第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接

本章涉及的内容较多，但由于这几种连接的结构设计、强度计算及工艺要求，均与各有关专业的技术规范或规程有密切的关联，因而下面只就它们的基本内容分别做一概略介绍

7-1 铆接

铆接是利用铆钉将两个或两个以上的元件（一般为板材或型材）连接在一起的一种不可拆的连接

典型结构组成：

• 铆钉（连接件）

• 板（被连接件）

• 盖板（辅助连接件）

铆接缝：

铆钉、板（、盖板）这些基本元件在构造物上所形成的连接部分的统称，简称铆缝

铆缝的种类、特性及应用

铆缝的种类：

• 按 接头情况：

  • 搭接缝

  • 单盖板对接缝

  • 双盖板对接缝

• 按 铆钉排数：

  • 单排

  • 双排

  • 多排

• 按 铆缝性能：

  • 强固铆缝

    • 以强度为基本要求

    • 飞机蒙皮与框架、起重设备的机架、建筑物的桁架等结构用

  • 紧密铆缝

    • 以紧密性为基本要求

    • 一般的流体贮存器和低压管道

  • 强密铆缝

    • 既有足够的强度，又能保证良好的紧密性

    • 蒸汽锅炉、压缩空气贮存器等承受高压器皿的铆缝

优点：工艺设备简单、抗振、耐冲击、传力均匀、牢固可靠

缺点：结构一般较为笨重、被连接件（被铆件）上由于制有钉孔，使强度受到较大的削弱、铆接时一般噪声很大

应用范围：桥梁、建筑、造船、重型机械、飞机制造

铆钉的主要类型和标准

GB/T 863.1-1986 半圆头铆钉 (粗制)

GB/T 863.2-1986 小半圆头铆钉 (粗制)

GB/T 864-1986 平锥头铆钉 (粗制)

GB/T 865-1986 沉头铆钉 (粗制)

GB/T 866-1986 半沉头铆钉 (粗制)

GB/T 867-1986 ~ GB/T 876-1986 等

按钉头形状不同：半圆头、小半圆头、平锥头、平头、扁平头、沉头、半沉头铆钉等

实心、空心、半空心

抽芯铆钉：

• 芯杆+钉套

• 装配方便、高效、牢固、抗振

• 能铆接有较强振动部位的封闭结构以及强度要求高、有良好密封性的复杂件及管件

抽芯铆钉

铆缝的受力、破坏形式及设计计算要点

铆缝的受力及破坏形式如图所示：

铆钉被剪断、板边被剪坏、钉孔接触面被压坏、板沿钉孔被拉断、板边被撕裂

强度系数 $\varphi$ ：

被铆件遭到钉孔削弱后的强度与完整时强度的比值

$$\varphi = \frac{(t-d)\delta[\sigma]}{t\delta[\sigma]} = \frac{t-d}{t} < 1$$

7-2 焊接

焊接是通过加热或加压或两者并用，且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种连接

电弧焊缝的基本形式、特性及应用实例

对接焊缝、角焊缝

焊接件常用材料及焊条

Q215、Q235

焊缝的受力及破坏形式

焊缝的强度计算

假设：应力分布均匀、不计残余应力

焊缝强度系数 $\varphi$ ：焊缝的强度与被焊件本身的强度之比

焊接件的工艺及设计注意要点

坡口

7-3 胶接

胶接及其应用

胶接是利用胶黏剂在一定条件下把预制的元件连接在一起的连接

优点：

• 可以胶接不同性质的材料，因两种性质完全不同的材料很难焊接，若采用铆接或螺纹连接又容易产生电化学腐蚀

• 可以胶接异型、复杂部件和大的薄板结构件，以避免焊接产生的热变形和铆接产生的机械变形

• 胶接是面连接，不易产生应力集中，故耐疲劳、耐蠕变性能较好

• 胶接容易实现密封、绝缘、防腐蚀，可根据要求使接头具有某些特种性能，如导电、透明、隔热等

• 胶接工艺简单，操作方便，能节约能源、降低成本、减轻劳动强度

• 胶接件外形平滑，比铆接、焊接和螺纹连接等可减轻重量（一般可轻20%左右）

缺点：

• 胶接接头抗剥离、抗弯曲及抗冲击振动性能较差

• 耐老化、耐介质（如酸、碱等）性能较差，且不稳定，多数胶黏剂的耐热性不高，使用温度有很大的局限性

• 胶接工艺的影响因素很多，难以控制，检测手段还不完善，有待改进和发展

应用范围：机床、汽车、拖拉机、造船、化工、仪表、航空、航天等

常用胶黏剂及其主要性能与选择原则

胶黏剂按使用目的分成下面三类做简单介绍

结构胶黏剂：

• 在常温下的抗剪强度一般不低于 8 MPa

• 经受一般高、低温或化学的作用不降低其性能

• 胶接件能承受较大的载荷

非结构胶黏剂：

• 在正常使用时有一定的胶接强度

• 但在受到高温或重载时，性能迅速下降

其他胶黏剂：

有特殊用途（防锈、绝缘、导电、透明、超高温、超低温、耐酸、耐碱等）的胶黏剂

胶黏剂的主要性能：

• 胶接强度：耐热性、耐介质性、耐老化性

• 固化条件：温度、压力、保持时间

• 工艺性能：涂布性、流动性、有效贮存期

• 其他特殊性能：防锈等

胶黏剂选择原则：

针对胶接件的使用要求及环境条件，从胶接强度、工作温度、固化条件等方面选取胶黏剂的品种，并兼顾产品的特殊要求（如防锈等）及工艺上的方便

胶接的基本工艺过程

胶接件胶接表面的制备

胶黏剂配置

涂胶

清理

固化

质量检验

胶接接头的结构形式、受力状况及设计要点

胶缝的抗剪切及抗拉伸性能强，抗扯离及抗剥离能力弱

胶接接头设计要点：

1. 针对胶接件的工作要求正确选择胶黏剂

2. 合理选定接头形式

3. 恰当选取工艺参数

4. 充分利用胶缝的承载特性，尽可能使胶缝承受剪切或拉伸载荷，而避免承受扯离、剥离

5. 从结构上适当采取防止剥离的措施，如加装紧固装置、在边缘采用卷边和加大胶接面积等，防止从边缘或拐角处脱缝

6. 尽量减小胶缝处的应力集中，如将胶缝处的板材端都切成斜角、或把胶黏剂和胶接件材料的膨胀系数选得很接近等

7. 当有较大的冲击、振动时，应在胶接面间增加玻璃布层等缓冲减振材料

7-4 过盈连接

过盈连接的特点及应用

过盈连接是利用零件间的配合过盈来达到连接目的。这种连接也称为干涉配合连接或紧配合连接。

优点：结构简单、对中性好、承载能力大、承受冲击性好、对轴削弱少

缺点：配合面加工精度要求高、拆装不便

过盈连接的工作原理及装配方法

将外径为 $d_B$ 的被包容件压入内径为 $d_A$ 的包容件中

装配方法：压入法、胀缩法

过盈连接装配方法

过盈连接的设计计算

假设条件：

• 连接零件中的应力处于平面应力状态（即轴向应力 $\sigma_z = 0$），应变均在弹性范围内

• 材料的弹性模量为常量

• 连接部分为两个等长的厚壁筒，配合面上的压力为均匀分布

传递载荷所需的最小径向压力 $p_{\min}$

传递轴向力 $F$

$$p_{\min} \geq \frac{F}{\pi dlf}$$

字母符号	含义
$F$	外载荷
$d$	配合公称直径
$l$	配合长度
$f$	配合面间的摩擦因数

传递扭矩 $T$

$$p_{\min} \geq \frac{2T}{\pi d^2 lf}$$

摩擦因数 $f$ 的大小与配合面状态、材料及润滑情况等因素有关，应由试验测定。参考值：查表。

承受轴向力 $F$ 和转矩 $T$ 的联合作用

$$p_{\min} \geq \frac{\sqrt{F^2 + (\frac{2T}{d})^2}}{\pi dlf}$$

过盈连接的最小有效过盈量 $\delta_{\min}$

在径向压力为 $p$ 时的过盈量为

$$\Delta = pd (\frac{C_1}{E_1} + \frac{C_2}{E_2})\times 10^3$$

过盈连接传递载荷所需要的最小过盈量应为

$$\Delta_{\min} = p_{\min}d (\frac{C_1}{E_1} + \frac{C_2}{E_2})\times 10^3$$

字母符号	含义
$\Delta$ 、$\Delta_{\min}$	过盈连接的过盈量和最小过盈量，μm
$p_{\min}$	配合面间所需的最小径向压力，MPa
$d$	配合的公称直径，mm
$E_1$ 、$E_2$	被包容件与包容件材料的弹性模量，MPa
$C_1$	被包容件的刚性系数，$C_1 = \frac{d^2 + d_1^2}{d^2 - d_1^2}-\mu_1$
$C_2$	包容件的刚度系数，$C_2 = \frac{d^2 + d_2^2}{d^2 - d_2^2}-\mu_1$
$d_1$ 、$d_2$	被包容件的内径和包容件的外径，mm
$\mu_1$ 、$\mu_2$	被包容件与包容件材料的泊松比。对于钢，$\mu$ = 0.3；铸铁$\mu$ =0.25

对于压入法装配时，在上式基础上再增加被擦去部分 $2(S_1 + S_2)$，故计算公式为

$$\delta_{\min} = \Delta_{\min} + 2(S_1 + S_2)$$

$$S_i = 1.6 Ra_i \qquad (i = 1,2)$$

字母符号	含义
$S_1$ 、$S_2$	被包容件及包容件配合表面上微观尖峰被擦去部分的高度或压平深度，μm
$Ra_1$ 、$Ra_2$	被包容件及包容件配合表面粗糙度轮廓算术平均偏差，其值随表面粗糙度而异，μm

过盈连接的强度计算

连接的强度、连接零件本身的强度

脆性材料：

对被包容件

$$p_{\max} \leq \frac{d^2 - d_1^2}{2d^2} \frac{\sigma_{B1}}{2 \sim 3}$$

对包容件

$$p_{\max} \leq \frac{d_2^2 - d^2}{d_2^2 + d^2} \frac{\sigma_{B2}}{2 \sim 3}$$

字母符号	含义
$\sigma_{B1}$	被包容件材料的压缩强度极限
$\sigma_{B2}$	包容件材料的拉伸强度极限

塑形材料：

不出现塑形变形的检验公式：

对被包容件内表层

$$p_{\max} \leq \frac{d^2 - d_1^2}{2d^2} \sigma_{S1}$$

对包容件内表层

$$p_{\max} \leq \frac{d_2^2 - d^2}{\sqrt{3d_2^4 + d^4}} \sigma_{S2}$$

字母符号	含义
$\sigma_{S1}$	被包容件材料的屈服极限
$\sigma_{S2}$	包容件材料的屈服极限

过盈连接最大压入力、压出力

最大压入力

$$F_i = f\pi dlp_{\max}$$

最大压出力

$$F_o = (1.3 \sim 1.5)F_i = (1.3 \sim 1.5)f \pi dlp_{\max}$$

包容件加热及被包容件冷却温度

$$t_2 = \frac{\delta_{\max} + \Delta_0}{\alpha_2 d \times 10^3} + t_0$$

$$t_1 = - \frac{\delta_{\max}+\Delta_0}{\alpha_1d\times10^3}+t_0$$

字母符号	含义
$\delta_{\max}$	所选得的标准配合在装配前的最大过盈量，μm
$\Delta_0$	装配时为了避免配合面相互擦伤所需的最小间隙，μm
$d$	配合的公称直径，mm
$\alpha_1$ 、$\alpha_2$	被包容件及包容件材料的线膨胀系数，查有关手册
$t_0$	装配环境的温度，℃

其中，$\Delta_0$ 通常采用同样公称直径的间隙配合 $\frac{H7}{g6}$ 的最小间隙，或从手册中查取

包容件外径胀大量及被包容件内径缩小量

包容件外径最大胀大量

$$\Delta d_{2\max} = \frac{2p_{\max}d_2d^2}{E_2(d_2^2 - d^2)}$$

被包容件内径最大缩小量

$$\Delta d_{1\max} = \frac{2p_{\max}d_1d^2}{E_1(d^2-d_1^2)}$$