铆接、胶接与焊接设计

下面我们以如图所示的单排搭接铆缝进行静 强度分析。 取图中宽度等于节距t（即垂至于受载方向 的钉距）的阴影部分进行计 算（设边距e合乎规范要 求，不会出现板边被剪 坏的破坏形式）。
1）由被铆件的拉伸强度条件得知，允许铆缝承 受的静载荷为： F1 = (t − d ) ⋅ δ ⋅ [σ ] 2）由被铆件上孔壁的挤压强度条件得知，被铆 件允许承受的压力： F2 = d ⋅ δ ⋅ [σ p ] 3）由铆钉的剪切强度条件得知，铆钉允许承受 的横向载荷为： F = πd 2 [τ ]
铆接具有工艺设备简单、抗震、耐 冲击和牢固可靠等优点，但结构一般较 为笨重，被联接件（或被铆件）上由于 制有钉孔，使强度受到较大的削弱，铆 接时一般噪声比较大，影响工人健康。 因此，目前除了桥梁、建筑、造船、重 型机械以及飞机制造等工业部门仍经常 采用外，应用已经逐渐减少，被焊接和 胶接所代替。
二、铆钉的主要类型和标准 铆钉的类型是多种多样的，而且已经标准 化（GB/T863.1-1986 ～GB/T876-1986）等。 通用机械中常用的铆钉在铆接后的形式如图所 示，它们的材料、结构和尺寸可查阅有关手册。
§11.3 胶接
一、胶接及其应用 胶接是将胶接剂涂于被联接件之间 经固化所形成的联接。这是很早就使用 的一种不可拆卸的联接，例如木工使用 的聚酯酸乙烯乳液（乳胶）粘合木质构 件。但在机械制造中采用胶接的金属构 件，还是近50年来发展起来的新型工艺 方法。
胶接的机理涉及到很多化学与物 理的因素，目前虽已经有多种理论， 但都不能作出圆满的解释，所以也是 目前各方面正在积极研究的课题之一。 随着高分子化学，特别是石油化学工 业的迅速发展，胶接的理论必将日益 完善。
2、非结构胶粘剂 、 这类胶粘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。例如聚 氨酯胶粘剂和酚醛－氯丁橡胶胶粘剂等。 3、其它胶粘剂 、 具有特殊用途（如防锈、绝缘、导电、透明、 超高温、超低温、耐酸、耐碱等）的胶粘剂。例 如环氧导电胶和环氧超低温胶粘剂等。 在机械制造中，目前较为常用的是 机械制造中， 机械制造中 目前较为常用的是结构胶粘 剂中的酚醛－缩醛－有机硅胶粘剂及环氧－酚醛 胶粘剂等。
胶粘剂的主要性能是胶接强度（耐热性、 胶粘剂的主要性能是 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）以及其它特殊性能（如防锈等。） 胶粘剂的力学性能随着胶接件材料、环境 温度、固化条件、胶层厚度、工作时间、工艺 水平等不同而不同。例如可用于胶接各种碳钢、 合金钢、铝、镁、钛等合金以及各种玻璃钢的 酚醛－缩醛－有机硅胶粘剂（牌号未204胶） 胶接30CrMnSiA钢时，在常温下剪切强度大于 22.8MPa；200ºC时，剪切强度大于15.8MPa； 300ºC时，剪切强度大于4MPa；
如图所示为焊接箱体和齿轮的示例
二、焊接件常用材料及焊条 焊接的金属结构常用材料为Q215、 Q235、Q255；焊接的零件则用Q275、 15 ～ 50 碳 钢 ， 以 及 50Mn 、 50Mn2 、 50SiMn2等合金钢。在焊接中，广泛使 用各种型材、板材及管材。
焊条的种类很多，应针对具体要求从 手册中选取。常用的焊条型号 常用的焊条型号为E4301、 常用的焊条型号 E4303、E5001、E5003等。型号中的数字， 前两位表示熔敷金属的最低抗拉强度极 限（如43表示σB ≥ 43kgf/mm2 ≈420MPa）， 第三位数字“0”或“1”表示适用于各种各 种位置的焊接（平焊、立焊、仰焊、横 焊），第四位数字表示药皮类型及焊接 电源，第三、四两位组合时，01表示钛 铁矿型，03表示钛钙型，二者的电源均 为交流或直流正反接。
2、填角焊缝 、 搭接接头和T型接头中的焊缝称填角焊缝， 它用来联接不在同一平面内的构件。
在搭接接头中（如图所示），与载荷方向垂直的填 角焊缝称为端焊缝（图a）；与载荷方向平行的焊缝称 为侧焊缝（图b）；与载荷方向既不平行又不垂直的填 角焊缝称为斜焊缝（图c）；一个接头采用两种以上形 式的填角焊缝称为组合焊缝。搭接接头工作时，应力分 布不均匀，疲劳强度较低。
四、焊接件的工艺及设计注意要点 为了保证焊接质量，避免夹渣、未焊透 和缺焊等现象（如图所示），焊缝应按被焊件 的厚度开出相应的坡口形式，或者进行一般的 倒棱修边工艺。在焊接前，应对坡口进行清洗 整理。
常见的坡口形式如图所示
熔化的金属冷却时要收缩，因此使焊缝 内产生残余应力，导致构件的翘曲。这不仅使 焊接件难以获得精确的尺寸，且将影响到焊缝 的强度。所以在满足强度条件的情况下，焊缝 的长度应按实际结构尽可能取得短一些和分段 进行焊接，并避免焊缝交叉；还应在焊接工艺 上采取措施，使构件在冷却时能有微小自由移 动的可能；焊后经热处理（退火），以消除内 应力。此外，在焊接厚度不同的对接板时，应 将较厚的板件沿对接部位平滑輾薄或削薄到较 薄板件的厚度，以利于焊缝金属均匀熔化和承 载时的力流得以平滑过渡。
应该指出：在进行受力分析时，我们均假定 均假定1)一组 均假定 铆钉中的各个铆钉受力均等；2）危险截面上的拉应力 或切应力，工作面上的挤压应力都是均匀分布的；3） 被铆件贴合面上无摩擦力；4）铆缝不受弯矩作用。但 实际上，在弹性范围内，不论是沿受力方向的一列铆钉 中的切应力，或是一个铆钉或孔壁间的挤压应力，或是 一个被铆接件在钉孔附近各个截面上的拉应力，都不是 均匀分布的。不过，在达到塑性变形时，上述的假定基 本上是可以成立的。故此，可以直接按照材料力学的基 本公式进行强度校核。需要注意的是 需要注意的是：所用的许用应力 需要注意的是 必须根据有关专业的技术规范或规程选取。 铆缝的强度经过校核合格后，还应根据技术规范 对铆接工艺提出相应的要求。
三、特点 与铆接相比较，焊接具有强度高、 工艺简单，由于联接而增加的质量小， 工人劳动条件较好等优点，所以应哟功 能日益广泛，新的焊接方法发展也很迅 速。另外，以焊接代替铸造可以节约大 量的金属，也便于制成不同材料的组合 体而节约贵重或稀有金属。在技术革新、 单件生产、新产品试制等情况下，采用 焊接制造箱体、机架等，经济性较好。
三、铆缝 的受力及 破坏形式、 破坏形式、 设计计算 要点 铆缝 的受力及 破坏形式 如图所示。
设计铆缝时，通常根据承载情况 及具体要求，按照有关专业的技术规 范或规程，选出合适的铆缝类型及铆 钉规格，进行铆缝的结构设计（如按 照铆缝形式及有关要求布置铆钉等）， 然后分析铆缝受力时可能的破坏形式， 并进行必要的的种类、 铆缝的结构型式有很多，就接头情况 看有图所示的搭接缝（图a）、单盖板对 接缝（图b）和双盖板对接缝（图c）； 从铆钉排数看有单排、双排和多排之分。
如果按铆缝性能的不同又可以分为三 种：以强度为基本要求的铆缝称为强固铆 强固铆 缝，如飞机蒙皮与框架、起重设备的机架、 建筑物的桁架等结构用的铆缝；不但要求 具有足够强度，而且要求保证良好的紧密 性的铆缝称为强密铆缝 强密铆缝，如蒸汽锅炉、压 强密铆缝 缩空气贮存器等承受高压器皿的铆缝；仅 紧密铆缝， 以紧密性为基本要求的铆缝称为紧密铆缝 紧密铆缝 多用于一般的流体贮存器和低压管道上。
在设计焊接件时，应注意 在设计焊接件时，应注意恰当选 取母体材料及焊条；根据被焊件的厚 度选择接头及坡口形式；合理布置焊 缝及焊缝长度；正确安排焊接工艺， 以免施工不便及残余应力源。对于有 强度要求的重要焊缝，必须按照有关 行业的强度规范进行焊缝尺寸的校核， 同时还应规定一定技术水平的焊工进 行焊接，并在焊后仔细进行质量检验。
三、焊缝的强度计算 对接焊缝主要用来承受作用于被 焊件所在平面内的拉（压）力或弯矩， 其正常的破坏形式是沿焊缝断裂。端 焊缝通常只用来承受拉力。侧焊缝和 组合焊缝可用来承受拉力和弯矩。填 角焊缝往往由于剪切而破坏。
焊缝强度的计算，通常都是在假定应力均 匀分布，且不计参与应力的条件下进行简化 计算，并根据实验来去定其许用应力。这样 作的原因是：1）焊接件受载时，焊缝附近的 应力分布十分复杂，应力集中及内应力很难 准确决定。作这样条件性计算可以使计算大 为简化；2）被焊件及焊缝本身多为塑性较大 的材料，对应力集中不太敏感；3）在设计及 制造时，可采取各种措施保证应力集中和内 应力不致过大。 常用的焊缝受载情况和强度计算公式可以 参阅教材，在需要的时候可以查阅相关手册。
第十一章 铆接、 铆接、焊接与胶接设计
教学目标
1、掌握铆接的进本形式及设计要点， 了解影响铆接强度的因素； 2、掌握电弧焊缝的基本形式及强度计 算，了解影响焊缝强度的因素； 3、掌握胶接街头的基本形式及结构， 了解常用的胶粘剂。
§11.1 铆接
铆接是一种很早就开始使用的简单机械联 接方式，其典型的结构如图所示。它们主要是 由联接件铆钉1和被联接件2、3所组成，有的还 有辅助联接件盖板4。这些基本元件在构造上所 形成的联接部分统称为铆接缝（简称铆缝）。
三、胶接的基本工艺过程 1、胶接件胶接表面的制备 、 胶接表面一般需经过除油处理、机械处理 及化学处理，以便清除表卖弄油污及氧化层， 改造表面粗糙度，使其达到最佳胶接表面状态。 表面粗糙度一般应为3.2～1.6，过高或过低都 会降低胶接的强度。 2、胶粘剂配制 、 因大多数胶粘剂是“多组分”的，在使用 前应按规定的程序及正确的配方比例妥善配置。
目前，胶接在机床、汽车、拖拉 机、造船、化工、仪表、航空、航天 等各个工业部门中的应用日渐广泛， 如图所示。
二、常用胶粘剂及其主要性能与选择原则 胶粘剂的品种繁多，可以从不同的角度化分 为很多类别。现在我们仅按使用目的分为以下 三类作简单介绍。 1、结构胶粘剂 、 这类胶粘剂在常温下的抗剪强度一般不低于 8MPa，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。例如酚醛 －缩醛－有机硅胶粘剂、环氧－酚醛树脂胶粘 剂和环氧－有机硅胶粘剂等。
电阻焊：是利用大的低压电流通过被焊接件时，在电阻 电阻焊 最大的接头处（被焊接部位）引起强烈发热，使金属局 部融化，同时机械机械加压而形成的联接。 电弧焊：是利用电焊机的低压电流，通过电焊条（为一 电弧焊 个电极）与被焊件（为另一电极）间形成的电路，在两 极间引起电弧来熔融被焊接部分的金属和焊条，使熔融 的金属混合并填充接缝而形成的（如图）。 其中电弧焊操 作简便、联接质量 好，使用范围广。 我们主要介绍有关 电弧焊的基本知识。