为什么飞机铆接工艺飞机的铆接工艺 _为什么

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在金属飞行器诞生的百年里，无论是齐柏林飞艇还是波音787 ，它们都用铆接工艺加固自己。
20世纪初期，喷气飞机还没诞生的时候，飞艇就是天空“扛把子” 。1916年，德国派出飞艇LZ79轰炸巴黎，死伤53人，它自己也被法国精良的空防系统打成残废。但你不知道的是，在它弱不禁风的外皮之下，有着超过550万颗铆钉保证飞艇稳定，正是有了它们， LZ79才能一路坚挺，带伤回国。
齐柏林飞艇 LZ-10
今天，咱们就来聊聊铆钉和铆接工艺，以及为什么它们不会在航空领域被焊接取代？
铆钉是一种常见的机械紧固件，它可以在不损坏连接部位的情况下拆卸或者更换接头，而且可以把工件牢牢固定住。比起咱们常见的螺母加螺栓，铆钉的优点就是不会滑丝，可靠性更强，但它是一次性用品，不像螺栓，只需要旋出螺母就可以多用几次。
在桥梁、飞机等领域，铆钉比较常见。
桥梁铆钉用钢打造，坚固耐用，对地震、洪水等自然灾害有一定抗性， “世界第一单孔拱桥”悉尼海港大桥就使用600万颗铆钉完成加固，至今已经屹立了91年。
飞机铆钉通常是用铝合金、镍合金或钛合金打造而成，常用的飞机铆钉有埋头铆钉、普通头铆钉、半圆头铆钉、平头铆钉、盲铆钉、销式铆钉等几种，它们形状不同，分工明确。
比如，半圆头和埋头铆钉就大量运用在飞机外壳的组装固定上。
除开行业协会制定相关标准以外，飞机公司自己也会制定标准，波音公司就制定了自己的铆钉标准“BACR” ，大量的规范制度，让铆钉足够保证部件稳固安全。
位于非洲奥兰治河的铆接桁架桥
当今世界最广泛的交通工具有三种，空中飞机、陆地汽车、以及海上船舶，但在它们当中，只有飞机很少使用焊接。在对焊接、铆接两种工艺作对比之前，咱们要先来了解下，它们到底是什么，具体区别又在哪里？
先讲焊接，这是一种用高温或高压方式结合金属的工艺，即使材料差异很大，一样能轻松完成连接，这种工艺成本低廉、效率极高，是世界最重要也最普遍的连接工艺之一。
中国焊接工艺最早出现在距今三千多年的殷商时期，当年也没什么特殊技巧，把两个部件要焊接的地方熔化，再把融液在一起冷却就完成了。后来也慢慢出现了打铁式锻焊、拿电弧作为热源的电弧焊，以及借助氧气完成焊接的气焊等等。
再说说铆接，这两个字拆开读就是铆钉连接，通俗地讲，铆接就是给两个薄板打孔，一侧插入铆钉，另一侧用锤击把钉尾捶扁，这个时候，两侧的凸起就把工件固定住了。平时咱们常见的剪刀、钳子、角尺，都有用到铆接工艺。
法国著名的埃菲尔铁塔，曾使用250万颗钢制铆钉，固定了一万两千多个金属部件。
以施工技术上看，铆接工艺明显比焊接更安全，不会产生高温导致金属性能发生变化，招工门槛也低很多。相对地，在动手插铆钉之前，设计师还得花很长时间对铆钉排布进行设计，之后再对组件进行打孔，准备周期比焊接长一点。
从应用上看，焊接明显比铆接更加泛用，小到工厂管道、零件设备，大到航天火箭、船舶制造，都能见到焊接的身影。而铆接就只能在使用环境变化大，耐用要求高的设备上出现。
那么，为什么焊接在飞机上就这么不耐用呢？
第一个原因是：飞机的材料不适合用焊接连接
在飞机设计师圈子里有这样一句格言， “天上一克值千金” 。在波音787出现之前，飞机制造材料以铝合金为主，这种材料软、延展性好，它还有一个最重要的优点，就是轻，低重量能让飞机飞得更高更快，装载量也大一些。
另外，铝合金蒙皮很薄，仅有几毫米厚，焊接性能也很差，使用电阻电焊会导致熔化金属飞溅，焊点表面质量低，所以只能选择搅拌摩擦焊、激光焊接等几种焊接方式，这些技术要么技术难、价格高，要么稳定性低，对量产化飞机来说肯定是不能接受的。
所以，为了保证你的安全，飞机必须越做越薄，是不是有点难以想象？
但还是那句话，凡事无绝对，总有那么一两种飞机会玩点花活。上个世纪，苏联为了对付美国SR-71侦察机，绞尽脑汁弄出了一架特制不锈钢飞机：米格25 。
1964年，美国SR-71侦察机首飞，号称“三万米高空中，速度超过三马赫” 。虽然速度快，但它的机动性极差，最大过载能力甚至不如民航客机，而制约SR-71机动性的主要原因有两个：材料以及连接工艺。
钛合金材料能够承受的最大速度就是3马赫，加上大量使用铆接，导致机身结构在高速状态下很不稳定，所以它的上限也就仅限于此。
为了拦截美国的侦察机，苏联打造了传奇飞机——米格25 ，它没有使用传统铆接工艺，而是使用点焊、自动机焊，以及电弧焊打造，总焊缝长度长达5公里，焊点超过140万个，整体结构非常牢固，最高速度同样能超过3马赫。
但是它的寿命极其短，运行150小时后就要维修，空重更是达到了15吨，比SR-71重了4倍多，而且直到退役前， 60%的米格25都是侦查型战机，截击反而成了“副业” ，盾牌变为长矛，对它来说倒也是不错的归宿。
米格-25 教练机
咱们再来讲第二个原因：可靠性
在对两个工件进行焊接后，通常会留下一条或者几条焊道，这些焊道硬度比母材更大，理论上非常坚固，但在飞机长期振动的环境下，更硬的焊道和母材振动频率会不一致，长此以往，就会加速金属疲劳，产生裂纹，最终板材断裂，飞机失事坠毁。
但如果使用铆接工艺，机翼会更加灵活，比如美国B-52轰炸机，翼展56.4米，正常情况下，机翼挥舞高度差能达到9米左右，焊接板材可承受不了这么强烈的摆动。另外，铆接即使产生裂纹，断裂现象也只会局限在一两颗铆钉附近，不会轻易扩展。
第三个原因：飞机维护
飞机使用寿命一般在十几年到二十几年不等，饱经风霜的蒙皮更是保养重点之一，如果蒙皮使用焊接，一旦发现裂纹，就得把蒙皮全部换新，维修费用大大增加。另外，在维护和检查时，常常需要拆开飞机蒙皮，但焊接是不可拆卸连接，所以每次维护飞机就必须蜕一次壳，比铆接可麻烦多了。
这三个大原因，让铆接在航空业站稳了脚跟，但在效率追求越发激烈的今天，铆接工艺仍然有被取代的风险。
焊接、螺栓出现之前，铆接工艺一直是连接工件的主要方式。
公元前3000年，埃及人就已经开始用铆钉连接木质工件，顺嘴一提，这个时候，中国工匠们已经用了两千年榫卯结构了。
直到19世纪初，木铆钉被广泛用在各种需要加固的材料上，包括木质马桶、车轮等等。后来，钢铁行业取得重大突破，以熟铁、钢、铝为主的金属铆钉开始出现，不过这个时候，螺栓和焊接更加通用，铆接只能在建筑、船舶、牛仔裤行业大显身手。
1912年，泰坦尼克号在大西洋上撞击冰山沉没，导致1523人遇难丧生，此后，铆接工艺一度被人受到质疑。
1998年，纽约时报发布了一篇科学文章，详细阐述了当年泰坦尼克号发生灾难的原因，极可能是铆钉制造不合格。你没听错，船体沉没，一千五百多人丧生，原因不是冰川带来的巨大冲击，而是几十颗劣质铆钉。
1980年代，泰坦尼克号在北大西洋深处被发现，为了探寻船只失事原因，美国海洋法医专家团队深潜近四公里，用声波穿过层层沙土，完成探测后，他们认为，泰坦尼克号的主要损坏原因是船体接缝处大幅开裂，而当年船只使用的接缝连接工艺，就是铆接。
团队成员从法国探险队那儿找来了一些泰坦尼克号的铆钉样本，并带给马里兰州国家标准与技术研究所，不久，研究所所属的冶金学家福克发布了检测结果。结果表明，部分铆钉有严重的炉渣过量现象。
重四万六千吨，全身由钢制成的泰坦尼克号，花费大约300万颗铆钉，这些铆钉的主要成分是熟铁和炉渣，之所以不用纯铁，是因为它延展性太高，容易被掰弯，以二氧化硅、氧化铝等氧化物为主的炉渣，会让纯铁更加坚固。
在1906年“中等锻铁标准”中，炉渣含量在2%左右，而美国研究所检测的泰坦尼克号铆钉，炉渣含量高达9.3% ，超过标准4倍多。高浓度的炉渣让铆钉更脆弱，也更容易断裂，是货真价实的劣质产品。劣质铆钉让船体在遭受撞击后崩裂、进水，最终导致灾难发生。
福克认为， 1908年到1914年，造船厂一直在赶工建造三艘庞然大物：泰坦尼克号、奥林匹克号和不列颠尼克号，过于紧张的工期可能会导致铆钉质量下降，但侃爷我认为，即使当时都使用优质铆钉，也可能不会改写泰坦尼克号的结局。
毕竟，一起事故是由无数巧合组成的必然结果，铆钉只是其中一环而已。
泰坦尼克号沉船
无论如何， 1918年之后，铆接工艺逐渐退出了船舶制造，但同时，另一个领域为它打开了大门，那就是飞机。
1929年，美国工程师霍华德休斯制造了第一架铆接机身双翼飞机PH ，这架划时代的飞机被美国海军选中，并以反潜搜救机身份参与了第一次世界大战。此后，飞机和铆接工艺不离不弃，成为不可多得的百年知己。
年轻时的霍华德休斯
HALL PH-3
晃眼一看，铆接工艺发展至今，顶多也就是材质和形状有一些变化，反观焊接，从最开始的熔焊，到后来电弧、激光焊等技术出现，玩得很花，实用度也在提升，就像是钉子和胶水一样，时代在变，钉子依旧是那颗圆底尖头的钉子，胶水也换了一代又一代，最终谁也替代不了谁。真是尺有所短，寸有所长，技术如此，人也一样啊。
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