陕西科技大学 过程装备与控制工程 课件 2机械设计(王宁侠)第11章

第11章焊接、粘接和铆接11.1焊接11.2粘接11.3铆接习题

11.1焊接

焊接是利用局部加热、加压使两个以上的金属件在联接处形成原子或分子间的结合而构成的不可拆联接。焊接具有强度高、紧密性好、工艺简单、操作方便、重量轻和劳动强度低

等优点，广泛用于金属构架、壳体及机架等结构的制造。

焊接方法可以归纳为三种基本类型：熔化焊、压力焊和钎焊。熔化焊是最基本的焊接工艺方法，在焊接生产中占主导地位。压力焊及钎焊具有成本低，易于实现机械化、自动化操作等特点。熔化焊又分为电弧焊、电渣焊、激光焊、气焊等，在机械制造中最常用的是电弧焊。电弧焊是利用焊条(或焊丝)与焊接件间形成的电路，在两极间引起电弧产生的电弧热加热并熔融金属和焊条，使熔融的金属混合并填充焊缝而形成的联接，见图11-1。电弧焊又分手弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。图11-1电弧焊接11.1.1电弧焊缝的基本形式、特点和应用

根据焊接件在空间的相互位置，焊接接头基本上可分为对接接头、搭接接头和正交接接头(T形和L形)三种类型。焊接件经焊接后形成的结构部分称为焊缝。焊缝又分为对接焊缝、角焊缝、塞焊缝和槽焊缝等类型，每种类型又有不同的结构形式。各种焊缝基本形式及坡口见表11-1。

1.对接焊缝

对接焊缝主要用于对接接头以联接位于同一平面内的焊接件。对接焊缝受力较均匀，焊件厚度不大时可不开坡口(见图11-2(a))，但厚度较大时，为了保证焊透，要预先做出各种形式的坡口(见图11-2(b)、(c))，坡口的基本形式见表11-1，坡口的尺寸可参见GB/T985-1988。图11-2对接焊缝

2.角焊缝

角焊缝主要用于正交接(图11-3(e))和搭接以联接位于不同平面内的焊接件。角焊缝在搭接中，按焊缝布置方式和受力的不同，又可分为端焊缝(图11-3(a))、侧焊缝(图11-3(b))、斜焊缝(图11-3(c))和组合焊缝(图11-3(d))等形式。根据焊接件厚度的不同，角焊缝也有各种形式的坡口，见表11-1，坡口的尺寸可在相关标准中查取。

3.塞焊缝和槽焊缝

塞焊缝和槽焊缝用于搭接接头焊中，见表11-1。这两种焊缝一般只作为辅助焊缝，以补充主焊缝的强度不足，或用于使焊接件相互贴紧。图11-3角焊缝11.1.2焊接件及焊条的常用材料

焊接件的质量与焊接材料的可焊性有关。焊接材料又大多选择金属材料。金属的可焊性是指金属在某种焊接方法和工艺参数等条件下，获得优质焊接接头的难易程度。一般来说，含碳量小于0.25%的碳钢，含碳量小于0.18%(或碳当量小于0.4%)的合金钢，可焊性良好；碳钢的含碳量大于0.45%，合金钢的含碳量大于0.38%，淬裂倾向大，可焊性不好。故焊接件常用材料有：Q195～Q295、15～35钢、低合金钢和可焊性好的其他材料。在焊接中，广泛使用各种型材、板材和管材。焊条常用的材料有：碳钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、铜合金等。各种材料又有很多型号，例如常用碳钢焊条型号有：E4301、E4303、E5001、E5003等。型号中的数字，前两位表示熔敷金属的最小抗拉强度(如43表示σB≥43kgf/mm2=420MPa)，第三位数字表示适用于各种位置的焊接(平焊、立焊、仰焊、横焊、平角焊等)，第四位数字表示药皮类型及焊接电源。焊条的材料最好与焊接件的材料相同。选用焊条时应针对具体要求从手册中查取。11.1.3焊缝的受力及破坏形式

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(见图11-4(a)、(b)、(c))，其正常的破坏形式是沿焊缝断裂(见图11-4(d))。图

11-4对接焊缝的受力及破坏形式在角焊缝中，主要有搭接角焊缝(图11-5)和正交接角焊缝(图11-3(e))。搭接角焊缝中的端焊缝(图11-5(a))通常只用来承受拉力；侧焊缝(图11-5(b))及组合焊缝(图11-5(c))可用来承受拉力或弯矩。角焊缝的应力情况很复杂，它的正常破坏形式均如图11-5中的截面A-A、B-B所示，并认为是由于剪切而破坏的。图

11-5搭接角焊缝的受力及破坏形式11.1.4焊缝的强度计算

在焊缝的强度计算中，通常都是假设应力均匀分布，且在不计残余应力的条件下进行简化计算，并根据实验来取定其许用应力。这样做的原因是：①焊接件受载时，焊缝附近的应力分布非常复杂，应力集中及内应力很难准确决定，作这样的条件性计算可使计算大为简化；②焊接件及焊缝本身多为塑性较大的材料，对应力集中不大敏感；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。

1.对接焊缝的强度计算方法对接焊缝在承受拉(压)力时(见图11-4(a))，其平均应力及强度条件为(11-1)

当承受如图11-4(b)所示的弯矩时，平均应力及强度条件为(11-2)

而当承受如图11-4(c)所示的弯矩时，平均应力及强度条件为

(11-3)

式中：F——拉力，单位为N；

M——弯矩，单位为N·mm；

l——焊缝的长度，单位为mm；［σ′］——焊缝许用拉应力，单位为MPa；［］——焊缝许用压应力，单位为MPa。

2.角焊缝的强度计算方法角焊缝的横截面一般取为等腰直角三角形(如图11-3(a)所示)，并取其腰长k等于板厚δ，危险截面的计算高度一般取a=ksin45°≈0.7k。特殊情况时，可查阅相关手册。如图11-5所示的搭接角焊缝中，承受拉(压)力时，角焊缝的平均应力及强度条件为

(11-4)

式中，∑l——焊缝的总长。对于端焊缝和侧焊缝，∑l=2l；对于组合焊缝，∑l为纵向、横向、斜向焊缝的长度之和。当组合焊缝受弯矩作用时，可分别按各焊缝所承受的弯矩进行计算，即根据作用在一对侧焊缝上的力偶矩的平衡条件，可得对称侧焊缝上的力矩为M1=0.7kl(h+k)·τ作用在端焊缝上的力矩，则根据其承受弯矩的条件，可得

由M=M1+M2可得焊缝的应力计算公式以及强度条件为

(11-5)在正交接焊中，角焊缝承受如图11-6(a)所示的拉(压)力时，其应力及强度条件为(11-6)

承受如图11-6(b)所示方向的弯矩时，角焊缝的应力及强度条件为(11-7)当承受如图11-6(c)所示方向的弯矩时，焊缝的应力及强度条件为(11-8)

式中：M——焊缝承受的弯矩； a——焊缝危险截面的计算高度; δ——焊接件的厚度。图11-6正交接焊中焊缝的受力情况在图11-6(d)所示的正交接焊接中，焊缝受扭矩作用，此时，焊缝的应力及强度条件为(11-9)

式中：T——焊缝承受的扭矩； R——焊接件的半径。当焊缝承受如图11-6(e)所示的弯矩时，其应力及强度条件为(11-10)

以上各式中，［τ′］——焊缝许用切应力。焊缝的许用应力取决于焊接工艺、焊条及焊接件的材料和载荷性质等，各行业中都有专门的规范，因此，选用时应符合行业规范要求。常用低碳钢焊接结构的静强度焊缝的许用应力列于表11-2中，以供参考。当焊接件承受变应力时，焊缝的许用应力应乘以应力降低系数γ。应力降低系数γ的值可根据σmin/σmax或τmin/τmax由图11-7查取。图11-7应力降低系数γ11.1.5焊接设计的注意事项

为了保证焊接的质量，避免未焊透或缺焊现象(见图11-8)，焊缝应按焊接件的厚度制成相应的坡口形式(见表11-1，坡口的尺寸查手册)或进行一般的倒棱修边工艺加工。但在焊接前，应对坡口进行清洗整理。图11-8未焊透与缺焊现象熔化的金属冷却时要收缩，因此使焊缝内部产生残余应力，导致构件翘曲。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的情况尽可能取得短些或分段进行焊接，并应避免焊缝交叉；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；焊后应经热处理(如退火)，以消除残余应力。此外，在焊接厚度不同的对接板件时，应将较厚的板件沿对接部位平滑辗薄或削薄到较薄板的厚度，以利焊缝金属均匀熔化，使承载时的力流得以平滑过渡。

在设计焊接件时，应注意恰当选择焊接件及焊条的材料；根据焊接件厚度选择焊接的类型、焊缝及坡口形式；合理布置焊缝及焊缝长度；正确安排焊接工艺，以避免施工不便及残余应力源。对于那些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，同时还应规定有一定技术水平的焊工进行焊接，并在焊后仔细地进行质量检验。

例11-1

校核图11-9所示工字钢支架焊缝的强度。已知：静载荷F=150000N，力臂l=150mm，焊缝腰长k=8mm，工字钢型号为25a，材料为Q235-A.F(A为质量等级，F代表沸

腾钢)，用E4303焊条手工焊接。

解由机械设计手册查知，25a型工字钢的尺寸是：高h=250mm，腿宽b=116mm，腿平均厚度t=13mm，腰厚d=8mm。图11-9焊接工字钢支架为了简化计算，设在横向F力作用下(l=0时)的剪力仅由两条竖直的焊缝承担(偏于安全)，两焊缝在联接面上的投影面积为A1=2k·(h-2t)，则由F在焊缝危险截面上产生的切应力为焊缝在联接面上的投影面积A2(见图11-9(c)，并略去上下腿两端很短的焊缝)的轴惯性矩Jx-x可近似为

于是在力矩M=F×l作用下，焊缝危险截面上产生的切应力为故得该工字钢焊缝危险截面上的合成切应力为

由于τ=93.71MPa<［τ′］=140MPa(由表11-2查得)，因此强度足够。11.2粘接

11.2.1粘接及其特点

粘接是利用胶粘剂将零件粘接在一起的一种不可拆联接。粘接技术近年来发展较快，应用非常广泛，它与螺纹联接、焊接、铆接等方法相比有许多独特优点，主要表现在以下几个方面:

(1)可以粘接不同性质的材料。两种性质完全不同的金属是很难焊接的，若采用铆接或螺钉联接容易产生电化学腐蚀。至于陶瓷等脆性材料则既不易打孔，也不能焊接，而采用粘接就会取得良好的效果。

(2)可以粘接一些不易焊接的异型、复杂、微小及大而薄的板结构件。有些结构复杂的部件若采用粘接方法制造和组装，比焊接和铆接省工、省时，还可避免焊接时产生的热变形和铆接时产生的机械变形；有些大面积薄板结构件若不采用粘接方法是难以制造的。

(3)粘接是贴合面间胶粘联接，粘接面应力分布均匀，且胶粘层具有缓冲和减振作用，使粘接接头具有良好的疲劳强度。

(4)胶粘层具有良好的密封性、绝缘性、防腐蚀性及其他特性，可根据使用要求使接头具有某些特殊性能，如导电、透明、隔热等。

(5)粘接工艺简便，操作方便，劳动条件好，生产率高，节约能源，成本低。

(6)粘接件比螺纹联接件、焊接件及铆接件的外形平滑，重量轻(可减轻25%左右)。粘接也具有以下缺点：

(1)粘接接头抗剥离、抗扯离和抗冲击的能力较低。

(2)多数胶粘剂的耐热性很低，使用温度局限性很大，通常在100～150℃下使用。少数胶粘剂如有机硅类胶粘剂要在300℃以上使用；无机胶粘剂的使用温度为600～1000℃，但太脆，经不起冲击。

(3)耐老化、耐酸碱等性能较差。

(4)粘接质量的影响因素很多，难以控制，而且检测较困难。11.2.2常用胶粘剂及其选择

1.结构胶粘剂

结构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，由这种胶粘剂得到的粘接件能承受较大的载荷。结构胶粘剂有酚醛-缩醛-有机硅胶粘剂、环氧-酚醛胶粘剂和环氧-有机硅胶粘剂等。它可用于各种金属结构件或蜂窝结构件的粘接，以及陶瓷、玻璃、玉石等非金属材料的粘接。

2.通用胶粘剂

通用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。通用胶粘剂有聚氨酯胶粘剂和酚醛-氯丁橡胶胶粘剂等。

3.特种胶粘剂

特种胶粘剂是指具有特殊用途(如防锈、绝缘、导电、透明、耐高温、耐低温、耐酸、耐碱等)的胶粘剂。它包括环氧导电胶粘剂和环氧超低温胶粘剂等。

在机械制造中，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、环氧-酚醛胶粘剂等。

胶粘剂的主要性能有粘接强度(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(涂抹性、流动性、有效储存期)以及其他特殊性能(如防锈、绝缘、导电等)。胶粘剂的力学性能因粘接件材料、环境温度、固化条件、胶层厚度、工作时间、工艺水平等的不同而存在差异。例如可用于粘接各种碳钢、合金钢、铝、镁、钛等合金以及各种玻璃钢的酚醛-缩醛-有机硅耐高温胶粘剂在粘接30CrMnSiA钢时，在常温下，剪切强度τB≥22.8MPa;200℃时,τB≥15.8MPa；300℃时，τB≥8.6MPa；350℃时，τB≥4MPa。各种胶粘剂牌号及其性能数据可查阅有关手册。

胶粘剂的选择原则主要是针对粘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粘剂的品种，并兼顾产品的特殊要求(如防锈、绝缘等)及工艺上的方便。此外，对受有一般冲击、振动的产品，宜选用弹性模量小的胶粘剂；在变应力条件下工作的粘接件，应选膨胀系数与零件材料的膨胀系数相近的胶粘剂等。11.2.3粘接的基本工艺过程

1.粘接件粘接表面的制备

粘接表面一般需经过除油处理、机械处理及化学处理，以便清除表面油污及氧化层，改造表面粗糙度，使其达到最佳粘接表面状态。表面粗糙度Ra对有机胶一般应为2.5~6.3μm，无机胶以25~100μm为宜,过高或过低都会降低粘接的强度。

2.胶粘剂的配制

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按比例妥善配制。

3.涂胶

采取适当的方法(如喷涂、刷涂、滚涂、浸渍、贴膜等)涂抹胶粘剂，以保证厚薄合适、均匀无缺、无气泡等。

4.清理

在涂胶装配后，还要清除粘接件上多余的胶粘剂。若产品允许在固化后进行机械加工或喷丸，则这一步也可在固化后进行。

5.固化

根据粘接件的使用要求、接头形式、接头面积等，恰当选定固化条件(如温度、压力及保持时间)，使粘接区域固化。

6.质量检验

对粘接产品主要是进行X光、超声波探伤、放射性同位素或激光全息摄影等无损伤检验，以防止粘接接头存在严重缺陷。11.2.4粘接接头的结构形式及受力状况

1.粘接接头的结构形式

粘接接头的典型结构见图11-10。

2.粘接接头的受力状况

粘接接头的受力状况有拉伸、剪切、剥离与扯离等，如图11-11所示。实践证明，粘接接头的抗剪切及抗拉伸能力强，而抗扯离及抗剥离能力弱。图11-10粘接接头的典型结构图11-11粘接接头的受力状况11.2.5粘接结构设计要点

粘接接头的设计要点是：

(1)针对粘接件的工作要求正确选择胶粘剂；

(2)合理选定接头形式；

(3)恰当选取工艺参数；

(4)充分利用粘接接头的承载特性，尽可能使粘接接头承受剪切或拉伸载荷，而避免承受扯离，特别是对剥离载荷，不宜采用粘接接头；

(5)从结构上适当采取防止剥离的措施，如加装紧固元件、在边缘采用卷边和加大粘接面积等，以防止从边缘或拐角处脱缝；

(6)尽量减小粘接接头缝处的应力集中，如将粘接接头处的板材端部切成斜角，或把胶粘剂和粘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，应在粘接面间增加玻璃布层等缓冲减振材料。11.3铆接

11.3.1铆接的特点及应用

铆接是利用铆钉将被联接件(通常都是板材或型材)联接在一起的一种不可拆联接。铆接按工艺不同可分为热铆和冷铆两种。热铆紧密性好，但铆杆与钉孔间有间隙，不能参与传力，常用于直径大于10mm的钢制铆钉。直径小于10mm的钢制铆钉，塑性好的有色、轻合金及合金制造的铆钉常用冷铆。冷铆时铆钉镦粗，涨满钉孔，铆杆与钉孔间无间隙。

铆接广泛用于建筑、铁路、桥梁、锅炉制造和金属结构等方面。

铆接的主要特点是：工艺简单、联接可靠、抗振、耐冲击。铆接与焊接相比较，其缺点是：结构笨重，铆孔会削弱被联接件截面强度的15%～20%，铆接操作的劳动强度大、噪声大、生产效率低。因此，铆接的经济性与紧密性不如焊接。11.3.2铆钉的主要类型

铆钉的类型很多，而且多数已标准化(见GB/T863.1—1986～GB/T876—1986等)。通用机械中常用铆钉的类型及其联接后的形式，见图11-12及图11-13。铆钉的尺寸与钉孔的直径可查标准GB/T152.1—1988。图11-12常用铆钉的类型图11-13常用铆钉联接后的形式11.3.3铆缝的形式

铆缝的基本形式如图11-14所示，可分搭接、单盖板对接和双盖板对接三种。根据铆钉的排数不同，铆缝又分单排(图11-14(b))、双排(图11-14(c))和多排(图11-14(a))。图11-14铆缝的形式11.3.4铆缝的受力及破坏形式

铆缝的受力及主要破坏形式如图11-15所示。

设计铆缝时，通常是根据承载情况及具体要求，先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。然后，分析铆缝受力时可能的破坏形式，并进行必要的强度校核，还应根据技术规范对铆接工艺提出相应的要求。图11-15铆缝的受力及破坏形式11.3.5铆缝的强度计算

在进行铆缝的强度计算时，通常都假定：①联接所受的横向力F通过铆钉组的形心，一组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被铆件贴合面上的摩擦力略去不计；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，还是一列铆钉与孔壁间的挤压应力，或是一个被铆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，上述假定大致上是可以成立的，故可直接按材料力学的基本公式进行强度校核。这里要特别强调指出的是，所用的许用应力必须根据有关专业的技术规范或规程取定。