现代飞机轻量化、长寿命和高可靠的要求促使钛合金、复合材料等轻质结构材料应用比例不断提高，而钛合金和复合材料的大量应用也增加了更多钛合金铆钉的使用。钛合金属于典型的难成形材料，传统铆接方法在铆接钛合金铆钉时经常会出现镦头裂纹。为解决 TB–2 铆钉冷铆时镦头裂纹问题，歼 10 飞机制造中采用了热铆的工艺方法。在铆接过程中加热铆钉，结构材料必然受热，将对结构带来不利影响。另外，目前热铆导致的烧蚀问题一直影响着飞机表面质量，而且复合材料也不适合采用热铆工艺。采用普通铆接方法铆接钛合金铆钉时还会发生钉杆膨胀严重不均匀的现象。美国为解决 F–14 战机钛合金结构铆接时钉杆膨胀不均匀的问题，早在 20 世纪60 年代就开始了电磁铆接技术的研究（当时称为应力波铆接）[1]。相关研究表明，采用电磁铆接可以实现钉杆膨胀更均匀的干涉配合[2]。为解决 TB–2 铆钉普通铆接的镦头裂纹问题，20 世纪 80 年代末，在原航空工业部 301 研究所的资助下，西北工业大学（以下简称西工大）在国内率先开始了电磁铆接技术的研究，成功研制出固定式高压电磁铆接设备[3]。
从“九五”开始到“十三五”期间，西工大持续得到原航空工业总公司、总装备部、装备发展部等项目支持，开展电磁铆接设备研制和电磁铆接工艺研究，研制成功手持式低压电磁铆接设备，并实现工程化。目前西工大研制的电磁铆接设备在国内航空航天主机厂被广泛采用。通过对电磁铆接工艺的研究，钛合金等难成形材料铆钉的镦头裂纹问题已得到解决，同时也证明了电磁铆接能够达到理想的干涉配合铆接，提高接头疲劳寿命[4]。特别是，西工大通过复材结构电磁铆接工艺研究，解决了传统铆接工艺在铆接复材结构时的损伤问题，为复材连接提供了新的方法[5–7]。此外，西工大还利用电磁铆接设备系统研究了干涉配合紧固件的应力波安装方法[8]，为解决大干涉量、厚夹层结构、大直径干涉配合紧固件安装难题提供了全新的设备和工艺方法，使可安装干涉量和干涉配合的疲劳寿命增益大幅度提高[9]。
在电磁铆接技术应用方面，国外主要航空航天企业应用广泛，几乎所有先进飞机型号都有使用，如波音787、空客 A320 系列飞机、F–35 等，自动化电磁铆接系统被用于铆接壁板和大梁，手持式电磁铆接设备被用于铆接不开敞部位的大直径铆钉。
图 1 为美国 EI 公司为 ARJ 飞机研制的 E7000 型自动化电磁铆接系统。
图 2 为美国 EI 公司的 HH503 手持式电磁铆接系统。在国内，西工大研制的电磁铆接设备在航空航天领域也得到了较多应用，特别是在长征系列火箭制造中就采用了相关技术与设备。图 3 为国产 EMR–850 手持式电磁铆接设备。但相较而言，我国电磁铆接技术应用的广度和深度不如欧美发达国家。
1、电磁铆接技术的特点
电磁铆接是利用电容器充电然后对初级线圈放电，初级线圈感应次级线圈进而两个线圈产生涡流斥力，再通过应力波放大器对涡流斥力进行调整并传至铆钉，完成镦头成形的一种新型铆接工艺方法。和传统铆接工艺方法相比，电磁铆接力的持续时间短、加载速率高，铆钉材料的变形方式不同于传统铆接的均匀滑移变形，多呈现出绝热剪切变形的特点[10–11]。绝热剪切的变形方式在成形钛合金等难成形材料铆钉铆接时表现出明显优势。试验表明，采用电磁铆接可以实现钛合金铆钉冷成形[12]。
图 4 为测得的 EMR–1000 电磁铆接设备（陕西大工旭航电磁科技有限公司）铆接力曲线，可以看出不同电压下电磁铆接力的持续时间均在 ms级范围，远小于传统锤铆和压铆力持续时间的 s 级范围。图 5 为压铆和电磁铆接材料微观组织对比，可以看出电磁铆接的镦头中出现一条绝热剪切带，而压铆呈现出均匀滑移变形的特点。
电磁铆接的加载速率高，与锤铆时钉杆变形由镦头端逐渐向钉头端转移的特点不同，电磁铆接整个钉杆几乎同步变形，因此电磁铆接的钉杆膨胀均匀，能形成理想的干涉配合铆接，提高接头疲劳寿命长。图 6 为电磁铆接和锤铆的钉杆变形对比，可以看出电磁铆接钉杆膨胀更均匀。
在铆接复材结构时，锤铆由于多次锤击产生冲击和钉杆的不均匀膨胀，特别是在镦头端的过分膨胀往往导致复材孔壁挤压损伤。电磁铆接是冲击距离为 0 的冲击加载，对复材结构产生的冲击损伤远小于锤铆。
另外，由于钉杆呈现出比较均匀的膨胀，在镦头附近不会产生挤压损伤。
因此，对复材结构采用电磁铆接时铆接的质量更高，可以有效避免传统铆接方法对复材结构的损伤。在铆接钛合金等难成形材料铆钉时，金属材料的冷作硬化会使得风动铆枪在多次锤击铆钉时镦头材料硬化出现裂纹破坏，而电磁铆接只需一次锤击就可完成镦头成形，避免了金属的冷作硬化。另外，电磁铆接的高应变率更有利于钛合金成形。因此，电磁铆接可实现钛合金等难成形材料铆钉的冷铆。
在新型号飞机研制中，为提高接头疲劳寿命会广泛采用干涉配合连接。对于干涉配合螺接中螺栓的安装，目前主要有冷缩法和强迫安装两种方法。冷缩法是将螺栓放在-195 ℃的液态氮中，利用金属材料的热胀冷缩特点使螺栓直径缩小，然后快速将螺栓装入紧固件孔中，在螺栓从-195 ℃升温到室温的膨胀过程中，螺栓和孔形成干涉配合；强迫安装方法是用风动铆枪或液压力将螺栓强迫打入或压入孔中。对于冷缩法，根据材料的热膨胀系数可以计算出能够形成的最大干涉量，一般不超过 0.5%；而强迫安装法，一般能够安装的干涉量不超过 1%。对于金属结构，要形成明显的疲劳寿命增益，干涉量一般要大于 0.6%，而最佳干涉量要超过1%，如铝合金结构的最佳干涉量约为 3%，合金钢结构的最佳干涉量约为 1.7%。因此，传统的干涉螺栓安装方法难以满足更高疲劳寿命增益的要求。
基于电磁铆接设备的干涉配合紧固件的应力波安装方法，是解决干涉配合紧固件安装难题的有效途径[13]。
采用电磁铆接设备安装干涉配合紧固件时，电磁铆枪施加到紧固件端头上一个弹性压缩波，由于加载速率非常高，弹性压缩波是以应力波的形式传播。据应力波传播理论分析，在紧固件的自由端会形成一个反向的弹性拉伸波，将紧固件瞬间弹性“拉细”。因此，这种基于电磁铆接设备的干涉配合紧固件安装方法被称为应力波安装方法，能实现更大干涉量紧固件的安装，提高接头疲劳寿命。
图 7 为应力波安装方法和传统方法安装干涉配合紧固件的接头疲劳寿命对比。应力波安装的寿命是传统安装方法的 3 倍以上[8]。
孔的冷挤压是目前飞机制造中最有效的强化工艺方法，可以提高接头连接强度。传统芯棒直接挤压容易造成孔壁损伤；开缝衬套冷挤压工艺复杂，并且挤压过程中要消耗衬套，会大幅提高挤压成本。基于电磁加载的孔挤压强化技术，采用直接挤压的方式，不提高成本，高速动态加载能够改善孔壁残余压应力分布，提高疲劳寿命增益[14–16]。图 8 为基于电磁加载的动态孔挤压方法和传统静态孔挤压不同挤压量下疲劳寿命对比，可以看出基于电磁加载的孔冷挤压寿命明显提高。可见，基于电磁加载的孔挤压方法可以有效解决解决传统孔冷挤压存在的问题，有广阔应用前景。
2、 电磁铆接技术在我国航空
航天业应用中存在的问题电磁铆接技术已成为先进飞机制造不可缺少的一项关键技术。应用电磁铆接技术可提高接头寿命，解决复材装配难题。波音 787 复材机身装配利用电磁铆接技术铆接环槽钉[17] ；在波音 767 的生产中，利用电磁铆接技术安装了干涉配合紧固件[18]。我国开展电磁铆接技术研究已有 30 多年，航空工业西飞、陕飞、沈飞，上海航天设备制造厂，首都航天机械公司等单位均购置了电磁铆接设备，如西飞就够买了美国 EI 公司的E7000 自动化电磁铆接系统[19]。但电磁铆接技术在我国航空航天制造领域应用并不广泛，目前只在个别型号上试用，没有充分发挥出真正的优势。
一项新工艺要在产品制造中得到应用，必须有成熟的工艺规范做指导。特别是航空航天这种高端产品制造行业，新工艺不会在工艺规范未制订和发布实施前应用到产品制造中。目前，国内航天系统已有电磁铆接工艺规范——航天标准QJ20624—2016《铝合金铆钉电磁铆接工艺规范》，但这个标准只针对铝合金结构，不能满足产品制造中其他材料结构铆接需要。在航空领域，目前只有 HB/Z272—95《碳环氧树脂基复合材料构件应力波铆接工艺规范》，而这一规范制订时间较早。
电磁铆接设备和技术经过 20 多年的发展已有很大进步，新型复合材料性能也发生了一定变化，因此这一航空工艺规范已无太大参考价值和实际指导意义，必须制订新的电磁铆接工艺标准或规范。正是缺乏有效的电磁铆接工艺规范，导致电磁铆接技术在我国航空领域的应用很不理想。
通过对主要主机厂的调研发现，操作工人普遍认为电磁铆枪比风动铆枪重，使用不方便。电磁铆枪由于一次锤击完成镦头成形，单次铆接力远大于风动铆枪多次锤击的锤击力，铆接时的反作用力比较大。为减小后坐力，电磁铆枪中设计有减振系统，导致铆枪体积和重量增加，限制了电磁铆接技术的广泛应用。国内已有轻量化手持式电磁铆枪面市，如图 9所示。电磁铆接技术目前多用于结构较开敞位置，当结构条件允许时，可以采用平衡器悬挂电磁铆枪。另外，由于电磁铆枪一次锤击成形，铆枪回弹可能会造成构件损伤。试验表明，双枪电磁铆接可以提高铆接质量并解决铆枪回弹问题；采用双枪从两边同时放电加力，可以实现更均匀的钉杆膨胀，并减小铆枪的反冲力，可避免回弹[20]。国内已有相关设备研制成功，例如陕西大工旭航电磁科技有限公司推出的双枪电磁铆接设备。
3、 我国电磁铆接技术的发展方向
针对我国电磁铆接技术应用中存在的相关问题，结合我国军用飞机和大型客机在实际制造过程中的需求，提出以下主要发展方向。
3.1 开展电磁铆接技术应用研究
作为一种新的铆接工艺，电磁铆接技术的应用也非一蹴而就，有了设备未必能在产品装配中快速使用。由于产品结构千变万化，通用型电磁铆接设备在实际应用中有时无法用于不开敞结构的铆接。如某飞机弹射座椅生产中，由于座椅结构复杂，通用型电磁铆枪无法在座椅内部铆接。而枪体和顶铁一体化的铆枪，能够实现单人铆接，较好地解决了不开敞部位结构的铆接，如图 10 所示。为提高装配效率，专用工装设计很有必要。美国 EI 公司为复杂结构进行电磁铆接装配设计了多个辅助工具[21]。图 11 为针对座椅结构专门设计的立式专用铆接设备，实现了不开敞结构的高效率铆接。西工大在某型号战机进气道唇口电磁铆接工艺研究中针对唇口实际结构专门研制了拐弯顶铁，解决了铆接过程中结构干涉无法实施铆接的问题，如图12 所示。
3.2 电磁铆接工艺规范的编制
工艺规范的制订要以大量工艺试验和研究分析结果为基础。而作为用户的制造企业很难投入较多时间、精力和财力开展相关工艺试验。
因此，通过产学研合作开展具体工艺研究，联合制订电磁铆接工艺规范已成为我国电磁铆接技术推广应用的当务之急。在工艺规范的编制过程中，应重点关注以下 3 个方向：复材结构的电磁铆接工艺、干涉配合紧固件的应力波安装工艺、难成形材料铆钉的电磁铆接工艺。
3.3 新型电磁铆接设备研制
任何设备都需要不断完善，电磁铆接设备也不例外。铆枪后坐力减小和铆接能力提高是电磁铆接设备进化的主要方向。邓将华等[22] 提出一种双线圈电磁铆枪设计方案，可以提高铆接力。高明辉等[23] 研制了一种基于电磁发射技术的电磁铆枪，在铆接力提高的同时铆枪和设备电源系统的重量和体积进一步减小。自动化是现代飞机制造技术的发展趋势，其对于提高铆接质量和铆接效率有重要意义，在大型飞机装配中自动钻铆技术的应用是必然选择。西飞通过引进美国 EI 公司的 E7000 自动化电磁铆接系统，在实际生产中提升了铆接的自动化水平。然而，引进国外自动化电磁铆接系统所需的高昂费用使很多企业望而却步。半自动化电磁铆接系统能较好地协调铆接质量、效率和成本的关系，更适合我国现阶段国情。国产半自动化电磁铆接设备已研制成功并交付使用，如图 13 所示。实际上，研制国产全自动化电磁铆接系统的各个单项技术已基本成熟，如自动化送钉系统、自动化制孔系统和电磁加载系统等。
只要有相关政策支持，通过对国内相关优势企业技术整合就可以研制出具有完全自主知识产权的国产自动化电磁铆接系统。
3.4 基于电磁铆接的绿色装配
在航空企业的部件装配车间内，传统的锤铆会产生巨大噪音，最高可达 120 dB，长期的铆装工作会对操作人员的听力造成伤害。由于电磁铆接噪音持续时间较短，其连续噪音级远小于锤铆。用电磁铆接代替普通铆接可以显著改善工人劳动环境[24]，是实现绿色装配的重要途径之一。此外，在装配车间内，采用风动铆枪安装干涉配合紧固件时产生的噪音远大于一般铆钉的铆接噪音，干涉配合螺栓安装的巨大噪音已成为装配生产中亟须解决的问题。已有研究表明，采用电磁铆接安装干涉配合紧固件不但能解决安装难题，提高安装效率，还能大幅度降低安装噪音，安装紧固件时的安装噪音的连续噪音级不到风动铆枪的 60%[25]。
4 、结论与展望
在现代航空装配制造领域，采用电磁铆接技术是解决飞机装配难题的一条有效途径。利用电磁铆接能够有效避免复合材料结构的铆接损伤，可以解决大直径、高干涉量、厚夹层连接结构干涉配合紧固件安装系列难题。电磁加载的动态孔冷挤压工艺方法可以显著改善紧固件孔周残余压应力分布，有效降低应力集中，大幅度提高接头疲劳寿命增益。
目前，电磁铆接技术在我国航空航天制造领域已进入初步应用阶段，围绕电磁铆接技术应用还存在很多问题亟待研究解决。制订专业、标准、统一的电磁铆接工艺规范是实现电磁铆接技术有效应用的前提。自动化技术取代传统人工作业模式已成为必然趋势，研制国产自动化电磁铆接设备并进行技术推广应用是推动航空制造技术实现绿色装配和智能装配的必由之路。
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