低频振动辅助铆接技术提升高强度合金结构连接性能的低碳制造研究

为解决高强铆钉冷变形能力差导致的铆接力大、能耗高及接头强度不均等问题，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%，并借助EBSD分析揭示晶粒细化使铆钉硬度提升6.50%。该技术通过振动软化与减摩效应使铆孔干涉量增加43.87%，接头剪切强度与疲劳寿命分别提高6.69%和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，高强合金铆钉的冷变形难题如同"钢铁与柔韧的博弈"——既要保证接头如钢铁般坚固，又需铆钉具备足够的塑性变形能力。传统铆接（TR）工艺面临三重困境：大直径高强铆钉变形困难导致铆接力高达数吨、能耗惊人；铆头易开裂且铆孔干涉不均匀；接头疲劳寿命难以满足飞机长期服役需求。更棘手的是，现有超声振动辅助技术因功率限制无法承受20 kN以上载荷，而电磁铆接（EMR）又存在热损伤风险。这种"高能耗、低效率、强损伤"的现状，成为制约航空结构轻量化与低碳制造的瓶颈。

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"这一金属成形领域的"温柔力量"引入高强铆接过程。他们自主研发的电液伺服低频振动铆接系统（LVR），通过30 Hz机械振动产生的动态应力场，让7050铝合金铆钉在"微颤动"中实现"刚柔并济"的塑性流动。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究，揭示了振动频率与振幅如何像"微观锻造师"般重塑金属晶格结构。

研究采用三大关键技术：基于PID闭环控制的电液伺服振动系统实现0.1 mm振幅精确调控；同步采集铆接力-位移曲线量化能耗；电子背散射衍射（EBSD）结合显微硬度计解析晶粒演变规律。通过对比TR工艺，建立振动参数-微观组织-力学性能的映射关系。

【实验设备】章节显示，自主研发的LVR系统通过JETTER控制器实现液压缸位移±0.01 mm精度控制，其动态载荷响应频率达50 Hz，为传统液压机的5倍。

【铆接力与能耗】部分揭示，30 Hz振动使峰值铆接力从TR的32.5 kN降至24.3 kN，能量耗散曲线显示振动能有效转化塑性功，单位铆接能耗由28.7 J/mm³降至22.3 J/mm³。

【结论】章节通过EBSD取向成像发现，LVR使铆钉头部晶粒尺寸从TR的15.6 μm细化至9.8 μm，小角度晶界比例提升18.4%，这是硬度提升6.50%的微观根源。更关键的是，X射线断层扫描显示振动促进铆钉材料向孔壁流动，干涉量从0.23 mm增至0.33 mm，形成"机械互锁增强效应"。

这项研究的突破性在于：首次证实低频振动可同时实现"降力-增韧-延寿"三重效益。其科学价值在于揭示了振动频率与位错运动的非线性关系——30 Hz振动产生的交变应力场既能促进位错滑移（降低屈服应力），又能通过动态再结晶细化晶粒（提高强度）。工程意义上，LVR为飞机机身万级铆钉连接提供低碳解决方案，单机减碳量可达1.2吨/年。正如讨论部分指出，该技术可延伸至钛合金铆接与复合材料/金属混合连接，为下一代飞行器制造开辟振动辅助成形的新范式。