更輕、更快、飛機制造“減肥”去掉鉚釘太難了？

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導語：一般輕型飛機上，鉚釘使用量多達10 萬顆，而我國具有完全自主知識產權的大飛機C919的使用量可達100多萬顆，鉚接工藝在現代造船業都已經基本淘汰，造車都已經大量使用激光焊接，為什么造飛機就離不鉚釘？鉚接技術在飛機制造業是如何進化的？

C919大飛機總裝車間

一、 造飛機激光焊接是否能全面取代鉚接？

自從全金屬飛機誕生以來，鉚釘類緊固件就是飛機上使用量最大的緊固件之一。

現代飛機制造三大連接技術，機械連接（鉚接、螺接）、膠接、焊接。鉚接工藝具有操作過程簡單、連接質量穩定可靠、易于實現質量控制、能夠適應不同材料之間的連接等優點，在民用客機的裝配中得到了廣泛使用，鋁合金薄壁機構的飛機，鉚接約占全機總連接量的80%，是民用客機裝配的主要連接方式。

飛機制造為什么不能大量淘汰鉚接使用更先進激光焊接？

上海飛機制造公司和哈工大聯合研發機身壁板雙光束激光焊接平臺

激光焊接技術具有焊接速度快、施工較鉚接簡單的特點，激光焊接技術已主要應用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接，歐洲空中客車公司生產的A340飛機機身，就采用激光焊接技術取代原有的鉚接工藝，使機身的重量減輕18%左右，制造成本降低了近25%。

鉚接壁板與激光焊接整體壁板工藝對比

但是激光焊接也存在固有缺點難以突破，高強鋁合金等合金強化金屬激光焊接因為凝固結晶易形成低熔共晶而導致焊接裂紋；激光焊接過程的小孔動態不穩定易于導致焊縫氣孔等，航空工業最講究的就是質量一致性，很難做到像鉚接這樣技術穩定，高性價比，所以鉚接無疑依然是目前飛機特別是客機制造使用最多的連接技術。

一般輕型飛機上，鉚釘使用量多達10 萬顆，而我國大飛機C919的使用量可達100多萬顆。鉚釘在飛機上的作用就像細胞一樣，遍及全身。

二、什么樣的鉚釘能用在飛機上？

鉚釘形體雖小，但作用極大，要承受沖擊、振動和變載，不少連接點要在高溫或低溫下工作。根據受力分析進行科學計算、結構優化后，用鉚釘把“蒙皮”和框架固定，這樣才能保證了整體結構的強度和剛度。

對飛機來說，結構重量很重要，這是一個比強度問題。比強度定義是單位密度的強度，也就是強度/密度。飛機上鉚釘的比強度要求高達1100兆帕，相當于1平方厘米的面積上要承受10輛小轎車的重量。

飛機上的鉚釘制作對尺寸一致性要求非常高，一架飛機有上百萬個鉚釘，生產的第一顆鉚釘必須跟第一百萬顆是一樣的，這一點非常難。

C919國產大飛機上使用的國產鉚釘直徑公差要求0到0.05毫米這個公差的級別，采用內置合金鋼的高硬度模具，最大程度減少因模具磨損造成的鉚釘不一致。外部尺寸沒有絲毫差池，同時內部質量更要求是百分百可靠。

2009年C919大飛機立項之初定下的國產化率指標只有10%，當時中國甚至沒有通過適航認證的鉚釘。直到2013年，國產飛機鉚釘才通過了適航認證，讓這最基本的部件能用在飛機制造領域。

各種新型緊固件

隨著近年來，航空工業不斷壯大和發展，飛機逐步擴大應用整體結構、鈦合金結構和復合材料結構，對鉚接連接件的品種、質量等要求大大提高，為滿足鉚接件的一些特殊要求，國內外研制了一些特種鉚釘，如環槽鉚釘、抽芯鉚釘、螺紋空心鉚釘、高抗剪鉚釘、鈦合金鉚釘等鉚接工藝設備。

簡單、連接牢固可靠、抗震、耐沖擊制造成本相對較低的鉚釘在實際飛機制造工程階段，面對設計更改、各類結構故障返工、返修以及不同客戶需求的改裝、用戶在使用過程中產生損傷后的修復工作時，都要采用分解技術將已經鉚接完成的鉚釘拆除下來。

三、鉚接技術的瓶頸期
“一代材料，一代飛機”是世界航空發展史的真實寫照。一百多年來，材料與飛機相互依賴、相互推動發展。鈦合金，復合材料，鋁合金和鋼是飛機機體里主要的結構材料，原來以鋁合金為主，現在隨著新型飛機的研發結構減重的需求在發生變化，飛機制造鈦合金和復合材料用量不斷創新高。

根據2017年中國科學院院士曹春曉科普講壇演講介紹C919大飛機的鈦合金用量甚至和777相當達到10%，復合材料在12%左右，已經是比較先進了。但是和波音787還是有差距，787鈦合金用量14%、50%用復合材料。軍用殲擊機的新型材料用量更是不斷提升，殲20鈦用量用到20%，復合材料29%。

C919機身材部件材料示意圖

隨著鈦合金部件和復合材料在飛機上的應用比例逐年上升，傳統的鉚接工藝已經很難應對先進飛行器制造。

普通鉚接方法鉚接鈦合金時鉚釘易產生裂紋，這顯然是不可取的。當然，采用熱鉚可以改善這一問題，但是熱鉚填充質量太差，接頭疲勞強度低，更從根本上違背了鉚接的要求。而且，對于復合材料，由于其本身性能的限制，根本不能采用熱鉚。

鉚釘分類示意圖

四、為新材料而生的電磁鉚接

電磁鉚接技術在鉚接難成形材料及復合材料結構方面有傳統鉚接方法無法取代的優勢。

美國和蘇聯在二戰后相繼提出了電磁鉚接技術。電磁鉚接和傳統熱鉚接不同，原理是利用初級線圈和次級線圈之間產生的渦流斥力使鉚釘發生塑性變形的一種新型鉚接工藝。

電磁鉚接原理圖

在上世紀80年代美、蘇先后研制出了手持式低壓電磁鉚接設備。小型化的電磁鉚接設備一經問世就立刻進入當時最頂端的飛行設備生產線，B777、C-17、A340、A380、伊爾 -86/96等軍民飛機都先后在關鍵加工部位使用電磁鉚接技術替代傳統熱鉚技術。

80年代手持式低壓電磁鉚接設備

到了80年代,波音公司曾將電磁鉚槍裝到自動鉆鉚機上使用。大約在1994年,波音公司開始在新型737飛機機身上使用電磁鉚接技術。

我國于上世紀90年代開始進行電磁鉚接技術研究，多家科研機構與高校不斷加大研發投入，目前已取得一定突破，但技術水平與國外企業相比仍然有較大差距。

在國內，西北工業大學針對航空領域率先開展研發工作，近些年在電磁鉚接設備及鉚槍結構設計方面取得了很大進步，并開發了多款電磁鉚接設備及電磁鉚槍。

西北工業大學小型電磁鉚槍

20 世紀 90 年代北京航空制造工程研究所引進俄羅斯電磁鉚接設備用于機翼油箱鉚接裝配，并在此基礎上研發了采用自動化脈沖變壓器的電磁鉚接設備。

哈爾濱工業大學針對航天制造領域需求，“十一五”和“十二五”期間研發了電磁鉚接設備和鉚槍樣機。

福州大學在電磁鉚接設備研制方面也做了大量工作，并開發了基于 PLC 控制的鉚接設備及電磁鉚槍。

福州大學電磁鉚接設備及手持式電磁鉚槍

結語：零散的部件，通過無數小小鉚釘穿針引線，最后變成翱翔天空的大飛機。背后展現的是中國航空科技智慧成果的突破，中國航航天工業的科技人員們正在努力,不遠的將來,隨著材料技術和制造技術的革命性創新,或許可以實現飛機的無鉚連接,鉚接也將成為飛機的歷史。

參考文獻：

電磁鉚接技術國內外研究進展，黃運凱 ，張旭 ，李杰 ，崔俊佳 2021；

先進戰斗機殲20和殲31是怎么煉成的，曹春曉；

先進焊接技術在大飛機上的應用，上海市焊接學會；