低频振动辅助铆接技术(LVR)提升高强合金结构连接性能的机理与工艺优化研究

针对航空装配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难题，研究人员创新提出低频振动辅助铆接(LVR)技术。实验表明，30 Hz/0.1 mm振动参数使铆接力降低25.27%，能耗减少22.28%，并通过EBSD分析揭示晶粒细化使铆钉硬度提升6.50%。该技术显著提高接头剪切强度(6.69%)和疲劳寿命(47.75%)，为航空航天轻量化制造提供新方案。

　　

在航空航天制造领域，高强铆钉连接技术是保障结构可靠性的核心工艺，但传统铆接(TR)面临两大痛点：7050等高强铝合金铆钉冷变形能力差导致需要巨大铆接力（常引发铆头裂纹），以及不均匀的铆钉/孔干涉配合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存在载荷承载极限（＜20 kN），难以满足航空大直径铆钉的工艺需求。

针对这一技术瓶颈，山东大学材料科学与工程学院的研究团队另辟蹊径，创新性地将低频振动（Low-frequency Vibration, LV）引入铆接工艺，开发出低频振动辅助铆接(LVR)系统。该研究通过电液伺服压力机实现30 Hz低频振动精准控制，在7075铝合金板-7050实心铆钉连接中取得突破性进展，相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

关键技术方面，研究团队采用电液伺服闭环控制系统实现振动参数精确调控，结合高响应传感器实时监测载荷-位移曲线；通过电子背散射衍射(EBSD)定量分析晶粒取向演变；采用显微硬度计和剪切/疲劳测试系统综合评价接头性能。

【实验设备】章节显示，自主研发的LVR系统集成JETTER控制器与PID算法，可实现液压缸位移±0.1 mm精度控制。这种创新设计突破了传统超声振动设备的力载限制，为高强铆钉的大规模应用奠定基础。

【铆接力与能耗】部分的数据令人振奋：当施加30 Hz/0.1 mm振动参数时，铆接力峰值从TR工艺的25.4 kN降至18.98 kN（降幅25.27%），能量消耗由148.7 J降至115.6 J。载荷-位移曲线呈现特征性振荡波形，证实振动软化（Vibration softening）与应力叠加效应的协同作用。

【微观结构演变】的EBSD分析揭示LVR工艺的独特优势：铆钉头部动态再结晶晶粒尺寸从TR的8.2 μm细化至5.6 μm，小角度晶界比例提升19.3%。这种微观组织优化使铆钉硬度从136.4 HV提高到145.3 HV，且硬度分布均匀性提升42%。

最关键的【接头性能】数据显示：LVR使铆钉/孔干涉量从TR的0.052 mm增至0.075 mm（提升43.87%），这直接导致接头剪切强度达4.78 kN（较TR提升6.69%）。更惊人的是，在55%极限载荷的疲劳测试中，LVR接头寿命从1.2×10⁵次跃升至1.77×10⁵次，增幅达47.75%。断口分析表明，振动促进的材料流动使裂纹源向铆钉中心偏移0.43 mm，显著延缓裂纹扩展。

结论部分强调，LVR技术通过三重机制革新传统工艺：① 振动软化降低流动应力；② 周期性载荷促进位错运动；③ 界面摩擦减少提升能量利用率。该研究不仅为航空轻量化制造提供新方案，其揭示的"低频振动-晶粒细化-性能提升"关联规律，对其它高强合金塑性加工具有普适指导意义。正如Zhang et al.在讨论中指出，这种低能耗（＜400 W）、高兼容性的技术，有望替代电磁铆接(EMR)成为下一代航空连接工艺。