低频振动辅助铆接(LVR)技术提升高强合金铆接接头性能的机理研究

针对航空航天制造中高强铆钉冷变形能力差、铆接力大且接头强度不均等问题，研究人员创新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%，接头剪切强度和疲劳寿命分别提高6.69%和47.75%，为轻量化合金结构制造提供新方案。

　　

在航空航天制造领域，高强合金铆钉如同"金属关节"般连接着飞行器的骨骼，但其冷变形能力差的问题长期困扰着工程师——传统铆接(TR)过程需要巨大铆接力，易导致铆钉头部开裂，且形成的铆钉/板孔干涉量不均匀，严重影响接头性能。更棘手的是，现有超声振动辅助技术因功率限制难以承受20 kN以上载荷，而电磁铆接(EMR)又存在能量过载引发绝热剪切的风险。这种"力大伤身，力小无效"的困境，成为制约航空轻量化制造的关键瓶颈。

山东大学（根据基金项目推断）的研究团队独辟蹊径，将低频振动(LV)这一"金属按摩术"引入铆接领域，开创性地开发出低频振动辅助铆接(LVR)技术。通过自主搭建的电液伺服压力系统，研究人员实现了30 Hz频率、0.1 mm振幅的精准振动控制，犹如给高冷的7050铝合金铆钉施以"塑性变形催化剂"。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究表明，LVR技术不仅显著降低能耗，更使接头性能获得全方位提升，为绿色航空制造提供了新范式。

研究采用三大关键技术：基于PID控制的电液伺服振动系统实现0.1-0.3 mm振幅精准调节；高频传感器实时监测铆接力-位移曲线；电子背散射衍射(EBSD)结合显微硬度计定量分析晶粒演变。通过对比TR与LVR工艺下7075铝合金板/7050铆钉组合的性能差异，揭示了振动作用的深层机制。

铆接力与能耗
当施加30 Hz/0.1 mm振动时，铆接力峰值从TR的25.4 kN降至18.98 kN，降幅达25.27%。通过积分载荷-位移曲线发现，振动使塑性变形能降低22.28%，这得益于振动应力叠加效应降低了流动应力。

微观组织演变
EBSD分析显示，LVR处理后的铆钉头部平均晶粒尺寸从TR的8.6 μm细化至5.2 μm，小角度晶界比例提升14.3%。位错密度计算表明振动促进位错增殖，使显微硬度从136.7 HV提升至145.6 HV。

接头性能提升
X射线断层扫描显示，LVR使铆钉/板孔干涉量从TR的0.31 mm增至0.45 mm（+43.87%）。剪切试验中接头失效载荷提高6.69%，疲劳寿命在55%极限载荷下从1.2×10⁵次跃升至1.8×10⁵次。断口分析发现振动处理使韧窝尺寸均匀化，裂纹萌生位置从干涉区转移至铆钉中心。

这项研究证实，LVR技术通过振动软化(vibration softening)和摩擦降低效应，实现了"四两拨千斤"的工艺突破。其核心价值在于：首次将低频振动引入高强合金铆接，克服了超声振动的负载限制；建立的"振动参数-微观组织-宏观性能"关联模型，为工艺优化提供理论依据；相比EMR工艺，LVR在提升接头疲劳寿命47.75%的同时，避免了绝热剪切风险。这些发现不仅适用于航空铝合金结构，对钛合金、复合材料连接同样具有指导意义，标志着金属塑性加工领域向"绿色精密成形"迈出关键一步。