连接成形基础概述

工业设计工程基础

第八章连接成形基础目录8.1连接成形概述8.2焊接成形工艺8.3粘接成形工艺8.4其他连接工艺8.1连接成形概述在现代工业生产或日常生活中，都少不了要把预先设计好的由各种材料制造的零部件或裁制的片块通过各种连接方法将其组合固定起来而成为所需要的制品，包括火箭、导弹、飞机、汽车、机器、仪器、建筑、服装、家具、家电、日常生活用品以及包装等极其广阔的领域。连接方法有：焊接、铆接、螺纹连接、榫接、钉接、缝合、镶嵌、粘接、纺织、编织等。这些方法各有特点，各有适用范围，也各有一定的科学依据，都各自在国民经济建设中发挥重要作用，但是各种连接方法在实用上都有一定的局限性。各种连接方法的特点及应用连接方法适用范围科学依据及连接形式特点局限性焊接铁、铜、铝及其合金，塑料板、片氧乙炔焰、电弧、热风加热材料及焊条熔融焊合，焊缝呈线条状焊缝强度高，工作效率高，工艺简单耗能高，限于焊接同类材料不能迭层面间焊接，金属焊缝界面有电化学腐蚀粘接金属、无机、高分子等各种材料利用分子作用物理力及化学力，可连接成点、线、面任何形状强度随需要可高可低，可连接同种与不同种材料，不同厚度材料，点、线、面不规则形状连接，无电化学腐蚀，有密封效果耐高温、耐老化略差，无损检测较复杂螺栓连接各种金属板片，各种金属部件装配螺钉穿过光孔或旋入螺纹孔，螺帽旋紧固定，螺栓点阵排列可反复拆卸装配，不受金属品种、材料厚度限制孔口有内应力，不能密封，接触面有电化学腐蚀，受长期振动会松动脱落引言INTRODUCTION

连接成形是工业设计中产品成型的重要方法之一，也是产品的加法成型手段之一。通过各种连接方法和技术的学习，可以采用组合的方法，快速实现产品的设计。各种连接方法的特点及应用连接方法适用范围科学依据及连接形式特点局限性过盈配合各种金属件热胀冷缩原理，构件呈楔状或插套状强度高，可连接不同金属加工精度要求高，装配时耗时，有电化学腐蚀榫头木材制品，家具公差配合与摩擦阻力固定，按设计形状可线状、面状、立体连接加工精度高，木材干燥可能松动钉接木材及仿木制品，家具靠钉子埋入或嵌合（螺钉）摩擦阻力，点线排列施工方便、快捷，可拆卸强度可靠性不高镶嵌金属、木制品，工艺品靠几何形状埋入固定，按设计形状适合同种与不同材质连接加工效率低，强度不高，金属有电化学腐蚀缝合同种或不同纺织品，皮革、无纺布线缝绞合，呈线状适用于各种纺织品，效率高，较牢固只限于纺织品，不能大面积平面结合编织各种纤维纱线经纬纱纺织或编织、抱合，可制成各种平面形状可编织花纹、艺术品效率高只限于柔性纱线，材料有弹性，易变形连接成形分类动连接：产品各个部分有相对运动的连接，如各种运动副；静连接：被连接零件间不允许产生相对运动。可拆连接：不需毁坏连接中的任意零件就可拆开的连接，允许多次重复拆装，主要有螺纹连接、键连接、销连接、弹性卡接等；不可拆连接：至少毁坏连接中的某一部分才能拆开的连接，如焊接、粘接、铆接连接等。工业设计的连接不同于单纯工程技术设计的连接，它包含了审美因素。工程技术连接：从科学技术的角度去解决零件与零件、零件与部件、部件与部件内在的机械连接关系，实现产品的实用功能要求；工业设计连接：集中体现人们的新生活方式的需求，更多地反映产品的外观质量和视觉的艺术感觉，其连接以焊接和粘接较多。焊接是应用最广泛的金属不可拆卸连接方法。焊接：是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，借助金属原子间的结合与扩散，使分离的金属材料牢固连接在一起。8.2焊接成形工艺焊接的主要特点：

（1）节省材料，减轻质量；（2）简化复杂零件和大型零件的制造；（3）适应性好；可实现特殊结构的生产；（4）满足特殊连接要求；可实现不同材料间的连接成型；（5）降低劳动强度，改善劳动条件。焊接方法的应用：

（1）制造金属结构件；（2）制造机器零件和工具；（3）修复。焊接在机器零件中的应用由于焊接具有强度高、工艺简单、因联接而增加的质量小等特点，焊接技术的应用日益广泛。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，一般比较经济。随着焊接技术的发展，许多零件已改变了它们的传统制造方法。一向是铸造出的机座、机壳、大齿轮等零件，已有很大一部分改用了焊接。焊接齿轮桥梁建造汽车制造舰船制造焊接方法分类金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性内容：（1）工艺焊接性，是指焊接接头产生缺陷的倾向，尤其是出现各种裂缝的可能性；（2）使用焊接性，是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能（如耐热、耐蚀性能等）。焊接性概念工件2与铆接相比较，焊接结构重量轻，节约金属材料，施工方便，生产率高，易实现自动化，且焊接结构的成本低，应用很广。

在机械制造中最常用的是电弧焊。电弧焊是利用焊条与焊件间产生电弧热将金属加热并熔化的焊接方法。接焊接发电机工件1焊枪、焊条搭铁利用电焊机的低压电流，通过点焊条与被焊件之间形成的电路，在两极间引起电弧，融化被焊部分的金属和焊条，使熔融的金属混合并填充解缝面而形成焊缝。8.2.1电弧焊焊接电弧是在电极与工件之间的气体介质中长时间的放电现象。电焊机不同，阳极区、阴极区的温度分布不同。8.2.1.1焊接电弧直流弧焊机，由于阳极和阴极上有差异，所以有正接和反接两种接线方法。焊条电弧焊只有65%~85%的热量用于加热和熔化金属。直流电源时的正接与反接电弧焊缝的基本形式焊缝——焊接件经焊接后形成的结合部分。电弧焊常见的焊缝形式：角焊缝——两被焊件不在同一平面内；对接焊缝——两被焊件在同一平面内；工件2工件1正接角焊缝搭接角焊缝榫头式单面式双面式V型焊缝封底焊缝对接角焊缝卷边焊缝塞焊缝焊缝8.2.1.2焊接接头的组织与性能在机械制造中，最常用的被焊件材料是低碳钢和低合金钢(如Q215、Q235、15、20、16Mn等)。焊条的材料最好与被焊件的材料相同。焊接件常用材料1—

焊缝宽度；2—热影响区；A—熔合区；2-1—过热区；2-2—完全重结晶区（正火区）；2-3—部分重结晶区（部分相变区）；2-4—再结晶区；2-5—时效区；3—母材组织低碳钢焊接接头的组成焊接接头熔池温度分布焊接接头的组织与性能（1）焊缝 由于焊接熔池小，冷却快，焊缝组织的晶粒有所细小。渗合金的作用－焊缝金属的性能可能不低于母材。焊缝结晶是从低部的半熔化区开始逐渐进行，各个方向的冷却速度不同，因此形成柱状晶。低熔点的硫、磷和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，这会影响到焊缝的力学性能。（2）热影响区焊接热影响区是指焊缝附近因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。低碳钢的热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

1）熔合区（半溶化区）熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属成为过热粗晶。虽然该区很窄，但因其强度、塑性和韧性都下降，并且是应力集中处，所以是焊接接头性能最薄弱的区域。2）过热区奥氏体晶粒急剧长大的区域。该区材料较母材的塑性及韧性降低。3）正火区加热时金属发生再结晶，冷却后得到均匀细小的组织(F+P)，力学性能优于母材。4）部分相变区部分铁素体晶粒长大，力学性能比正火区稍差。8.2.1.3焊接应力与变形焊接应力与变形产生的原因：焊件局部不均匀加热，造成焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。焊接应力与变形的产生当拘束很大时（如大平板对接），则会产生残余应力，无残余变形。当拘束较小（如小板对接焊）时，既产生残余应力，又产生残余变形。焊件焊后的变形形式主要有：尺寸收缩、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形等。工件焊接后产生变形和应力对结构的制造和使用会产生不利影响。产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等，从而影响焊件质量。焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，使构件尺寸不稳定，所以减少和防止焊接变形和应力是十分必要的。焊接变形与应力的危害减小焊接应力的措施①合理的焊接次序，使焊缝能够自由地收缩，以减少应力（图a），合理选材；②焊前预热，减弱各部位温差，从而显著减小焊接应力，350～400℃；③焊后热处理：去应力退火，加热到600～650℃，保温1小时以上，缓冷。焊接变形的预防措施①焊前措施：反变形法；加裕量法：补偿焊后收缩，下料裕量0.1～0.2％。刚性夹持法：夹持，点固（塑性好的材料）合理的焊接次序：构件对称两侧都有焊缝，应使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱②焊后措施：机械矫正法：利用机械外力作用来矫正变形，如辊床，压力机，矫直机。火焰加热矫正法：氧—乙炔火焰加热压应力处（考经验）冷却收缩，消除变形。焊缝对称布置

采用反变形方法采用对称焊和分段倒退焊采用多层多道焊，能减少焊接变形刚性固定夹持法

合理的焊接次序X型坡口焊接次序梁的焊接次序机械矫正法通常只适于塑性好的低碳钢和普通低合金钢。火焰矫正法一般也仅适用于塑性好，且无淬硬倾向的材料。焊接裂纹焊接裂纹存在于焊缝或熔合区。（1）原因：焊接应力过大材料成分：S、P、H（2）预防：选用碱性焊条预热，合理次序，小能量焊接焊缝的受力及破坏形式（1）对接焊缝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，对接焊缝的破坏形式是沿焊缝断裂；llFFFFllFδδ（2）搭接角焊缝按受力方向分为:正面角焊缝侧面角焊缝混合角焊缝受力方向与焊缝垂直；正面角焊缝通常只用来承受拉力；侧面角焊缝和混合角焊缝可用来承受拉力或弯矩。实践证明，在静载荷作用下，搭接角焊缝的破裂通常从沿着与垂直平分线重合的最小剖面上开始。受力方向与焊缝平行；受力与焊缝成一角度；ku≥4δ

lAAFF正面角焊缝侧面角焊缝A-AB-BMMhLkkAABBhFFkkBB8.2.1.4焊条电弧焊（手工电弧焊）原理及过程：

电弧热形成熔池——药皮的冶金反应——药皮产生保护气体——熔渣上浮电焊条（1）普通焊条的组成及其作用焊芯：作为电弧电极和焊缝的填充金属；焊芯的直径即为焊条直径（1.6mm~8mm),其中以3.2~5mm的焊条应用最广。一般长度为350-400mm

了解常用结构钢焊条焊芯的牌号和成分药皮的作用：a.帮助引弧，使电弧稳定；b.产生熔渣和气体，保护溶池金属不被氧化；c.向焊缝内渗入合金元素，提高焊缝强度。

了解焊条药皮原料的种类及其作用（2）焊条种类（3）

焊条型号和牌号焊条型号是国家标准中的焊条代号。

E5516焊缝金属抗拉强度≧550MPa焊条的焊接位置，0、1表示适全位置焊接焊条电流种类和药皮类型。16表示低氢甲型药皮，交流或直流反接；碳钢焊条焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。以结构钢焊条为例：J422焊条电流种类和药皮类型（见表4-4）；1~5为酸性焊条、6和7为碱性焊条。结构钢焊条焊缝金属的抗拉强度大于或等于420MPa（4）（5）手工电弧焊接特点及应用焊接质量受焊工技术水平、施工条件等影响，变动幅度大。操作简单、灵活，可焊接各种空间位置的焊缝。是焊接生产中应用最广泛的方法。一般适用于单件小批生产2mm以上厚度的各种常用金属、各种焊接位置的焊缝和一些不规则的焊缝。8.2.1.5埋弧焊埋弧焊的原理及特点

埋弧自动焊是用焊剂进行渣保护，焊丝为一电极在焊剂层下引燃电弧燃烧。因电弧在焊剂包围下燃烧，所以热效率高；焊丝为连续的盘状焊丝，可连续馈电；焊接无飞溅，可实现大电流高速焊接，生产率高；金属利用率，焊接质量好，劳动条件好。埋弧焊适于平直长焊缝和环焊缝的焊接。埋弧焊工作原理简图埋弧焊的焊丝与焊剂焊丝作用相当于焊芯，焊剂作用相当于焊条药皮。焊剂按照制造方法可分为熔炼焊剂、陶质焊剂。熔炼焊剂不易吸收水分，适用于焊接不同的金属陶质焊剂容易吸潮，容易向焊缝金属补充或添加合金元素。焊前准备板厚小于14mm时，可不开坡口；板厚为14～22mm时，应开Y型坡口；板厚为22～50mm时，可开双Y型或U型坡口。

Y型和双Y型坡口的角度为50°～60°。埋弧焊的工艺

焊缝间隙应均匀，焊直缝时，应安装引弧板和熄弧板，以防止起弧和熄弧时产生的气孔、夹杂、缩孔、缩松等缺陷进入工件焊缝之中。平板对接焊一般采用双面焊，可不留间隙直接进行双面焊接，也可采用打底焊或焊剂垫或垫板。为提高生产率，也可采用水冷铜成型底板进行单面焊双面成型。

环焊缝焊接环焊缝时，焊丝起弧点与环的中心线偏离一距离e，以防止熔池金属的流淌。一般偏离距离为20~40mm，直径小于250mm的环缝一般不采用埋弧自动焊。

多丝埋弧焊

同时有两个以上焊丝起焊接，焊接速度高，焊缝成型好。前一电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使熔池形状及焊缝成型较为合理。埋弧焊的应用

埋弧焊主要用于压力容器的环缝焊和直缝焊，锅炉冷却壁的长直焊缝焊接，船舶和潜艇壳体的焊接，起重机械（行车）和冶金机械（高炉炉身）的焊接。埋弧焊与手工电弧焊的特点比较生产率高焊丝上没有涂料，可通过较大的电流；自动送丝，节省辅助时间。焊接质量高而且稳定熔池被液态焊渣泡包围；熔池大而深，冶金过程进行的较为完善，气体与杂质易于浮出；焊接参数实现自动控制；节能、节材电弧的热量损失小，能量集中，节能；厚度在20mm以下的工件可不开坡口进行焊接；没有焊头的浪费；很少金属溶滴飞溅，节材。改善劳动条件设备费用高，工艺装备复杂。适合中等厚度板材的长、直焊缝或大圆周环形焊缝的平焊的焊接位置，通常采用焊接对接和T形接头。不适于狭窄位置的焊缝以及薄板的焊接。可焊钢板厚度为6-60mm。埋弧焊与手工电弧焊的特点比较8.2.1.6氩弧焊焊接特点非熔化极氩弧焊采用铈钨棒作为电极，也称钨极氩弧焊。焊接时电极不熔化，只起导电和产生电弧的作用，另有焊丝熔化充填熔池。因电极通过的电流有限，所以只适用于焊接厚度6mm以下的工件。熔化极氩弧焊以连续送进的焊丝作为电极进行焊接，因此可以采用较大的电流，适用于焊接厚度25mm以下的工件。１）适用于焊接各类合金钢、易氧化的有色金属及稀有金属。２）氩弧焊电弧稳定，飞溅少，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观。３）电弧和熔池区用气流保护，明弧可见，便于操作，容易实现自动化焊接。４）电弧在气流压缩下燃烧，热量集中，熔池小，焊接速度快，热影响区较窄，工件焊接变形小。由于氩气价格较高，目前氩弧焊主要用于铝合金、钛合金、镁合金，以及不锈钢、耐热钢的焊接和一部分重要的低合金结构钢焊件。氩弧焊的主要特点钨极脉冲氩弧焊钨极脉冲氩弧焊是近年来发展起来的新工艺，特点（1）脉冲式电源的能量，易于控制，可避免烧穿工件，适合于焊接0.1~5mm的钢材或管材，并能实现单面焊双面成形，保证根部焊透。（2）适合各种空间位置的焊接（3）焊接易淬火钢材和高强度钢，可减少裂纹倾向和焊接变形。CO2保护焊

CO2保护焊是一种比较便宜的气体保护焊方法，它常用于30mm以下厚度的低碳钢和低合金结构钢的焊接。低碳钢焊接时选用H08MnSiA焊丝；低合金结构钢选用H08Mn2SiA焊丝。8.2.1.7等离子弧焊

利用机械压缩效应（电弧通过喷嘴细小孔道时的被迫收缩）、热压缩效应（在冷气流的强迫冷却下，带电粒子流〈离子和电子〉往弧柱中心集中）和电磁收缩效应（弧柱带电粒子的电流线为平行电流线，相互磁场作用使电流线产生相互吸引而收缩）将电弧压缩为细小的等离子体。

等离子弧温度高达24000K以上，能量密度可达105～106w/cm2

，因而可一次性熔化较厚的材料。等离子弧可用于焊接和切割。等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极氩弧焊。等离子弧焊接不仅具有氩弧焊的优点，还具有以下特点：1）等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，因此焊接厚度10~20mm的钢材可以不开坡口，一次焊透双面成形。2）等离子弧焊焊接速度快，生产率高，焊后焊缝宽度和高度均匀一致，焊缝表面光洁。3）电流小到0.1A时，电弧仍然能稳定燃烧，并保持良好的挺直度和方向性，故等离子弧焊可焊接很薄的箔材。等离子弧焊需要应用专用的焊接设备和焊丝，设备比较复杂，气体消耗量大，只宜于在室内焊接。

等离子焊的特点

8.2.2其它常用焊接方法

电阻焊的优点是：焊接电压低（1~12伏特），焊接电流大（几千~几万安培），热量集中，焊接变形小，不需要充填金属，对操作者技术要求不高，易于实现机械化和自动化。不足之处是设备费用高，一些形状复杂的工件需要用特殊装备，如专用夹具等。8.2.2.1电阻焊

利用电流通过焊件及其接触处所产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头。电阻点焊电阻点焊是用圆柱电极压紧工件，通电、保压获得焊点的电阻焊方法。点焊焊接接头形式电阻缝焊

缝焊是连续的点焊过程，它是用连续转动的盘状电极代替了柱状电极，焊后获得相互重叠的连续焊缝。

缝焊分流严重，通常采用强规范焊接，焊接电流比点焊大1.5～2倍。

缝焊主要用于低压容器，如汽车、摩托车的油箱、气体静化器等的焊接。对焊利用电阻热将两个工件在整个接触面上焊接起来的一种工艺方法。对焊形式主要有电阻对焊和闪光对焊。凸焊当两个工件采用搭接接头形式，先在一工件上加工出凸点。电流通过凸点时使局部发热，在压力作用下接头处形成一个或多个熔核，从而完成焊接过程。摩擦焊的工艺过程原理表面清理好的焊件→搭接形式接头→钎料放在接头的间隙附近或接头的间隙中→加热T>T钎料熔点，钎料熔化（工件不熔化）并渗入到接头间隙中→液态钎料与工件金属相互溶解扩散→冷凝后即形成钎焊接头。8.2.2.2摩擦焊、钎焊接头的焊接质量好、稳定，其废品率是闪光对焊的1%左右。适于焊接异种钢和异种金属，如碳素结构钢-高速钢、铜-不锈钢、铝-铜、铝-钢等。焊件尺寸精度高，可以实现直接装配焊接。焊接生产率高，是闪光焊的4～5倍。摩擦焊的优点三相负载均衡，节能，改善了三相供电电网的供电条件。与闪光对焊比较，节省电能80%～90%左右。由于摩擦焊金属焊接变形小，接头焊前不需特殊清理，接头上的飞边有时可以不必去除，焊接不需要填充材料和保护气体，加工成本显著降低。摩擦焊机容易实现机械化，自动化；操作技术简单，容易掌握。摩擦焊的工作场地卫生，没有火花，弧光；没有有害气体，有利于环境保护，适于设置在自动生产线上。摩擦焊的优点钎焊钎焊:是利用熔点比焊件低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化而将处于固态的焊件连接起来的一种焊接方法。（1）硬钎焊钎料熔点在450℃以上，接头强度较高，都在200MPa以上，属于这类的钎料有铜基、银基和镍基等。（2）软钎焊钎料熔点为450℃以下，接头强度较低，一般不超过70MPa，所以只用于钎焊受力不大、工作温度较低的工件。常用的钎料是锡铅合金，所以通称锡焊。8.2.3常用金属材料的焊接8.2.4焊接接头的工艺设计8.3粘接成形工艺粘接用于木材由来已久。随着新型胶粘剂的发展，粘接在金属构件的联接中也日渐增多。粘接是用胶粘剂直接把被联接件联接在一起且具有一定强度且不可拆卸的联接，利用胶粘剂凝固后出现的粘附力来传递载荷。

8.3.1粘接成形工艺概述粘接组合蜗轮螺纹接套与管件粘接蜂窝结构填料蒙皮与型材粘接粘接的特点▲粘接件的缺陷有时不易发现。▲有良好的密封性、绝缘性和防腐性。与铆接、焊接相比，粘接的主要优点：主要缺点：▲联接件的材料范围宽广；▲联接后的重量轻，材料的利用率高；▲成本低；▲在全部粘接面上应力集中小，故耐疲劳性能好；▲抗剥离、抗弯曲及抗冲击振动性能差；▲耐老化及耐介质（如酸、碱等）性能差；▲胶粘剂对温度变化敏感，影响粘接强度；粘接基础理论了解粘接理论，不但可以从理论上指导胶黏剂选择，粘接接头的设计，制定最佳的粘接工艺，控制影响粘接强度的各种因素，达到形成强力粘接接头的目的。更重要的是了解粘接的内在机理，包括粘接与被粘对立统一的关系，粘接过程中的物理、化学变化，从而对粘接现象，从感性认识深化到本质与规律性的理性认识。经过几十年的研究和发展，许多学者从不同的角度，提出了许多有价值的理论。虽然这些理论尚有争论，还没有公认的统一理论，但在解释粘接现象方面，均各有可取的观点，目前仍在不断地发展与完善中。这是一种较早的最直观的宏观理论。认为被粘物表面的不规则性，如高低不平的峰谷或疏松孔隙结构，有利于胶黏剂的填入，固化后胶黏剂和被粘物表面发生咬合而固定。这就是机械结合理论最简单的解释。McBain在30年代首先提出这一理论。机械嵌定的固定方法应用很普遍，表面处理过的金属粘接，如纸、木材、皮革、纺织品等的粘接就是实际的例子。机械结合的关键是被粘物表面必须有大量的凹穴、槽沟、多孔穴等，当胶黏剂涂布上去时，经过润湿、流动、挤压、铺展而填入这些孔穴内，固化后，就嵌定在孔隙中而紧密地结合起来，表现出较高的粘接强度。机械结合理论曾经起过积极作用，但是随着其他粘接理论的建立和发展，几乎一度被冷落。近20年来，用现代微观研究仪器的观测结果，证明微机械嵌定作用是确实存在的。如在ABS塑料上镀金属，镀前先用溶剂处理，使塑料表面产生大量微穴，然后沉积导电物质到微孔中，再进行电镀。金属铝的粘接强度一般不太高，经HCl液或化学氧化液处理后，生成大量立体结晶构造，带有大量槽沟和微穴，粘接强度有显著提高。钢带表面轧制的光滑面，直接的粘接强度并不高，经磷酸盐处理后，产生大量磷酸铁微孔，粘接强度明显提高。（1）机械结合理论（2）吸附理论吸附理论的基本观点是：粘接是一种吸附作用，这是最早提出并被大多数科学家接受的。吸附理论认为，粘接产生的黏附力主要来源于胶黏剂与被粘物之间界面上两种分子之间相互作用的结果，所有的液体——固体分子之间都存在这种作用力，这些作用力包括化学键力、范德华力和氢键力。这个过程是，首先胶黏剂分子由布朗运动向被粘物表面移动，胶黏剂分子的极性基团向被粘物的极性部分靠近，当胶黏剂分子与被粘物分子间的距离小于0.5nm时，分子间就产生了范德华力或氢键力的结合。

吸附理论把粘接主要归结于胶黏剂与被粘物分子间力的作用。

根据吸附理论，如果胶黏剂分子中极性基团的极性越大，数量越多，则对极性被粘物的粘接强度就越高；极性胶黏剂与非极性被粘物或非极性胶黏剂与极性被粘物粘接，由于分子间排斥，不利于分子的接近，不能产生足够的分子间力，所以粘接力很差；而非极性胶黏剂与非极性被粘物结合，由色散力产生的粘接强度较小。扩散理论认为，高分子材料之间的粘接是由于胶黏剂与被粘物表面分子或链段彼此之间处于不停的热运动引起的相互扩散作用，使胶黏剂与被粘物之间的界面逐步消失，形成相互交织的牢固结合，粘接接头的强度随时间的延长而增至最大值。如果胶黏剂是以溶剂的形式涂敷到被粘物表面，而被粘物表面又能在此溶剂中溶胀或溶解，则彼此间的扩散作用更为显著，其粘接强度就越高。因为胶黏剂和被粘物间的相互扩散是产生粘接力的主要因素，粘接强度与它们的相容性有关。高分子材料之间的粘接可以分为同种高分子材料的自粘和不同种高分子材料的互粘。前者是同种分子间的扩散，后者是不同类分子的扩散。两种扩散的结果都会使胶黏剂与被粘物分子交织在一起，从而形成牢固的结合。（3）扩散理论该理论认为，粘接作用是由于胶黏剂与被粘物之间的化学结合力而产生的，有些胶黏剂能与被粘物表面的某些分子或基团形成化学键。化学键是分子中相邻两原子之间的强烈吸引力，一般化学键要比分子间的范德华力大一两个数量级，这种化学键的结合十分牢固。

（4）化学键理论双电层理论是将胶黏剂与被粘物视作一个电容器。电容器的两块夹板就是双电层。即当两种不同的材料接触时，胶黏剂分子中官能团的电子通过分界线或一相极性基向另一相表面定向吸附，形成了双电层。

由于双电层的存在，欲分离双电层的两个极板，就必须克服静电力。当被粘物与胶黏剂剥离时，可以视为两块极板的分离，此时两极之间便产生了电位差，并随着极板间的距离增大而增大，到一定极限值时，便产生了放电现象。由于双电层的形成，胶黏剂与被粘物之间就有静电力产生，从而产生了粘接力。双电层理论只存在于能形成双电层的粘接体系，不具有普遍性，并且双电层所产生的静电力即使存在于某些粘接体系中，但是，它在这个粘接中绝不是起主导作用的，它只占整个粘接力的一部分。（5）静电理论（双电层理论）总结性评价自1920年以来，人们已经提出了多种粘接理论。每种理论都有大量实验为依据，只是研究的角度、实验方法、实验条件各有不同，但目标都是为追求形成粘接现象的本质。另外，还有弱边界层理论、流变理论也在研究中，各种理论研究继续向纵深发展。粘接理论至今还未发展成统一的理论，对各派理论可采取综合理解，兼收并蓄，灵活运用的原则，充分调动提高粘接强度的一切有利因素，避免降低分子作用力的不利因素。由于每一种理论都有一定的依据，可以认为粘接是多种因素构成的，并具有协同关系。1.环保压力日益加重，研究能取代一切污染环境的胶黏剂；2.因为可以生物降解，不污染环境，天然胶黏剂的改性研究将会加强；3.粘接理论的深入研究，将目前的多种理论统一，形成粘接科学学说；4.找出粘接强度的普适表达方式，实现粘接强度的无损检测；5.开发可以直接粘接低能表面的胶黏剂；6.开发固化更快、效率更高、成本更低、更节省材料、能源的胶黏剂；7.开发各种功能胶黏剂，如:智能型胶黏剂，耐高温有机胶黏剂，微电子、IT产业用胶黏剂等；8.涂胶机器人的普及以及粘接自动化技术。21世纪粘接领域关注的重点研究课题粘接接头：被粘接材料通过胶黏剂进行连接的部位。粘接接头的结构形式很多。从接头的使用功能、受力情况出发，有以下几种基本形式：（1）搭接接头（lapjoint）（2）面接接头（surfacejoint）（3）对接接头（buttjoint）（4）角接接头（anglejoint）8.3.2粘接接头设计粘接接头的基本形式（1）搭接接头（lapjoint）：由两个被粘接部分的叠合，粘接在一起所形成的接头（2）面接接头（surfacejoint）：两个被粘接物主表面粘接在一起所形成的接头（3）对接接头（buttjoint）：被粘接物的两个端面与被粘接物主表面垂直（4）角接接头（anglejoint）：两被粘接物的主表面端部形成一定角度的粘接接头圆柱形接头板件接头锥形及盲孔接头角接头潘存云教授研制其它粘接接头形式接头胶层在外力作用时，有四种受力情况：（a）正拉

（b）剪切

（c）剥离

（d）劈开

①拉应力：外力与粘接面垂直，且均匀分布于整个粘接面。②剪切力：外力与粘接面平行，且均匀分布于粘接面上。③剥离力：外力与粘接面成一定角度，并集中分布在胶接面的某一线上。④劈裂力（不均匀扯离力）：外力垂直于粘接面，但不均匀分布在整个粘接面上。为了分析方便，上述四种应力尚可简化为拉应力和剪切力两类。拉应力包括均匀扯离（正拉）力，不均匀扯离（劈裂）力和剥离力。粘接接头的受力状况粘接接头的设计要点▲从结构上采取防止剥离的措施；▲针对工作要求正确选择粘结剂；▲合理选择接头形式；▲恰当选择工艺参数；▲充分利用胶缝的承载特性，尽可能使胶缝承受剪切和拉伸载荷，而避免承受扯离，特别是剥离载荷，不宜采用粘接接头；▲减少胶缝处的应力集中，如板材端部切成斜角；▲当有较大冲击、振动时，应在粘接面之间增加玻璃布层等缓冲材料8.3.3粘接工艺胶粘剂的品种繁多，通常按其使用目的分为三类：胶粘剂的分类结构胶粘剂；种类非结构胶粘剂；其它胶粘剂在机械制造中常用的结构胶粘剂有如下两种：环氧树脂胶粘剂；酚醛树脂胶粘剂。在常温下的抗剪强度一般不低于80MPa，能经受一般高、低温或化学作用，而不降低其性能，粘接件能承受较大的载荷。1）结构胶粘剂2）非结构胶粘剂常用的品种有：聚胺脂胶粘剂；酚醛-氯丁橡胶胶粘剂。正常使用时有一定的胶结强度，但在受到高温或重载时，性能迅速下降。具有特殊用途的胶粘剂，例如：防锈、绝缘、导电、透明、超高温、超低温、耐酸碱等。品种有：环氧导电胶粘剂；环氧超低温胶粘剂。3）其它胶粘剂主要性能：粘接强度----耐热性、耐介质性、耐老化性等；固化条件----温度、压力、保持时间等。影响粘接剂性能的因素：粘接件的材料、环境温度、胶层厚度、工作时间、工艺水平等。粘接工件材料有：各种碳钢、合金钢、铝、镁、钛等合金、玻璃、陶瓷等。胶黏剂的性能胶黏剂的选择选用原则：根据粘接件的使用要求及环境条件等选择综合性能良好的胶粘剂。具体选择原则如下：1．根据被粘物的表面性状来选择胶黏剂2．根据粘接接头的使用场合来选择胶黏剂3．根据粘接的成本来合理选择胶黏剂粘接的基本工艺过程要综合考虑使用要求、接头形式、接头面积、温度、压力、时间等因素。4）清除表面多余的胶粘剂；1）清除粘接件表面的油污或氧化层；方法有机械或化学处理2）按配方比例配制胶粘剂；大多数胶都是多祖分的

3）采用适当方法涂胶（如喷涂、刷涂等），保证厚薄合适、均匀无缺、无气泡；6）质量检验，常用方法有：5）按一定条件进行固化；▲超声波探伤；▲放射同位素摄影；▲激光全息摄影。

▲

X光探伤；（1）表面处理表面处理的方法主要有：溶剂及超声波清洗法；机械处理法；化学处理法；放电法（对高分子材料）表面处理的基本原则如下：

设法提高表面能；增加粘接的表面积；除去粘接表面上的污物及疏松层（2）胶黏剂的涂布刷涂法、辊涂法和喷涂法（3）胶黏剂的固化物理固化

例如溶剂挥发、乳液凝聚、熔融体冷却化学固化

使胶黏剂分子交联成体型结构的固体而固化辐射固化室温固化和加热固化粘接工艺基本方法8.4其它连接工艺8.4.1螺纹连接8.4.2铆接8.4.3过盈联接8.4.4弹性嵌卡连接8.4.1螺纹连接螺纹联接的特点(1)螺纹拧紧时能产生很大的轴向力；

(2)它能方便地实现自锁；

(3)外形尺寸小；

(4)制造简单，能保持较高的精度。螺纹联接的基本知识按螺旋线绕行方向，螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹按螺纹的位置，螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。按螺旋线的数目，螺纹可分为单线螺纹（n=1）、双线螺纹（n=2）和多线螺纹（n>2）按牙型，螺纹可分为三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹主要用于联接主要用于传动（一）螺纹的类型1、三角形螺纹（2）管螺纹（1）普通螺纹牙型为等边三角形，牙型角α=60º；分为粗牙和细牙两种，粗牙螺纹用于一般联接，细牙螺纹在相同公称直径时,螺距小,螺纹深度浅,导程和升角也小，自锁性能好，适合用于薄壁零件和微调装置。专用于管件联接的特殊细牙三角形螺纹，牙型角α=55º

。特点：联接密封性好；

2、矩形螺纹

牙型多为正方形，牙型角α=0º；传动效率高，但精加工困难，磨损后轴向间隙不易补偿。

3、梯形螺纹

4、锯齿螺纹

牙型为梯形，牙型角α=30º；传动效率比矩形稍低，但制造工艺性好，牙根强度高，定心性好

牙侧角β两边不等，工作边为3º非工作边为30º；综合了矩形螺纹的高效率和梯形螺纹牙根强度高的优点，适用于单向受载的传动螺旋。d—大径d1—小径d2—中径P—螺距S—导程λ—升角α—牙型角、β—牙型斜角（二）螺纹的主要参数管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹普通螺纹米制三角形螺纹，牙型角为60°，同一公称直径下有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。英制螺纹，牙型角为55°，公称直径是管子内径，可分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹，前者用于低压场合，后者用于高温、高压或密封性高的管连接。牙型为正方形，牙型角为0°，传动效率最高，牙根强度低，传动精度低，常用于传力或传导螺旋，未标准化，逐渐被梯形螺纹所替代。牙型为等腰梯形，牙型角为30°，传动效率低于矩形螺纹，但牙根强度高，对中性好，广泛用于传力或传导螺旋，如机床的丝杠、螺旋举重器等。工作面的牙型斜角为3°，非工作面的牙型斜角为30°，综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点，但仅用于单向受力的传力螺旋。（三）常用螺纹的特点及应用（四）螺纹联接的基本类型

1、普通螺栓联接——被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。主要用于被连接件不厚、通孔、经常拆卸的场合。

2、精密螺栓联接——装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接。螺纹联接由螺纹紧固件和联接件上的内外螺纹组成3、双头螺栓联接——螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。适用于被联接件之一较厚、盲孔且经常拆卸场合。4、螺钉联接——适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况特殊联接：吊环螺钉联接，地脚螺栓联接5、紧定螺钉联接——拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置，可传递不大的轴向力或扭矩。通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。（五）标准螺纹联接件1、螺栓：有普通螺栓和铰制孔螺栓，精度分A、B、C三级，通常多用C级，杆部可以全是螺纹或只有一段螺纹。普通螺栓——六角头，小六角头，标准六角头，大六角头,内六角铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小螺母

2、双头螺柱——两端带螺纹

A型——有退刀槽B型——无退刀槽

3、螺钉与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹4、紧定螺钉锥端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合平端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸圆柱端——压入轴上凹坑中，适于紧定空心轴上零件的位置，轻材料和金属薄板

5、自攻螺钉——由螺钉攻出螺纹6、螺母六角螺母：按厚度分为标准、薄型两种，精度与螺栓对应，分A、B、C三级，分别与同级别的螺栓配用。圆螺母+止退垫圈——圆螺母与带翅垫圈配用，螺母带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧7、垫圈垫圈放在螺母与被连接件之间，保护支承面。分平垫和斜垫两者。斜垫用于倾斜的支承面。螺纹连接的预紧和防松（一）螺纹连接的预紧预紧目的——目的是为了增强联接的刚性，增加紧密性和提高防松能力。对于受轴向拉力的螺栓联接，还可以提高螺栓的疲劳强度；对于受横向载荷的普通螺栓联接，有利于增大联接中接合面间的摩擦。螺纹联接：松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F'

一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。对于一般联接，可凭经验来控制预紧力F0的大小，对于重要的联接就要严格控制其预紧力。T=T1+T2=KF’d拧紧时扳手力矩为式中F’是预紧力，K为拧紧力矩系数，可查表预紧力F'

——

预先轴向作用力（拉力）预紧过紧——

F'

过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度

过松——

拧紧力F'

过小，工作不可靠

扳手拧紧力矩——T=FH·L

FH—作用于手柄上的力，L——力臂FH

F’——预紧力(N)；ƒc——支承面摩擦因素，无润滑时ƒc=0.15；rf

——支承面摩擦半径(mm)，rf

=(D0+d0)/4

代入数据，最后得：T≈0.2F'd当公称直径d一定的螺栓，当所要求的预紧力F已知时，则可按上式确定扳手的拧紧力矩。由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以对于重要的联接不宜小于M10-M14。

拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T，用来克服螺纹牙间的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T21、确定拧紧力矩：T=T1+T2T——拧紧力矩；

T1——螺纹摩擦阻力矩，T1=

F'tan(φ+ρv)d2/2T2——螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩，T2

=

F'ƒcrf

2、预紧力F'的控制：

测力矩板手——测出预紧力矩，如左图

定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，如右图

测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高摩擦防松机械防松永久防松化学放松（二）螺纹的防松

1、防松目的

A、在冲击、振动和变载荷作用下，螺纹之间的摩擦力可能瞬时消失而影响正常工作；

B、在高温或温度变化较大时，若螺栓与被联接件的温度变形差或材料的蠕变，也可能导至联接的松脱。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。2、防松原理消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。

3、常用的防松方法及措施

（1）摩擦防松双螺母弹簧垫圈、尼龙垫圈自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开峰后径向收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。开槽螺母与开口销圆螺母与止动垫圈开槽螺母与开口销、圆螺母与止动垫圈、弹簧垫片、轴用带翅垫片、止动垫片、串联钢丝等（2）机械防松圆螺母与带翅垫圈串联钢丝端铆、冲点、点焊（4）化学防松——粘合

（3）永久防松8.4.2铆接利用铆钉把两个或两个以上的被连接件（通常是板材或型材）连接在一起的不可拆连接称为铆钉连接，简称铆接。其联接部分称为铆缝。铆接具有在承受严重冲击和剧烈振动载荷时工作比较可靠，接头质量易于检查，工艺简单等优点，至今仍是主要的连接形式。（一）铆缝的结构分类分类按接头型式分双排按铆缝性能分--满足强度要求--满足强度和紧密性要求--满足紧密性要求的。搭接缝单盖板对接缝双盖板对接缝按铆钉排数分单排多排强固铆缝强密铆缝紧密铆缝搭接缝单盖板对接缝双盖板对接缝潘存云教授研制铆钉有空心的和实心的两大类，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。且大部分都以标准化（GB863.1-86、GB876-86）。在设计铆接结构时应优先选用已标准化的铆钉。（二）铆钉的主要类型和标准铆钉头的结构：常见铆钉的型式常见铆钉的型式（续）热铆接----直径d≥12mm

的钢制铆钉；铆接工艺分冷铆和热铆：冷铆接----直径d＜12mm

的钢制铆钉、塑性较好的有色金属及其合金制成的铆钉。铆接工艺因此，在承受严重冲击和振动载荷的金属结构的联接中，如桥梁、建筑、造船、重型机械及飞机制造等工业部门中得到应用。▲工艺过程比较容易控制，质量稳定;▲工艺设备简单;▲铆接结构抗振、耐冲击，联接牢固可靠。铆接工艺的特点常见铆钉铆接后的形式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。铆钉也可用其它塑性金属制成，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，并避免产生电化腐蚀。常见铆钉铆接后的形式见下图。铆缝分为三种：强固铆缝、强密铆缝、紧密铆缝。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，如下图。（三）铆缝的基本形式

(a)单排搭接;

(b)双排搭接;

(c)三排搭接;

(d)单排单搭板对接;(e)双排双搭板对接潘存云教授研制潘存云教授研制FFFFFF剪断压溃板边剪坏拉断撕裂铆缝的受力与破坏形式强度计算主要是材料力学的基本公式。强度计算的假设前提：▲联接的横向力F通过铆钉组形心，一组铆钉中各个铆钉受力均等；设计铆缝时，先根据铆缝的破坏形式进行强度计算。▲铆缝不受弯矩作用；▲被铆件结合面摩擦力略去不计；▲被铆件危险剖面上的拉(压)应力，铆钉的剪应力，工作挤压应力都是均匀分布的。铆缝的设计要点单排搭接铆缝的静强度分析：取图中宽度等于垂直与受载方向的钉距t的阴影部分进行计算。δδdte设：e—边距；t—节距；

δ--板厚；d—铆钉直径；

F—阴影部分载荷。FFFF（1）由被铆件的拉伸强度确定的铆缝承受的静载荷：(t-d)δ为板的截面积（2）由被铆件上孔壁的挤压强度确定的被铆件能承受的静载荷：（3）由铆钉的剪切强度确定的铆钉能承受的静载荷：ddδ为挤压面积πd2/4为铆钉截面积

式中：[σ]--许用拉应力;[σp]--许用挤压应力；[τ]--许用剪切应力。对于一般的强固铆缝，上述式中的许用应力可根据组成铆缝各元件的材料选取。组成强固铆缝各元件的静载荷许用应力许用应力/Mpa说明元件材料Q235Q255被铆件许用拉应力[σ]200210被铆件许用挤应力[σp]400420采用冲孔或各被铆件分开钻而不用样板时，[σ]、[σp]

降低20%；角钢单边铆接时，各许用应力降低25%。被铆件许用切应力[τ]180180Q215铆接结构设计中应注意的事项铆接结构设计中应注意的事项（续）铆接结构设计中应注意的事项（续）8.4.3过盈联接曲轴过盈联接组件AAA-Ad（一）过盈联接的特点及应用作用：过盈联接是利用被联件间的过盈配合直接把被联接件联接在一起。优点：构造简单、定心性好、承载能力高，在振动下能可靠地工作。缺点：装配困难和对配合尺寸的精度要求较高。应用：主要用于轮圈与轮芯、轴与毂、滚动轴承的装配联接。工作原理：孔与轴配合中，轴的实际尺寸大于孔，两者装配后产生径向变形使配合面间产生了很大的压力，工作时载荷就靠着相伴而生的摩擦力来传递。轴的尺寸减去孔的尺寸称为过盈量。（二）过盈联接的工作