铆钉

定义

铆钉的典型结构是一根带有预制钉头的光滑圆柱杆，无螺纹^[3]。安装时把钉杆穿入被连接件上预先加工的通孔，对伸出孔外的杆端施压或冲击，使其镦粗形成第二个钉头，两块板件便因两端钉头与孔壁的挤压被夹紧^[1]。以铆钉连接构件的方式称为铆接，由此形成的连接部位称为铆缝，其组成部分包括铆钉、被连接板件以及有时使用的盖板^[2]。

按铆缝承载要求可划分为三类：只要求足够强度的强固铆缝，如飞机蒙皮与框架、起重设备机架；兼顾强度与密封性的强密铆缝，如蒸汽锅炉与压缩空气储罐；以及仅以保证紧密性为目标的紧密铆缝，多用于流体储器和低压管道^[2]。铆接属于不可拆卸连接，拆卸时必须破坏连接件或被连接件，国家标准把这类连接方式与焊接、过盈连接归入同一类别^[4]。

原理

普通实心铆钉的铆接过程依靠冷态塑性变形完成。钉杆长度通常按被铆板件总厚度加 1.25 至 1.5 倍钉径选取，钉孔直径比钉杆大约 0.1 至 0.2 毫米以保证贴合；随后用铆锤、铆钉枪或铆钉压缩工具使外露杆端镦粗成头^[5]。成品镦头高度一般控制在钉径的 0.35 至 0.4 倍、直径不小于 1.4 倍钉径，才被认为成形合格^[5]。直径小于 8 毫米的铆钉一般采用不加热的冷铆，更大尺寸则采用加热后的热铆。

接头静强度校核通常假定同组铆钉受力均匀、挤压应力沿工作面均匀分布、板间无摩擦，据此分别验算被连接件因开孔而削弱后的拉伸强度、孔壁承压强度与铆钉杆的抗剪强度三方面^[2]。对单排搭接铆缝，取一个节距宽的板条计算，可得到三条上限载荷：$F_1=(t-d)\delta[\sigma]$（板件拉断）、$F_2=d\delta[\sigma]_p$（孔壁挤压）与铆钉剪切承载力，取其中最小值作为铆缝许用静载荷^[2]。

抽芯铆钉（又称盲铆钉）把变形机构做在钉芯上：钉芯穿过空心钉体，专用工具夹住钉芯向外拉，钉体末端被胀开成鼓形或翻边贴住背面板材，随后钉芯在预定载荷处断脱^[1]。这种结构只要求从一侧接触工件，因此适合封闭型材、管件和单面可达的装配场合^[6]。封闭型抽芯铆钉在钉头处把断脱的钉芯端头包住，可用于有防水要求的连接。

发展历程

金属铆接是已知最古老的金属连接方法之一，可追溯到可锻金属开始使用的年代。青铜时代埃及人已用铆钉把开槽车轮外圈的木制扇形体紧固在一起，希腊人铸造大型青铜塑像后也用铆钉拼合各部件^[7]。实心铆钉的考古实物在青铜时代遗存中即有发现，被视为最早也最可靠的紧固件之一^[1]。此后铆钉的形态与材料随工业需求变化，经历了由铜到铝、再到钢与镍合金的演进^[8]。

1916 年，英国一家飞机制造公司的 H. V. 怀特取得可单面铆接的盲铆钉专利，使只能从一侧操作的装配成为可能，抽芯铆钉由此逐步进入航空航天、办公机械与电子产品等领域的机械连接^[7][3]。20 世纪焊接与高强度螺栓连接迅速发展，铆接在一般钢结构中的用量随之下降，但在轻金属结构特别是飞机结构中仍保持主要连接方式的地位^[2]。

民用客机把铆接工艺推向极致。在波音 787、空客 A350XWB 普及复合材料之前，铝合金长期是机体主材，而其焊接性差、蒙皮厚度仅约 2 毫米，难以保证批量焊接质量，因此机体装配主要依靠铆接完成^[9]。公开报道提到 C919 用铆钉达百万颗量级、A380 超过 500 万颗^[9]。

应用

按钉头形状形成的铆钉系列各有分工：半圆头铆钉主要用于承受较大横向载荷的接头，应用面最广；平锥头铆钉因钉头肥大、耐腐蚀，多用于船壳与锅炉水箱；沉头与半沉头铆钉用于要求表面平滑、载荷不大的场合；扁平头与大扁圆头铆钉则用于薄金属板及皮革、帆布、木料等非金属材料。在飞机制造中，为减小气动阻力，蒙皮与机翼外表面普遍采用沉头铆钉，使钉头与蒙皮齐平^[10]。

工业上常用的铆接紧固件还包括环槽铆钉、铆螺母、铆螺柱、压铆螺母与密封塞等，材质涵盖碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜、钛合金和塑料；常用抽芯铆钉直径有 2.4、3.2、4.0、4.8、6.4、8、10 毫米等规格^[11]。安装工具包括手动、电动与气动铆钉枪，以及压铆机、旋铆机和自动送料铆钉枪^[11]。相关行业涉及汽车与零部件、机车、工程机械、家电、电子、建筑、能源与航空航天^[11]。

结构型铆钉与锁紧铆栓被用于严苛工况，如航空航天、汽车与商用车辆、轨道交通、机柜外壳、暖通空调设备、医疗设备和复合材料蜂窝结构，其安装后只能用专用工具拆除，可替代部分焊接接头^[12]。在汽车等薄板装配中，铆接紧固件的机械性能主要包括剪切载荷、拉力载荷、钉芯断裂载荷、钉芯拆卸力和钉头保持能力^[13]。

中国已建立较完整的铆钉标准体系，例如 GB/T 863.1—1986 规定粗制半圆头铆钉、GB/T 867—1986 规定精制半圆头铆钉，抽芯铆钉则有 GB/T 12615、GB/T 12617 等分系列标准，环槽铆钉连接副技术条件见 GB/T 36993—2018^[5][14]。

局限

铆接是不可拆卸连接，接头一旦形成，拆除就必须破坏铆钉甚至板件，因此在需要反复维护、更换零件的部位不如螺栓方便^[2][15]。与焊接相比，铆接结构通常更笨重、工序更耗人力，且要求钉孔精确对位^[15]。被连接件因开孔而削弱是固有问题，钉孔还会造成应力集中，成为疲劳裂纹的常见起点^[2][16]。

实践中的缺陷类型较固定，包括铆钉松动与断裂、镦头偏斜或开裂、钉杆弯曲、铆接力过大造成的板材压溃、孔壁损伤、板间缝隙以及接头微动磨损等，这些缺陷都会削弱承载能力与疲劳寿命^[4]。实验研究表明，孔径偏小可提高剪切与抗拉性能但易加剧应力集中，孔径加大则能缓解局部应力峰值、延长疲劳寿命，二者需在设计上权衡^[17]。

在受力方向上也存在限制：铆钉接头两端都有凸起，可承受与钉杆平行的拉伸载荷，但抗拉不如螺栓，更适合承受垂直于钉杆的剪切载荷^[1]。航空用抽芯铆钉属抗剪型紧固件，不宜用于高应力区域、喷气发动机及其邻近区域、需要液体密封的区域和承受拉力的部位^[18]。抽芯铆钉的钉芯断脱后若脱落，空心钉体承载能力也不及同尺寸实心铆钉^[10]。热铆与铆接冲击会带来噪声与热影响，被铆件过薄过软时还易变形压溃。

参见

• 螺栓 —— 带螺纹、可拆卸的紧固件，与铆钉形成永久连接与可拆连接的对照

• 焊接 —— 另一种不可拆卸连接工艺，在钢结构领域大范围取代了铆接

• 抽芯铆钉 —— 仅需单面操作的一类铆钉，常见于薄板与封闭型材装配

• 铆接 —— 以铆钉连接构件的装配工艺及其接头形式

• 紧固件 —— 铆钉所属的机械基础件大类

• 疲劳失效 —— 铆钉孔应力集中引发的主要失效形式之一