低频振动辅助铆接技术(LVR)提升高强度合金结构连接性能的机理研究

为解决航空航天制造中高强铆钉冷变形能力差、传统铆接(TR)工艺能耗高且接头强度不均的问题，研究人员创新性提出低频振动辅助铆接(LVR)技术。通过30 Hz/0.1 mm振动参数实现铆接力降低25.27%、能耗减少22.28%，并显著提升接头剪切强度(6.69%)和疲劳寿命(47.75%)。该技术通过振动软化效应促进材料流动，为轻量化合金结构连接提供高效解决方案。

　　

在航空航天制造领域，高强铝合金结构的可靠连接始终是核心难题。传统铆接工艺面临双重困境：一方面，7075铝合金等材料需要大直径7050铆钉确保结构强度，但这些铆钉冷变形能力差，导致铆接力高达20kN以上；另一方面，传统锤击铆接易造成铆钉头部裂纹，且形成的铆钉-孔干涉量不均匀，严重影响接头疲劳性能。更棘手的是，现有超声振动辅助技术因压电效应功率限制，难以承受高载荷工况。这种技术瓶颈直接制约着国产大飞机等重大装备的轻量化制造进程。

山东大学材料科学与工程学院的研究团队另辟蹊径，将低频振动(30Hz)引入铆接工艺，开发出具有自主知识产权的LVR系统。该技术通过电液伺服闭环控制，在保持高负载能力的同时，利用周期性应力叠加产生的振动软化效应，使铆钉材料在"动态锻打"中实现超塑性流动。研究论文发表在《Journal of Cleaner Production》上，揭示了振动参数与接头性能的构效关系。

关键技术包括：基于PID控制的电液伺服振动系统、EBSD晶粒取向分析、干涉配合三维扫描重建、高频力学传感器实时监测等。通过对比TR工艺，系统研究了振动幅度(0.05-0.15mm)对变形行为的影响规律。

【实验设备】章节显示，自主研发的LVR装备集成JETTER控制器，可实现±0.01mm位移精度。液压伺服系统产生30Hz低频振动时，仍能维持15kN以上静态载荷，突破了超声振动20kN的功率极限。

【铆接力与能耗】部分证实，0.1mm振幅使峰值铆接力从18.54kN降至13.85kN。载荷-位移曲线呈现特征性锯齿波动，这是振动应力叠加导致位错运动激活的直接证据。能量计算显示，振动使塑性变形功从传统工艺的136.7J降至106.2J。

微观机制上，EBSD分析发现振动组铆钉晶粒尺寸细化至2.1μm（TR组为3.8μm），且<111>取向晶粒比例增加19.8%。这种细晶强化使显微硬度提升至148.6HV，裂纹扩展路径呈现更多曲折特征。

最突破性的发现在于【干涉配合】分析：X-CT扫描显示振动组平均干涉量达0.132mm，较传统工艺提高43.87%。这种改善源于振动降低的摩擦系数（μ从0.15降至0.09），使铆钉材料更易填充孔壁微隙。

性能测试数据极具说服力：剪切强度从6.58kN提升至7.02kN；在55%极限载荷条件下，疲劳寿命从21.4万次跃升至31.6万次。断口分析显示，TR接头多起源于孔边应力集中处，而LVR接头裂纹源转移至铆钉内部，印证了干涉配合优化的保护作用。

该研究开创性地证明，低频机械振动可同时实现"降耗-增韧-延寿"三重效益。相较于电磁铆接(EMR)可能引发的绝热剪切裂纹，或电流辅助工艺的热影响区问题，LVR技术在室温下即可提升7系铝合金接头的服役可靠性。这项突破不仅为国产C919等航空器连接工艺提供新方案，其揭示的振动塑性成形机理，对重型运载火箭燃料箱等大尺度构件制造更具指导价值。随着"双碳"战略推进，这种绿色低能耗连接技术有望成为航空航天智能制造的新标杆。