中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (9): 2334-2342.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.09.026
朱峰1,2(
), 余飞龙1,2, 周恩涛3, 万海浪1,2, 马运五1,2(
), 葛恩德3, 赵亦希1,2, 李永兵1,2
收稿日期:2025-08-17
出版日期:2026-09-25
发布日期:2026-10-21
通讯作者:
马运五
作者简介:朱峰,男,2000年生,硕士研究生。研究方向为复钛叠层材料的铆焊连接工艺。E-mail: f1109_zhu@sjtu.edu.cn基金资助:
ZHU Feng1,2(
), YU Feilong1,2, ZHOU Entao3, WAN Hailang1,2, MA Yunwu1,2(
), GE Ende3, ZHAO Yixi1,2, LI Yongbing1,2
Received:2025-08-17
Online:2026-09-25
Published:2026-10-21
Contact:
MA Yunwu
摘要:
针对预制孔复合材料与钛合金叠层构件,提出基于半空心铆钉的复材单层制孔摩擦铆焊(C-PDFR)工艺:驱动钛合金铆钉进入CFRP板材预制孔,铆钉高速旋转与钛合金板材相互作用,实现管状铆钉体与板材的摩擦焊连接,并通过钉帽锁紧CFRP板材,实现CFRP与钛合金的高性能连接。研究了外倾型、对称型、内倾型铆钉尖端结构对摩擦焊过程中材料流动方向、铆钉/钛板界面焊合质量的影响规律,分析了典型接头的微观组织特征、硬度分布及拉剪性能。结果表明,铆钉/钛板界面形成了细晶搅拌区,在铆钉的旋转进给作用下,细晶区形成金属飞边,并向铆钉内外侧流动。采用外倾型或对称型铆钉时,大量金属飞边流向铆钉内部,造成界面焊合质量降低。而内倾型铆钉能够有效抑制金属飞边向内部流动,进而改善界面焊合质量。外倾型铆钉获得的接头在拉剪测试中呈现低强度界面失效,而内倾型铆钉的接头呈现高强度铆钉剪切断裂,拉剪峰值力和能量吸收分别提高了137.0%和159.1%。
中图分类号:
朱峰, 余飞龙, 周恩涛, 万海浪, 马运五, 葛恩德, 赵亦希, 李永兵. 铆钉结构对CFRP/钛合金摩擦铆焊工艺及接头力学行为的影响[J]. 中国机械工程, 2026, 37(9): 2334-2342.
ZHU Feng, YU Feilong, ZHOU Entao, WAN Hailang, MA Yunwu, GE Ende, ZHAO Yixi, LI Yongbing. Effect of Rivet Structure on Friction Riveting Process and Mechanical Behavior of CFRP/Titanium Alloy Joints[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(9): 2334-2342.
| 材料牌号 | w(Ti) | w(Al) | w(V) | w(Fe) | w(Si) | w(C) | w(N) | w(H) | w(O) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TC4 | 余量 | 5.5∼6.8 | 3.5∼4.5 | 0.30 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.015 |
表1 TC4钛合金材料的化学成分(质量分数) (%)
Tab.1 The chemical composition of TC4 titanium alloy (mass fraction)
| 材料牌号 | w(Ti) | w(Al) | w(V) | w(Fe) | w(Si) | w(C) | w(N) | w(H) | w(O) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TC4 | 余量 | 5.5∼6.8 | 3.5∼4.5 | 0.30 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.015 |
| 材料 | 弹性模量/GPa | 屈服强度/MPa | 极限抗拉强度/MPa | 延伸率/% |
|---|---|---|---|---|
| CFRP-T300 | 230 | 911 | 2.0 | |
| TC4(板材) | 110 | 860 | 996 | 12.0 |
| TC4(铆钉) | 110 | 825 | 932 | 18.0 |
表2 CFRP-T300复合材料及TC4钛合金的力学性能
Tab.2 The mechanical properties of CFRP-T300 and TC4 titanium alloy
| 材料 | 弹性模量/GPa | 屈服强度/MPa | 极限抗拉强度/MPa | 延伸率/% |
|---|---|---|---|---|
| CFRP-T300 | 230 | 911 | 2.0 | |
| TC4(板材) | 110 | 860 | 996 | 12.0 |
| TC4(铆钉) | 110 | 825 | 932 | 18.0 |
| 铆钉类型 | 铆钉剩余高度 | ||
|---|---|---|---|
| 铆钉A | 5.21 mm | 4.71 mm | 4.24 mm |
| 铆钉B | 5.13 mm | 4.59 mm | 4.19 mm |
| 铆钉C | 5.10 mm | 4.55 mm | 4.17 mm |
表3 不同结构铆钉接头的铆钉剩余高度
Tab.3 The residual joint height of different riveting joints
| 铆钉类型 | 铆钉剩余高度 | ||
|---|---|---|---|
| 铆钉A | 5.21 mm | 4.71 mm | 4.24 mm |
| 铆钉B | 5.13 mm | 4.59 mm | 4.19 mm |
| 铆钉C | 5.10 mm | 4.55 mm | 4.17 mm |
| 区域 | 平均晶粒 尺寸/μm | 晶粒尺寸 中位数/μm | 小角度晶界 占比/% |
|---|---|---|---|
| Ⅰ区 | 2.30 | 1.65 | 22.9 |
| Ⅱ区 | 0.93 | 0.65 | 14.3 |
| Ⅲ区 | 2.68 | 1.48 | 65.2 |
| Ⅳ区 | 3.26 | 2.35 | 49.4 |
| Ⅴ区 | 1.07 | 0.92 | 19.0 |
| Ⅵ区 | 1.16 | 0.87 | 23.1 |
表4 不同区域的晶粒尺寸以及小角度晶界占比(铆钉B)
Tab.4 Grain size and low-angle grain boundary fraction in different regions(rivet B)
| 区域 | 平均晶粒 尺寸/μm | 晶粒尺寸 中位数/μm | 小角度晶界 占比/% |
|---|---|---|---|
| Ⅰ区 | 2.30 | 1.65 | 22.9 |
| Ⅱ区 | 0.93 | 0.65 | 14.3 |
| Ⅲ区 | 2.68 | 1.48 | 65.2 |
| Ⅳ区 | 3.26 | 2.35 | 49.4 |
| Ⅴ区 | 1.07 | 0.92 | 19.0 |
| Ⅵ区 | 1.16 | 0.87 | 23.1 |
图15 不同铆钉接头的峰值拉剪力、断口面积、拉剪强度以及断裂吸能
Fig.15 The tensile-shear peak load, fracture surface area, tensile-shear strength, and fracture energy absorption of different rivet joints
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