节能低频振动辅助铆接技术提升高强度金属结构连接性能研究

为解决航空航天制造中高强度铆钉冷变形能力差、铆接力大且能耗高的问题，研究人员创新提出低频振动辅助铆接（LVR）技术。实验表明，LVR可使铆接力降低25.27%，能耗减少22.28%，并通过晶粒细化使铆钉硬度提升6.50%，接头剪切强度和疲劳寿命分别提高6.69%和47.75%，为绿色制造提供了高效解决方案。

　　

在航空航天制造领域，高强度金属结构的可靠连接一直是技术难点。传统铆接（TR）工艺面临两大困境：一方面，7050等高强度铆钉冷变形能力差，需要巨大铆接力（常导致铆头裂纹）；另一方面，铆钉与板孔间干涉量不均匀，严重影响接头强度和疲劳性能。更棘手的是，现有解决方案各有局限——电磁铆接（EMR）易引发绝热剪切裂纹，超声振动（UV）又因压电效应功率不足难以承载20kN以上载荷。如何突破这些瓶颈，实现高效节能的连接？

山东大学材料科学与工程学院的研究团队独辟蹊径，将目光投向低频振动（LV）技术。他们基于电液伺服压力机自主研发了低频振动辅助铆接（LVR）系统，通过30Hz振动频率与0.1mm振幅的参数组合，在7075铝合金板-7050铆钉连接中创造了三重突破：首先，借助振动软化效应，使铆接力骤降25.27%，能耗降低22.28%；其次，通过电子背散射衍射（EBSD）分析发现，振动促进铆钉塑性变形并细化晶粒，硬度提升6.50%；更关键的是，材料流动性的改善使铆钉/板孔干涉量激增43.87%，最终实现剪切强度6.69%和疲劳寿命47.75%的双重提升。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究，主要运用了电液伺服闭环控制、实时载荷位移监测、EBSD显微分析等技术手段。

【实验设备】
团队创新设计的LVR系统采用JETTER控制器与PID算法，实现了液压缸位移-载荷的精准闭环控制。高频响应传感器以500Hz采样率捕获动态数据，为机理研究奠定基础。

【铆接力与能耗】
载荷-位移曲线显示，30Hz振动使应变硬化曲线呈现周期性波动。通过积分计算发现，振动能仅占总能耗1.86%，却换来22.28%的整体节能效果，印证了"四两拨千斤"的技术优势。

【微观结构演变】
EBSD取向成像图揭示，TR工艺铆钉头部存在大量未变形粗晶（平均晶粒尺寸15.4μm），而LVR样品晶粒尺寸均匀细化至9.8μm。这种微观结构的改善直接解释了硬度提升现象。

【接头性能】
振动带来的干涉量提升（从0.049mm增至0.070mm）显著优化了载荷传递路径。疲劳测试中，LVR接头裂纹萌生位置由铆钉/板孔界面转移至板件内部，寿命从12.4万次跃升至18.3万次。

这项研究的意义不仅在于工艺突破，更开创了高强金属结构连接的新范式。相比需要预热处理的电流辅助铆接或易引发热影响的激光铆接，LVR技术在室温下即可实现性能提升，完美契合低碳制造需求。研究揭示的振动软化-摩擦降低协同机制，为后续开发智能铆接设备提供了理论支撑。随着国产大飞机等重大装备对轻量化需求的提升，这项具有完全自主知识产权的技术，有望成为航空航天制造领域的"中国方案"。