更轻、更快、飞机制造“减肥”去掉铆钉太难了？

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导语：一般轻型飞机上，铆钉使用量多达10 万颗，而我国具有完全自主知识产权的大飞机C919的使用量可达100多万颗，铆接工艺在现代造船业都已经基本淘汰，造车都已经大量使用激光焊接，为什么造飞机就离不铆钉？铆接技术在飞机制造业是如何进化的？

C919大飞机总装车间

一、 造飞机激光焊接是否能全面取代铆接？

自从全金属飞机诞生以来，铆钉类紧固件就是飞机上使用量最大的紧固件之一。

现代飞机制造三大连接技术，机械连接（铆接、螺接）、胶接、焊接。铆接工艺具有操作过程简单、连接质量稳定可靠、易于实现质量控制、能够适应不同材料之间的连接等优点，在民用客机的装配中得到了广泛使用，铝合金薄壁机构的飞机，铆接约占全机总连接量的80%，是民用客机装配的主要连接方式。

飞机制造为什么不能大量淘汰铆接使用更先进激光焊接？

上海飞机制造公司和哈工大联合研发机身壁板双光束激光焊接平台

激光焊接技术具有焊接速度快、施工较铆接简单的特点，激光焊接技术已主要应用于飞机大蒙皮的拼接以及蒙皮与长桁的焊接，欧洲空中客车公司生产的A340飞机机身，就采用激光焊接技术取代原有的铆接工艺，使机身的重量减轻18%左右，制造成本降低了近25%。

铆接壁板与激光焊接整体壁板工艺对比

但是激光焊接也存在固有缺点难以突破，高强铝合金等合金强化金属激光焊接因为凝固结晶易形成低熔共晶而导致焊接裂纹；激光焊接过程的小孔动态不稳定易于导致焊缝气孔等，航空工业最讲究的就是质量一致性，很难做到像铆接这样技术稳定，高性价比，所以铆接无疑依然是目前飞机特别是客机制造使用最多的连接技术。

一般轻型飞机上，铆钉使用量多达10 万颗，而我国大飞机C919的使用量可达100多万颗。铆钉在飞机上的作用就像细胞一样，遍及全身。

二、什么样的铆钉能用在飞机上？

铆钉形体虽小，但作用极大，要承受冲击、振动和变载，不少连接点要在高温或低温下工作。根据受力分析进行科学计算、结构优化后，用铆钉把“蒙皮”和框架固定，这样才能保证了整体结构的强度和刚度。

对飞机来说，结构重量很重要，这是一个比强度问题。比强度定义是单位密度的强度，也就是强度/密度。飞机上铆钉的比强度要求高达1100兆帕，相当于1平方厘米的面积上要承受10辆小轿车的重量。

飞机上的铆钉制作对尺寸一致性要求非常高，一架飞机有上百万个铆钉，生产的第一颗铆钉必须跟第一百万颗是一样的，这一点非常难。

C919国产大飞机上使用的国产铆钉直径公差要求0到0.05毫米这个公差的级别，采用内置合金钢的高硬度模具，最大程度减少因模具磨损造成的铆钉不一致。外部尺寸没有丝毫差池，同时内部质量更要求是百分百可靠。

2009年C919大飞机立项之初定下的国产化率指标只有10%，当时中国甚至没有通过适航认证的铆钉。直到2013年，国产飞机铆钉才通过了适航认证，让这最基本的部件能用在飞机制造领域。

各种新型紧固件

随着近年来，航空工业不断壮大和发展，飞机逐步扩大应用整体结构、钛合金结构和复合材料结构，对铆接连接件的品种、质量等要求大大提高，为满足铆接件的一些特殊要求，国内外研制了一些特种铆钉，如环槽铆钉、抽芯铆钉、螺纹空心铆钉、高抗剪铆钉、钛合金铆钉等铆接工艺设备。

简单、连接牢固可靠、抗震、耐冲击制造成本相对较低的铆钉在实际飞机制造工程阶段，面对设计更改、各类结构故障返工、返修以及不同客户需求的改装、用户在使用过程中产生损伤后的修复工作时，都要采用分解技术将已经铆接完成的铆钉拆除下来。

三、铆接技术的瓶颈期
“一代材料，一代飞机”是世界航空发展史的真实写照。一百多年来，材料与飞机相互依赖、相互推动发展。钛合金，复合材料，铝合金和钢是飞机机体里主要的结构材料，原来以铝合金为主，现在随着新型飞机的研发结构减重的需求在发生变化，飞机制造钛合金和复合材料用量不断创新高。

根据2017年中国科学院院士曹春晓科普讲坛演讲介绍C919大飞机的钛合金用量甚至和777相当达到10%，复合材料在12%左右，已经是比较先进了。但是和波音787还是有差距，787钛合金用量14%、50%用复合材料。军用歼击机的新型材料用量更是不断提升，歼20钛用量用到20%，复合材料29%。

C919机身材部件材料示意图

随着钛合金部件和复合材料在飞机上的应用比例逐年上升，传统的铆接工艺已经很难应对先进飞行器制造。

普通铆接方法铆接钛合金时铆钉易产生裂纹，这显然是不可取的。当然，采用热铆可以改善这一问题，但是热铆填充质量太差，接头疲劳强度低，更从根本上违背了铆接的要求。而且，对于复合材料，由于其本身性能的限制，根本不能采用热铆。

铆钉分类示意图

四、为新材料而生的电磁铆接

电磁铆接技术在铆接难成形材料及复合材料结构方面有传统铆接方法无法取代的优势。

美国和苏联在二战后相继提出了电磁铆接技术。电磁铆接和传统热铆接不同，原理是利用初级线圈和次级线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种新型铆接工艺。

电磁铆接原理图

在上世纪80年代美、苏先后研制出了手持式低压电磁铆接设备。小型化的电磁铆接设备一经问世就立刻进入当时最顶端的飞行设备生产线，B777、C-17、A340、A380、伊尔 -86/96等军民飞机都先后在关键加工部位使用电磁铆接技术替代传统热铆技术。

80年代手持式低压电磁铆接设备

到了80年代,波音公司曾将电磁铆枪装到自动钻铆机上使用。大约在1994年,波音公司开始在新型737飞机机身上使用电磁铆接技术。

我国于上世纪90年代开始进行电磁铆接技术研究，多家科研机构与高校不断加大研发投入，目前已取得一定突破，但技术水平与国外企业相比仍然有较大差距。

在国内，西北工业大学针对航空领域率先开展研发工作，近些年在电磁铆接设备及铆枪结构设计方面取得了很大进步，并开发了多款电磁铆接设备及电磁铆枪。

西北工业大学小型电磁铆枪

20 世纪 90 年代北京航空制造工程研究所引进俄罗斯电磁铆接设备用于机翼油箱铆接装配，并在此基础上研发了采用自动化脉冲变压器的电磁铆接设备。

哈尔滨工业大学针对航天制造领域需求，“十一五”和“十二五”期间研发了电磁铆接设备和铆枪样机。

福州大学在电磁铆接设备研制方面也做了大量工作，并开发了基于 PLC 控制的铆接设备及电磁铆枪。

福州大学电磁铆接设备及手持式电磁铆枪

结语：零散的部件，通过无数小小铆钉穿针引线，最后变成翱翔天空的大飞机。背后展现的是中国航空科技智慧成果的突破，中国航航天工业的科技人员们正在努力,不远的将来,随着材料技术和制造技术的革命性创新,或许可以实现飞机的无铆连接,铆接也将成为飞机的历史。

参考文献：

电磁铆接技术国内外研究进展，黄运凯 ，张旭 ，李杰 ，崔俊佳 2021；

先进战斗机歼20和歼31是怎么炼成的，曹春晓；

先进焊接技术在大飞机上的应用，上海市焊接学会；