銹鋼強度較低，墊圈不能充分限制鉚釘的膨脹。因此盡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合材料造成損傷。當接頭干擾量為2時，接頭的擠壓強度可提高8～10，碳纖維環氧復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。結果表明，當釘孔間隙為0.2mm，發現在重大損害復合板中有一部分是螺桿膨脹釘孔隙口損壞；當釘孔間隙為0.3mm時，個別接頭的干涉量大于2%；當釘孔間隙為0.4mm時接頭的干涉量一般不會大于2%，鉚接質量好。當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、大小和數量，然后根據現行標準對缺陷進行分級（見圖1）。

測試結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。可以得到缺陷投影圖像，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，根據實際軸承圓柱結構，樣品的鋁合金板和復合材料，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，內徑為4.1～4.2mm，外徑9mm，和厚度為1mm。根據產品的技術規格，螺母的擰緊力矩為2.5nm，墊片兩側。鉚接工藝參數選擇試驗，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。螺栓連接兩側都有墊圈，鉚接僅為單面墊圈，除估計頭部尺寸較大外，復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，可能會導致復合材料的壓縮失效或脫層失效。電磁鉚接能否應用到高模量碳纖維復合材料的結構中，關鍵是保證復合材料在鉚接過程中不受損傷。使用X線攝影檢查。鉚釘根據選定的工藝參數，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，發現孔1、2和3有很小的劈裂損傷。根據復合材料孔的質量標準，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生，但損傷尺寸遠小于規定的標準尺寸，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構的鉚接。

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

[2]曹增強.碳纖維復合材料結構的應力波鉚接實驗研究[J].機械科學與技術,2015,4.

[3]航空航天工業部科學技術研究院編.復合材料結構設計手冊[M].北京:航空工業出版社,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研究。