鋁合金電磁鉚接接頭耐腐蝕特性研究 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

鋁合金電磁鉚接接頭耐腐蝕特性研究 內(nèi)容總結(jié)：

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天領(lǐng)域?qū)\載火箭的承載能力有了更大的需求 [1] 。在保證火箭框體的安全性能和可靠性能的前提下，盡可能地降低火箭框體的重量能夠提升火箭的承載和續(xù)航能力，而鋁合金結(jié)構(gòu)的使用對于火箭框體的輕量化具有重要意義。

內(nèi)容：

1. 引言

隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天領(lǐng)域?qū)\載火箭的承載能力有了更大的需求 [1]

在保證火箭框體的安全性能和可靠性能的前提下，盡可能地降低火箭框體的重量能夠提升火箭的承載和續(xù)航能力，而鋁合金結(jié)構(gòu)的使用對于火箭框體的輕量化具有重要意義

適用于火箭框體的連接方式主要有焊接，螺接和鉚接 [2]

焊接工藝連接性能好，結(jié)構(gòu)整體性好 [3] ，但是會使加工產(chǎn)品產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，操作不當(dāng)容易產(chǎn)生缺陷，而且工藝成本高 [4]

螺接拆裝方便，利于檢修，但是容易松動，可靠性較差 [5]

而鉚接連接強(qiáng)度高，可靠性好，工藝簡單 [6] ，其中電磁鉚接更有加載速率高，干涉量均勻，疲勞性能好，密封性、腐蝕性能好等優(yōu)勢 [7] [8]

對于電磁鉚接的研究已經(jīng)取得了一定成果

Cao等學(xué)者 [9] 通過實驗發(fā)現(xiàn)電磁鉚接產(chǎn)生的干涉比傳統(tǒng)鉚接工藝產(chǎn)生的干涉更加均勻，這能提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并降低工藝過程產(chǎn)生的損傷

高明輝等 [10] 研制的電磁鉚接設(shè)備鉚接過程比安裝同規(guī)格螺栓的能量利用率更高，而且易于操作，便于實現(xiàn)自動化

李光耀等 [11] 以碳纖維–鋁合金結(jié)構(gòu)為研究對象，探究了電磁鉚接接頭的剪切、拉脫性能，對比準(zhǔn)靜態(tài)壓鉚分別提高了3.9%和6.6%

現(xiàn)有的研究主要針對電磁鉚接工藝及接頭力學(xué)性能進(jìn)行了研究，而對鋁合金結(jié)構(gòu)電磁鉚接接頭的腐蝕特性研究甚少

本文以鋁合金結(jié)構(gòu)為研究對象，探究了電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和重量變化等規(guī)律

首先，將電磁鉚接試件放置在鹽霧箱中加速腐蝕

然后在不同腐蝕時間后將試件取出，進(jìn)行稱重和表面微觀觀察

最后對腐蝕后的接頭進(jìn)行剪切和疲勞測試

2. 試驗材料及方法2.1. 試件準(zhǔn)備電磁鉚接原理

圖如

圖1所示

第一階段放電開關(guān)斷開，充電開關(guān)閉合，交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)化為直流電，通過變壓器提高電壓，給電容充電儲能

充電完畢后，第二階段充電開關(guān)斷開，放電開關(guān)閉合，電容中的電能通過線圈產(chǎn)生高幅交變電流，同時形成強(qiáng)大的磁場，緊貼線圈的驅(qū)動片由此產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而生成渦流磁場

兩個磁場相互作用產(chǎn)生強(qiáng)大的斥力推動驅(qū)動片帶動沖頭沖擊鉚釘，在毫秒內(nèi)完成鉚接過程

本研究中，電磁鉚接設(shè)備采用的是美國Electroimpact公司生產(chǎn)的HH54低電壓手持式電磁鉚槍



Figure 1. Schematic of electromagnetic riveting

圖1. 電磁鉚接原理

圖

圖2為電磁鉚接搭接試件尺寸示意

圖

其中鉚釘材料為2A10鋁合金，板材材料為ZL114A鑄鋁，表面都進(jìn)行了鈍化處理

鉚釘直徑為4 mm，板料尺寸為80 mm * 40 mm * 5 mm (長*寬*厚)，搭接區(qū)長度為40 mm，預(yù)制孔位于搭接區(qū)正中心處，板邊緣20 mm處

根據(jù)QJ782-2005鉚接通用標(biāo)準(zhǔn)，孔直徑設(shè)置為4.1 mm，鉚釘釘桿外伸量為4.8 mm

為了防止拉伸過程中非對稱性彎曲，試件夾持區(qū)兩側(cè)分別裝配了與板料等厚度墊片



Figure 2. Schematic of dimensions for the riveted specimen

圖2. 鉚接件試件尺寸示意

圖2.2. 鹽霧腐蝕方法腐蝕測試采用中性鹽霧腐蝕方法，將試件放置Q-FOG/CCT1100腐蝕箱中，根據(jù)ASTM B117測試標(biāo)準(zhǔn)，鹽霧環(huán)境條件為：氯化鈉溶液溶度5%，pH值范圍在6.5~7.2，溫度35?

一共腐蝕四周時間，每周取出11個樣件，其中3個試樣做剪切試驗，3個試驗做疲勞試驗，1個試樣做腐蝕表面觀察，3個試樣做失重測試

綜上，本文研究所需樣件共計55個，其中未腐蝕樣件11個，腐蝕后樣件44個

2.3. 性能測試和微觀表征方法腐蝕后的剪切測試采用Instron 5985萬能試驗機(jī)進(jìn)行，剪切速度設(shè)置為2 mm/min

疲勞測試采用Instron 8801伺服電液疲勞試驗機(jī)進(jìn)行，測試過程中載荷曲線設(shè)置為正玄波形，頻率20 Hz，應(yīng)力比為0.1 (R = 最大應(yīng)力/最小應(yīng)力)，基于剪切測試結(jié)果，最大循環(huán)載荷設(shè)置為2363 N

另外，腐蝕后試件表面的微觀形貌表征采用VEGA3 TESCAN掃描電子顯微鏡

3. 結(jié)果及分析3.1. 力學(xué)性能衰減

圖3為電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的剪切測試結(jié)果

從

圖3(a)中可以看到，腐蝕后接頭的力–位移曲線斜率下降更快，說明接頭受到長時間腐蝕后，剛度下降

未腐蝕的電磁鉚接接頭的剪切性能明顯高于腐蝕后的，并且剪切力隨腐蝕時間的增加而減小

圖3(b)中表示接頭在腐蝕環(huán)境中最大剪切力的下降規(guī)律

從下降趨勢來看，腐蝕1，2，3和4周與未腐蝕接頭相比，最大剪切力分別下降8.5%，11.2%，11.5%和16.2%

圖4為電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的剪切失效

圖

可以看到電磁鉚接接頭，在不同腐蝕時間后的失效模式一致，均為釘桿處發(fā)生剪切斷裂

說明腐蝕環(huán)境對該鉚接接頭的剪切失效模式影響較小

另外，還可以看到在四種腐蝕時間后，搭接區(qū)域的腐蝕程度都要比非搭接區(qū)嚴(yán)重，這是因為鋁板與鋁板之間會發(fā)生間隙腐蝕和局部的電化學(xué)腐蝕 [12]

總的來說，長時間腐蝕會對接頭剪切性能造成重要影響



(a) 力–位移曲線 (b) 最大剪切力

Figure 3. Shear properties of the riveted joints at different corrosion time

圖3. 鉚接接頭不同腐蝕時間后的剪切性能



(a) 一周



(b) 二周



(c) 三周



(d) 四周

Figure 4. Shear failure of electromagnetic riveted joint at different corrosion time

圖4. 電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的剪切失效

圖表1

腐蝕時間	疲勞壽命	平均值
1周	458,209	411,046
	389,520
	385,410
2周	127,248	216,484
	325,289
	196,915
3周	125,289	144,280
	200,656
	106,895
4周	73,319	105,571
	96,586
	146,810

為不同腐蝕時間后電磁鉚接接頭疲勞測試結(jié)果

圖5為電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的平均疲勞壽命

從

圖中可以看到，電磁鉚接接頭的疲勞壽命隨著腐蝕時間的增加，逐漸下降

具體的，腐蝕1，2，3和4周與未腐蝕接頭相比，疲勞壽命分別下降13.7%，54.5%，69.7%和77.8%

圖6為電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的疲勞失效

圖

可以看到電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的失效模式幾乎一樣，均為釘桿兩板交界面處發(fā)生斷裂

并且該失效模式與剪切失效模式一致

這是因為該位置承受較大剪切載荷，是電磁鉚接接頭較為脆弱區(qū)域

Table 1. Fatigue test results of electromagnetic riveted joints at different corrosion time表1

腐蝕時間	疲勞壽命	平均值
1周	458,209	411,046
	389,520
	385,410
2周	127,248	216,484
	325,289
	196,915
3周	125,289	144,280
	200,656
	106,895
4周	73,319	105,571
	96,586
	146,810

. 不同腐蝕時間后電磁鉚接接頭疲勞測試結(jié)果



Figure 5. The average fatigue life of joints at different corrosion time

圖5. 接頭在不同腐蝕時間后的平均疲勞壽命



(a) 一周



(b) 二周



(c) 三周



(d) 四周

Figure 6. Fatigue failure of electromagnetic riveted joints at different corrosion time

圖6. 電磁鉚接接頭在不同腐蝕時間后的疲勞失效

圖3.2. 微觀演化規(guī)律

圖7為鉚接板料未經(jīng)腐蝕的原始微觀形貌，可以看到表面光滑，無缺陷

圖8為電磁鉚接試件在不同腐蝕時間后的表面觀察結(jié)果

從

圖中明顯可以看到，與未腐蝕表面相比，腐蝕后鋁板表面都發(fā)生了不同程度的侵蝕，尤其是在搭接區(qū)域產(chǎn)生了大量的白色腐蝕產(chǎn)物(三氧化二鋁或氧化鋁)

基于宏觀觀察結(jié)果，選取搭接區(qū)中腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行了微觀觀察

觀察前，先將該區(qū)域用清水沖洗，并用毛刷將表面腐蝕殘留物洗凈

從微觀觀察結(jié)果可以看到，腐蝕1~2周時間后，試件表面開始出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，并且存在大量的微小腐蝕坑，說明鋁板的氧化層已經(jīng)開始被腐蝕掉

隨著腐蝕時間的增長，鋁板表面的氧化層完全被腐蝕，腐蝕坑越來越大，在腐蝕第3周后，局部氧化層已經(jīng)脫落，開始腐蝕鋁板基體

在腐蝕第4周后，腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重，表面氧化層完全脫落

3.3. 失重分析

圖9為電磁鉚接試件在不同腐蝕時間后的重量

為了減少試件表面腐蝕產(chǎn)物對重量的影響，稱重前都用清水將試件進(jìn)行了洗刷，并用吹風(fēng)機(jī)吹干

每種類型試件均進(jìn)行了三組重復(fù)測試，

圖中重量為三個



Figure 7. The original microstructure of riveted sheet without corrosion

圖7. 鉚接板料未經(jīng)腐蝕的原始微觀形貌

(a) 一周

(b) 二周

(c) 三周

(d) 四周

Figure 8. Microstructure of electromagnetic riveted specimens at different corrosion time

圖8. 電磁鉚接試件在不同腐蝕時間后的微觀形貌試件的平均重量

可以看到，電磁鉚接試件重量隨著腐蝕時間先增加后減小

具體的，腐蝕一周后，試件重量增加明顯，這是因為在這個時期板與板之間存在大量腐蝕產(chǎn)物，并且表面氧化層還未脫落

腐蝕二周后，局部的氧化層開始脫落，并且有大量腐蝕坑產(chǎn)生，導(dǎo)致重量開始下降，該階段試件重量受到腐蝕產(chǎn)物、氧化層和腐蝕坑等共同影響

腐蝕三、四周后，試件重量進(jìn)一步下降，說明隨著腐蝕時間的增加，試件受到腐蝕更嚴(yán)重，腐蝕坑越來越大，氧化層大面積脫落

總的來說，該結(jié)果與之前的表面形貌觀察相符



Figure 9. Weight of electromagnetic riveted specimen at different corrosion time

圖9. 電磁鉚接試件在不同腐蝕時間后的重量4. 結(jié)論

1) 接頭受到長時間腐蝕后，剛度下降，剪切力–位移曲線斜率下降更快

未腐蝕電磁鉚接接頭的剪切性能明顯高于腐蝕后的，最大剪切力隨腐蝕時間的增加而減小

具體的，腐蝕1，2，3和4周與未腐蝕接頭相比，最大剪切力分別下降8.5%，11.2%，11.5%和16.2%

2) 腐蝕會對接頭的疲勞性能造成重要影響

電磁鉚接接頭的疲勞壽命隨著腐蝕時間的增加，逐漸下降

具體的，腐蝕1，2，3和4周與未腐蝕接頭相比，疲勞壽命分別下降13.7%，54.5%，69.7%和77.8%

3) 微觀觀察結(jié)果表明：腐蝕1~2周時間后，鋁板表面的氧化層已經(jīng)開始被腐蝕掉，搭接區(qū)表面開始出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，并且產(chǎn)生大量的微小腐蝕坑

隨著腐蝕時間的增長，氧化層完全被腐蝕，腐蝕坑越來越大

腐蝕第3周后，局部氧化層已經(jīng)脫落，開始腐蝕鋁板基體

腐蝕第4周后，腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重，表面氧化層完全脫落

4) 電磁鉚接試件重量隨著腐蝕時間先增加后減小

腐蝕一周后，板與板之間存在大量腐蝕產(chǎn)物，并且表面氧化層還未脫落，試件重量增加明顯

腐蝕二周后，局部的氧化層開始脫落，并且有大量腐蝕坑產(chǎn)生，導(dǎo)致重量開始下降

腐蝕三、四周后，試件受到腐蝕更嚴(yán)重，腐蝕坑越來越大，氧化層大面積脫落，試件重量進(jìn)一步下降

基金項目本課題感謝湖南省自然科學(xué)基金(2019JJ30005)、湖南省重點研發(fā)計劃(2017GK2090)的資助

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標(biāo)簽：鋁合金,電磁鉚接,鹽霧腐蝕,疲勞性能,Aluminum

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