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铆接、螺栓连 接和焊接的特点及其应用优劣


来源:焊割在线

19~20世纪,很多重 要的钢结构都采用铆接的方式,例如埃菲尔铁塔,和汽车骨架。20末期开始,大量结 构开始采用焊接的方式,例如汽车骨架,但是一 些需要轻量化同时又对强度有要求的结构,例如飞机机身、钢结构桥梁等,则采用 了螺丝连接的技术。铆接和 螺丝连接的具体区别在哪里,又为什 么桥梁采用螺丝连接而不是焊接呢?

 

下面从 不同角度来看这三种连接方式的特点:

1、 承受力。铆接的 承剪力较好而承拉力能力较差。镙接的 受拉受剪能力都不错。焊接也 是受拉受剪都可以,但怕撕裂。

2、 可拆卸。镙接是可拆卸连接,而铆接和焊接都不是。

3、 质量保证。镙接>铆接>焊接,焊接是 最不容易进行质量检验的,因此民 航飞机用焊接较少。

4、 改变零件材料性能。焊接影响最大,残余应 力变形问题较严重,对于桥 梁和汽车来说还可以承受,但对气 动外形要求高的飞机表面则不理想。

5、 成本。螺纹连 接高于铆接高于焊接。

6、 增加多余重量。螺纹链 接高于铆接高于焊接。

7、 异种材料连接。例如铝和钛、复材和钛、不同系列的铝合金,焊接是不太行的,飞机上 常见不同材料连接,所以严 重影响焊接的应用范围。

从上面比较,可以知 道为什么汽车和桥梁更多用焊接和螺纹链接,客机更 多用铆接和螺纹连接了。


每一种 连接技术都在进步,也衍生出不同的类型,比如铆接,有单面抽铆,自冲铆接等。

 

铆接

自冲铆 接现在汽车行业开始应用较多,一台设备都是天价。单面抽 铆主要用于结构不开敞的情况,包装行业用的很多,只是低端而已,飞机上 有很多比较高级的抽铆,还很难国产化。

比如焊接,激光焊 和搅拌摩檫焊接都是比较新的技术。激光焊 主要是热影响区小,变形小。搅拌摩 檫焊的机理实际没研究很清楚,半熔化 状态和其他焊接不太一样。飞机上 也开始用这些新技术。所以以 前认为汽车用焊接、飞机用 铆接的观点实际已经不确切了。

如果不 考虑制造装配的复杂度,单论连 接方式力学性能本身,对于土 木领域做现场施工,一般来 说是更倾向于用螺栓连接和焊接的,主要原 因就是可靠性与成本问题。

螺栓的 可靠性是最好的,特别是 高强螺栓摩擦型连接,对于工程来说,总是希 望使用的技术越可控越好,离散性越小越好的,这样才有利于实现“更低的 成本更高的可靠度”,在这样 的工程要求面前,高强度 螺栓摩擦型连接就是目前很理想的一种方式。

土木工 程领域的钢结构一般比较粗大,用的铆 钉和我们平时看到的使用气枪可以直接成型的冷铆铆钉不太一样,需要先 加热后再用铆枪把直端打成铆头。

加热->安装->锻打成型。这个过 程中实际上铆钉经受了“热处理”和“锻造”两个工艺,今天的 现代化工业条件下,热处理 和锻造大部分都是在冶金、机械加工厂内完成的。热处理的起始温度、升温降 温速度都需要控制,锻造也 是用高精度模具完成,现场加工环境下,显然两 者都无法很好的进行成本控制。

对于大 部分土木工程的现场安装来说,铆钉成 型之后在室外自然环境下降温,这一过程实际上是“退火”,退火使 得钢材强度降低而延展性上升,然而不 同于在电炉里面加热拿着温度计测量再靠自控装置控温的工厂化热处理,工程师 并不喜欢这样在野外自然发生的不受控退火,铆钉这 样放在构件里面自然退火,不能准 确知道强度会降低多少,会有多少残余应力,甚至如 果遇到了一些意外比如雨水、大风甚至会带来与“退火相反的“淬火”。

这种热 铆铆钉最终性能的离散性大,为了保 证工程整体可靠度,并不会 完全利用铆钉强度,这样会 增加铆钉需要的数量,带来浪 费和设计上的繁杂。加上施工比较繁琐,每个铆 钉用之前都还要加热,现在土 木领域这种热铆铆钉用的并不多了。


焊接

焊接是 比较万能的方式。曾经以 为焊接是件很简单的事情,然而等 到上过钢结构的课,看过一点资料,就发现事实并不是。焊接这 个过程牵涉到很多东西,是一个 非常庞大复杂的事情,整个过 程是各种理化反应的大集合。

焊接可 以是一个专门的专业,而且不是高职、专科技术学校的焊接,是正儿 八经研究型大学的专业,国内比 较有名的就是哈工大的焊接技术专业了。

很多软件比如MARCNASTRAN都开发 了针对焊接的模块用于模拟焊接过程。即使是 土木工程领域内部,也仍然 有大量的学者在研究焊接对结构的影响,足见焊接的复杂程度。

焊接会 让连接区域的材料融化,连接区 域附近材料也会经受高温,所以土 木工程的现场施工条件下,由于温 度比铆钉更高达到熔化程度,冷却再 结晶导致的残余应力甚至可以达到材料屈服强度。

对周边 区域产生的热处理效应不可控,周围材 料强度和韧性都发生变化。同时焊 接过程不只是物理变化,还会和周围气体、焊药发生反应,产生一些残渣。

现场焊 接一般是人工焊接,人总是难免手残,手残一 下就会留下咬边、虚焊还 有焊瘤等等一堆缺陷。零零总总各种毛病,这样对结构刚度、疲劳性能都有影响。

同时,并不是 所有材料都能很容易的焊接,也就是可焊性,特别是 现场施工环境下。铝这样 的金属就不说了,工厂里面要求都很高,现场更难。

土木用 的最多的是钢材,钢材可 焊性也有很大差异,高强钢材、合金钢 一般可焊性都不太好。可焊性差原因比较多,不同材料不同,铝因为 氧化物熔点太高,冷却太 快以及和焊接中的反应,钢材一 般是各种合金成分(碳、其他金属等)在焊接中的反应所致。


螺栓

相比铆钉和焊接,螺栓连 接在现场施工环境下受控程度就高得多了,没有加热过程,不存在 不受控热处理的问题。构件和 螺栓都是工厂环境生产,产品一致性相当好,现场只要拧就可以了。

承压型 连接和铆钉类似但是螺栓强度和品质稳定性好于铆钉。摩擦型 连接则不太一样,现场施 工还有一个有点棘手的问题——摩擦力控制。摩擦力 受接触面压力和表面粗糙度影响,但是现在剪扭螺栓、力矩扳 手和表面处理工艺已经可以解决这个问题。

剪扭螺 栓一端是类似铆钉的圆头,没有棱角,拧螺栓 是通过另一端的花键(或称梅花头),花键和 螺栓之间有一个收缩的细颈,当构件 和螺栓之间摩擦力产生的力矩达到颈部的抗扭极限,花键就被扭掉了。力矩扳 手可以调节最大输出力矩,达到之后就会打滑,用来拧 大六角螺栓可以达到和剪扭螺栓类似的效果。

不会因 为今天老王感冒了拧不上劲,也不会 因为老王今天晚上要去隔壁太兴奋拧过头(螺栓拧太紧会坏)。表面处 理可以在工厂内进行,喷砂之 后现场打磨或者喷砂之后涂防锈漆就可以了,这样处 理之后摩擦系数还是相当稳定。

使用摩擦型连接,构件之 间传力是通过摩擦力,所以连 接性能基本等同于构件本身,这是最 符合设计理念的,强度刚度、疲劳性能都有保障。


你以为 我要说螺栓连接万岁嘛,NO

但凡现 场装过钢结构的人,都知道 螺栓连接安装是多么蛋疼。螺栓孔 因为各种原因死活对不上(制造误差、焊接变形、受力变形······),就差一 毫米螺栓放不进去不是什么稀罕事。

用莱因 哈特的大锤把剪力销子打进孔里,把孔硬对上了,结果两 个构件又不贴合了,螺栓拧不紧了。现场打 孔校正的话又可能削弱构件过多,有时要 补焊或者做钢套补孔,这很费事。

很多时 候不能构件之间直连需要连接板,还有别 忘掉剪扭螺栓那个被拧掉的花键,这些都 计算进去会大大增加材料用量,螺栓按 重量计可比普通Q345Q235贵,所以用 螺栓连接价格感人。

焊接就 没有这样的烦恼,位置相 差不要太多都可以直接焊上。焊接还 有一点就是速度快,同时焊 枪不仅可以连接还可以切割,施工有 错误可以迅速修正。

焊接大 部分时候都可以构件之间直连不需要额外的连接板,材料也比较省。同时对 于电弧焊可焊好的钢材一般强度不是非常高,焊缝强 度可以做到高于母材,加之焊 接区域满布整个构件,留下了 足够多安全余量,可靠性有足够保证。

所以在 现场安装时候焊接是非常常见的,因为真的很方便。

其实各 种方法不能适用的时候都是在于不能在【特定环 境下用足够低的成本得到需要的稳定质量】,现场焊 接质量不稳定的原因在于外部环境不可控,人为操作不可可靠,

所以如 果把焊接挪到工厂环境就大大不一样,自动化的焊机,封闭的厂房,焊完之后还有矫直、打磨、热处理 等工序帮助调节焊接变形,减小残余应力,有大型 的探伤设备帮助检测焊缝质量可以进行修补。

因此在 工厂环境下生产一些非标构件最好的办仍然是焊接。而铆钉 同样的可以利用一些更好的技术得到提升,比如加热过程,早先是炭炉,现在出现了电炉,利用涡 流加热的原理快速加热铆钉。

铆钉由 于加热后再降温,会对板 件有相当大的压力,可以压紧板件,而且由 于铆钉本身韧性比较好,对于承 受动力荷载的结构有时还会采用,修补一 些老钢桥也仍然需要继续使用铆钉,比如下图,选自广 州日报修补海珠桥的新闻。

因为土 木粗大笨的特点,这种热 铆钉在土木领域确实式微,但是连 接一些轻灵的蒙皮、薄板时候,冷铆钉(比如最常见的拉铆钉)比螺栓轻省料,加之薄板不易焊接,又能适 用于不同类型材料的连接,而且连 接需要的强度不大,还是挺合适的。

土木领 域一般用于连接一些薄壁型钢、压型钢板,都是很薄的构件,大家最 常见的就是施工工地的临时围挡。

所以,用什么方式连接,得考虑:

1、对力学性能的要求;

2、施工的条件;

3、允许的钱。


每种连 接方式都有自己适用的范围。

对于航 空航天这样的领域铆钉还是有很多用途,不过那不是我的专业,等其他 航空航天的朋友来讲更多。

我从造 船角度总结一下:

铆接(riveted)在二战 之前的船舶建造上普遍应用,现在已经过时了。 尽管在船舶业淘汰,现代飞 机制造依然在使用铆接,但是现 代飞机的铆接与二战前的船舶铆接有很大区别。由于需要减轻空重,飞机材 料大部分采用的是铝(aluminum)和复合材料(composites)。铝不容易焊接,而复合材料不能焊接。考虑飞 机也必须得防水,铆接是 飞机建造的最佳选择。

螺栓连接(bolted)大多只用于陆地建筑(楼房、桥梁、起重机、船舶/海洋平 台甲板上安装的设施)。螺栓连 接的结构容易拆,但是不防渗水,螺栓本身也容易生锈(水可以 堆积在螺栓的槽里)。

焊接(welded)基本上 是当今船舶业唯一使用的部件连接方法(完全替代了铆接riveted),同时也用于陆地建筑。相比螺栓连接,焊接的优点是不渗水。相比铆接,焊接的优点是速度快,当代的 焊接技术质量也更加可靠。缺点是不易拆,拆除时 必须炸掉或者切掉,损坏原材料的重用性。

铆接为 什么被船舶业淘汰呢?除了建造速度慢以外,二战前的铆接(riveted)船体结 构可以比喻成一块苏打饼干,而以现代焊接(welded)技术建 造的新泰坦尼克号可以被比喻成一块橡皮泥。

任何大 型金属结构的要害实际上是位于部件的连接点!无论是船、飞机、车辆还 是火箭都是如此。两张连 接起来的板子不可能强于一张一次性合成的板子。

关于焊接:保守为上,你不能 完全相信工厂里的焊接结果。即使焊 接材料比母材料强,交界线 上的母材料在焊接后依然会弱化。切记!

前面的 各位已经说得很好了,我就以 实际工程为例说一下吧(我就擅 长寓教于乐啊怎么办),以一个 门式钢架的钢结构厂房为例。因为铆 接对于普通钢结构建筑物成本高、施工难度大,所以我 们就讨论一下焊接和螺栓连接吧。

我们对 一个带吊车的厂房的要求有如下几点:

1、厂房自 身满足可靠性要求,即安全性、舒适性、耐久性。

2、吊车是动力设备,所以需 要满足吊车的动力荷载需求。

3、厂房在 厂区搬离后是否需要拆除,材料可 重复利用的空间又有多少。

首先,从门钢 的钢柱和基础连接说起。柱脚分刚接和铰接,对于动力设备,我们倾向于做成刚接,因为吊车的动荷载,尤其是 水平的刹车荷载很容易造成整体失稳。

那柱脚 处我们可以采用焊接或螺栓连接的方式,可是,焊接在 此处操作性不高。因为柱 脚和柱下基础连接,如果是满焊,很容易 造成焊缝不饱满等问题,并且很 难保证在焊接过程中柱子的稳定性。

你撅着 屁股一边看着手里的焊条,一边看 着上面晃晃悠悠要倒的柱子害怕不,你说!

其次,再说梁柱节点,这个就无所谓了,只要是做成刚接,螺栓和焊接均可,但是焊缝容易生锈,而做钢 结构的厂家得靠谱,螺栓孔要是有点偏差,分分钟哭死你。

再次,抗风柱 这种必须搞成铰接的,就别犹豫了,拿着螺栓咣咣一顿,拧上多痛快。

最后,牛腿这种长得难看,看着头疼的,焊一焊多好,为啥?用螺栓分分钟拧死你。。再看看,敲黑板了!有那么 大地方拧那么多螺栓嘛!

最最后,要是某 天真的是厂子黄了(老板别打我),螺栓连接的多好拧,俩人一天就拧仨厂房,晚上背着就卖了去了~~

综上所述,如果连 接需要是铰接时,请用螺栓。如果是刚接时,看情况、看难度、看焊工 哥哥心情和水平。。

螺栓连接省事、需要技术水平不高、但是对厂家要求较高。

焊接连接省钱、对材料 可悍性要求较高,对焊工要求较高,完事还 要请检测单位进行检测,但是厂家很愉快,不至于 差几毫米你去闹场子,所以他 会愿意给你打折的。

但是,如果最 终想着万一政府拆迁征了你家厂子的地,用螺栓 连接就可以今天要了厂房的赔偿款,明天就 找块地又像搭积木一样搭起来了~

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