《机械设计》-第五章 焊接、铆接和粘接

第一节焊接焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使两个分离的金属物体(同种金属或异种金属)产生原子(分子)间结合而连成一体的连接方法。根据实现金属原子或分子间结合的方式不同，焊接可分为熔焊、压焊和钎焊三大类，具体分类如图5一1所示。熔焊是将被焊接的结合部位加热达熔化状态(通常加入充填金属，如焊条或焊丝等)，不加压力而互相熔合，冷却凝固后形成牢固的接头。压焊是对两被焊件施加压力(或同时加热)，使两结合部位紧密接触产生结合作用，形成分子或原子间的结合而连成一体。钎焊与熔焊相似，却有着本质的区别，它是采用比被焊件熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点却低于被焊件熔点的温度，利用液态钎料润湿被焊件，填充接头间隙，与被焊件相互扩散，冷凝后连成一体实现连接焊件的方法。下一页返回第一节焊接焊接具有强度高、容易保证紧密性、工艺简单、操作简便、重量轻等优点。焊接还可以采用型材、铸件、锻件拼焊成形状复杂的零件，可以节省金属，简化制造工艺，降低成本，尤其适合单件或小批量生产的机械零件制造，从而得到广泛应用。其应用实例见图5一2。一、焊接接头和焊缝的基本形式被焊件的结合部位称为接头，按被焊件的相互位置，常见的接头有四种形式:对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头，如图5一3所示。焊接时形成的接缝称为焊缝。焊缝有三种:对接焊缝、角焊缝和塞焊缝。对接焊缝常用于对接接头，连接同一平面内的被焊件，焊缝传力较均匀;角焊缝常用于搭接接头、角接接头和T形接头，连接不同平面内的被焊件;而塞焊缝一般只用作辅助焊缝以弥补主焊缝强度的不足或用来使被焊件互相贴紧，如图5一3所示。上一页下一页返回第一节焊接当被焊件较厚时，为了保证焊透，在焊接处应预制出坡口(图5-4)。一般情况下，被焊件越厚，坡口开度越大。1.对接焊缝由于能构成被焊件的平缓结合，对接焊缝是最合理和最主要的焊缝。对接接头处的坡口形状可参见图5-4。如果焊接处较薄而不便预制坡口时，要从正反两面进行焊接(双面焊或补焊)。埋弧自动焊接有较大的熔深，因此比手工焊接所开坡口要小。焊缝的形成主要靠母体金属的熔化，焊丝只占熔积金属的40%左右。如果只从一面焊接而不补焊，则为了防止熔化金属流失而造成缺焊，在反面要加金属或非金属材料的垫板。手工焊缝的形成主要依靠焊条的熔化。上一页下一页返回第一节焊接2.角焊缝角焊缝如图5-5所示。垂直于载荷方向的称为端焊缝;平行于载荷方向的称为侧焊缝;既不平行又不垂直的称为斜焊缝;同一接头不止一种焊缝时，称为组合焊缝。角焊缝的截面形状通常是等腰三角形(图5一6(a))，其腰长K称为焊脚或焊缝厚度。在大多数情况下，K等于被焊件厚度δ，但也可略小于δ。对于传力的焊缝，K的最小值是3mm。为形成较平缓的结合以减小应力集中，在变应力下工作的端焊缝，其截面可以做成凹面三角形或沿载荷方向一边较长的非等腰三角形。凹面三角形需经机械加工，故应用不如非等腰三角形的广泛(图5一6(b)、(C))。上一页下一页返回第一节焊接二、影响焊缝强度的因素和焊缝的结构设计影响焊缝强度的主要因素是:①焊接材料;②焊接工艺;③焊缝结构。焊缝的熔积金属中既有焊条成分又有母体金属的成分，因此焊缝强度取决于这二者材料的强度。焊接工艺对焊缝强度有着重大的影响。不适当的焊接顺序将会在焊缝中引起极大的内应力，收缩时造成焊件过大的残余变形，甚至在未受载荷时就使焊缝破裂。不正确的焊接工艺还会造成未焊透、夹渣及咬边等焊缝缺陷(图5一7)，这些缺陷将使焊缝强度降低，在交变应力下尤为突出。焊缝的结构影响焊缝中载荷和应力的分布。合理的结构应使焊缝处所受的载荷尽可能小，并使载荷在焊缝处的分布比较均匀，应能降低焊接内应力，使工艺及操作简单。受变应力的焊缝结构应注意减少应力集中源。现将焊缝结构设计时应注意的一些事项列于表5一1。上一页下一页返回第一节焊接采用焊接结构时要注意:(1)材料的可焊性。一般含碳量低于0.25%的碳钢，含碳量低于0.20%的低碳合金钢，可焊性良好。高碳钢或类似的合金钢可焊性差，铸铁的可焊性更差，需要特殊的焊条和焊接方法。(2)焊接中产生的焊接应力常常导致产生裂纹和变形，对结构的强度和配合形状带来不利影响。所以对重要的焊接结构，尤其是对可焊性差，塑性韧性也较差的钢材进行焊接后，应进行热处理(如回火)，以消除残余应力。(3)设计重要的焊接接头时，还应考虑焊后便于探伤。例如化工设备中的高压容器往往需要100%的探伤，以确保设备及人身的安全。上一页下一页返回第一节焊接三、焊缝强度的计算焊缝附近的应力很复杂，应力集中和内应力很难准确确定，因此焊缝强度的计算通常是在假设应力为均匀分布且不计残余内应力的条件下进行的简化计算。其许用应力值则根据实验确定。现将常用焊缝强度的计算公式列于表5一2中，焊缝静强度的许用应力值列于表5一3中，以供参考。上一页返回第二节铆接一、铆钉的主要类型铆钉有空心和实心两种。空心铆钉用于受力较小的薄板或非金属零件的连接上。钢制实心铆钉按其钉头形状有多种类型，并已标准化。铆钉所用材料应具有高的塑性和不可淬性，钢铆钉常用Q215,Q235等低碳钢制成。在要求高强度时，也可使用低碳合金钢。铆钉也可用其他塑性金属制成，如铜、铝等。但铆钉材料应和被铆件材料相同，以避免由于线膨胀系数不同而使铆缝恶化，并避免产生电化学腐蚀。常见铆钉铆接后的形式见图5一8。下一页返回第二节铆接二、铆缝的基本形式铆钉与被连接件，有时还与辅助连接件(搭板)一起形成铆缝。根据工作要求，铆缝可分为三种:以强度为基本要求的铆缝称为强固铆缝，如起重设备的机架、建筑物金属析架中的铆缝;既要求有足够的强度，还要求具有良好紧密性的铆缝称为强密铆缝，如锅炉、高压容器中的铆缝;仅以紧密性为基本要求的铆缝称为紧密铆缝，如水箱及一般低压容器中的铆缝。本节仅讨论强固铆缝。根据接头形式，铆缝有搭接、单搭板对接、双搭板对接三种类型;根据铆钉排数，又有单排、双排与多排之分，如图5一9所示。实践证明，铆钉排数超过三排，再增加排数只能稍微改善铆缝的强度。因此，在实用上，平行于载荷方向上的铆钉个数不超过6个。多排铆钉通常按交错排列，以使铆缝加载较为均匀并便于铆接操作。上一页下一页返回第二节铆接三、铆缝的受力及损坏形式铆钉用棒料在锻压机上制成，一端有预制头。把铆钉插入被铆件孔内，利用端模制出另一端的铆成头(图5一10)，这个过程称为铆合。铆合可用人力、气力或液力(用气铆枪或铆钉枪)。当实心钢铆钉的直径大于12mm时，铆合时通常要把铆钉全部或局部加热，称为热铆。热铆是铆钉在红热时铆合，冷却后由于钉杆的纵向收缩，把被铆件压紧;由于钉杆的横向收缩，在钉杆与孔壁间产生少许间隙。被铆件被铆钉头压紧，横向载荷就靠相伴而生的摩擦力来传递。当横向载荷超过铆缝中可能产生的最大摩擦力时，被铆件发生相对滑移，而钉杆两侧将分别与两被铆件的孔壁接触，于是有一部分载荷将通过杆孔互压来传递。如果载荷继续增大并超过一定限度，将使铆缝损坏。主要的损坏形式有:铆钉被剪断;接触面被挤压坏;被铆件沿钉孔被拉断;板边被剪坏(图5一11)。上一页下一页返回第二节铆接四、铆缝的设计设计铆缝时，通常是根据具体的工作要求及受载情况，参照有关专业的技术规范，选择合适的铆缝形式、被铆件的尺寸、铆钉的直径和数量，然后根据其受力时可能的损坏形式按材料力学的基本公式进行强度校核。校核时所用的许用应力也必须从有关专业的技术规范中选取。如图5一12所示，铆钉直径叭铆钉之间的距离t和被铆件厚度δ，不同形式的铆缝，可以得出不同的d、t和δ三者之间的关系式。以图5一12所示单排搭接铆缝为例进行强度分析。由被铆件的拉伸强度条件，得到这条铆缝所能传递的载荷为由被铆件孔壁的挤压强度条件，得这条铆缝所能传递的载荷为上一页下一页返回第二节铆接由铆钉的剪切强度条件，得这条铆缝所能传递的载荷为用强度系数求被铆件的截面尺寸比较方便。一般情况下被铆件厚度已定，很容易求出两被铆件的搭接宽度。如果构件受拉，则铆接结构设计中应注意的一些事项列于表5-4。上一页返回第三节粘接粘接是使用胶豁剂将被粘件连接在一起的方法，也是一种不可拆连接。粘接技术在非金属材料粘接中使用的历史比较长，如木工利用鳃胶豁合木材。但在机械制造业中采用粘接金属构件，还是近几十年来发展起来的。图5一13是金属粘接的应用示例。一、粘接接头粘接接头的基本形式是对接、搭接和正交，其典型结构见图5一14，其选用与被粘接件的结构形式及载荷情况有关。设计粘接接头时应注意以下几点:(1)尽可能使胶层受剪或受压。受拉易于发生扯开或剥离破坏。必要时应采取一些保护措施(参见图5一15)。(2)尽量使胶层应力分布均匀。以搭接接头为例，若搭接长度过长，应力分布越不均匀，两侧最大切应力τmax与平均切应力τm之比越大，见图5一16。下一页返回第三节粘接(3)胶层厚度为0.1~0.2mm时，胶层强度最高。(4)因胶层强度一般都低于被粘金属的强度，故粘接面积宜取大些，以利于金属强度的充分利用。二、胶豁剂胶豁剂的品种很多，基本组合成分有环氧树脂、酚醛树脂、环氧树脂一酚醛树脂、聚酞胺、聚酞胺一环氧树脂、丙烯酸醋树脂、氰基丙烯酸酉旨、聚酞亚胺等。胶豁剂有单组分和双组分之分。双组分是指树脂和固化剂，在施工前两者须调和后再使用。按固化温度不同，有在室温下或较高温度(例如600C)下固化的胶豁剂和只能在高温下(例如2000C)固化的胶豁剂。后者的粘接强度高于前者。在机械制造行业中，还应用无机胶豁剂，如经特殊处理的磷酸氢氧化铝溶液与特制氧化铜粉调和成的胶豁剂等。上一页下一页返回第三节粘接胶豁剂的生产已商品化，由生产单位提供商品名称、使用指标、工艺条件、适用场合、特点等。选用时，需考虑被粘接的材料(如金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属等)、对粘接强度的要求、固化温度等。一般宜选用固化后韧性比被粘接件高、线膨胀系数与被粘接件相接近的胶豁剂，以便减轻温度变化对胶层应力分布不均匀的影响(此外，两被粘接件的线膨胀系数如果不同，胶层却有协调温度变化时两被粘接件变形的作用，从而改善整个接头的受力情况)。对于受冲击、振动的接头，应选用固化后弹性模量小的胶，以利用其柔性减振;必要时，还可在胶层中添加玻璃布等缓冲材料。粘接前应对表面进行预处理，做到没有脂、油、氧化皮或其他残留物。机械处理方法有刮削、车削、砂布打磨、喷砂等。化学处理方法有用有机溶剂脱脂、酸洗、浸蚀等。表面粗糙的、经阳极氧化处理的(轻金属)粘接件，粘接强度更高。例如被粘接件为钢，经酸处理的比用蒸汽脱脂的可提高强度约50%。上一页返回图5一1焊接方法分类返回图5一2焊接的应用实例返回图5一3常见接头和焊缝形式返回图5一4预制坡口的形状返回图5一5搭接接头角焊缝的形式返回图5一6角焊缝的剖面形状返回图5一7焊缝的缺陷返回表5-1焊缝结构设计中应注意的事项返回表5-1焊缝结构设计中应注意的事项返回表5-1焊缝结构设计中应注意的事项返回表5-2