构件的连接（二）

——金属构件的连接

对于金属构件的连接就不能用木材或石材那样通过榫卯来连接了。固然也有少量的连接是从榫卯连接那里移用过来的，例如图1所示的键连接，它是把左下的一根轴和右上的齿轮连接在一起，以便轴和齿轮同步旋转，我们看到轴上有一个键槽，齿轮的内孔上也有一个键槽，在轴上方的那个键就插在这两个键槽之间使轴和齿轮牢固地连接在一起。键的作用有点像我们介绍过的榫卯连接中的楔钉的作用。在机械领域固然键连接用得也很普遍，不过我们认为，它并不是由于金属构件独特的特点发展起来的连接方式。

图1 键连接

针对金属构件发展起来的独特的连接方式有哪些呢？，我们下面要主要介绍的是：焊接、铆接、螺栓连接和粘接四种。

一．            焊接

焊接是把两个金属构件要连接的地方用高温使其熔化后粘接在一起，一般是用一种比构件熔点低的金属焊条加温熔化后把两个构件粘接在一起。焊接的办法也用在两种塑料构件的连接上。它的实质是使构件的原子和分子之间产生结合，所使用的方法是加热或加压，或同时加热又加压。

焊接办法产生得很早，我们平常说“好钢用在刀刃上”就是把好钢的刀刃与熟铁的刀背通过锻造焊接在一起的，这种办法在战国时代就已经有了。与此同时还有铸焊、铆焊、钎焊，但加热的方法，都是火炉，加热的范围太大、不集中、温度又低，所以几千年进步不大。只有到了十九世纪末、二十世纪，随着近代科技的发展才有大的改变。先后出现了燃烧乙炔加热的气焊、用电弧加热的电弧焊、薄药皮的焊条电弧焊、等离子弧焊、激光焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊等新技术，由于焊点的高温，金属容易氧化，而氧化层又严重地影响焊接质量，针对这个问题出现了熔化极惰性气体保护焊、二氧化碳气体保护焊等革新。

目下，焊接的方法很多，一般都根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来分类，一般可归结为以下三类，不同的焊接对象与接头特点需要选用最适宜的焊接方法连接。

1、熔化焊熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。

2、压焊压焊是通过对焊件施加压力（加热或不加热）来完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。

3、钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。它包括硬钎焊、软钎焊等。

焊接连接多用在连接处需要密切不留痕迹的对接地方，例如船舶外壳的板材必须用焊接连接，自行车车轮毂与车架，输气或输送液体的的管道连接、高压气体的容器等也多用焊接。图2 所示就是进行船舶外壳焊接的情形。

图2 船舶外壳的焊接

焊接连接的优点是连接比较密实，不会有漏气漏水的问题。焊接可以减少结构的总重，比起铆接和螺栓连接节约不少材料。另外焊接连接的强度一般不比基材的强度差。所以焊接被广泛应用。

但是由于焊接的地方是要经过加热熔化，所以局部的金属组织结构就有被改变的可能。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用时，发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬火硬化或退火软化现象，使焊件性能下降。还有一个问题就是由于加热后构件连接在一起，在冷却后，构件在焊接时温度高低分布，所以在冷却时不同点的收缩比例也就不同，就会产生焊接残余应力和焊接变形。这些都会降低焊接的质量，使结构精度降低并且在受力后比较容易破坏。为克服焊接产生的这些问题，需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。另外，由于操作不当，焊接有时会产生焊接缺陷，使焊接处产生气泡、焊缝留有未焊透的空隙和焊缝留有焊渣等问题。

二．            铆接

铆接就是把两个厚度不大的板构件，通过在要连接的部位上打洞，然后将铆钉放进去，用铆钉枪冲击或加压机将铆钉铆死而将两个板构件的物体连接在一起的方法。比起焊接来说，由于焊接是把两个构件的通过原子分子的结合而融合为一体，而铆接，两个构件物理上还各是各，只是通过铆钉把它们连接在一起。所以铆接比起焊接来说，密实程度要低。但由于铆施工比较方便，所以还是有大量的结构使用铆钉连接的。我们在第一节中谈到巴黎的艾菲尔斯铁塔，就全部是用250万个铆钉把18038个构件连接在一起的。图3 是上海建于1908年的浙江路桥。可以看出全桥密密麻麻的铆钉，完全是用铆钉连接的钢结构。图4是凸头铆钉铆接的过程。

图3 建于1908年的上海百年浙江路桥

铆接有热铆和冷铆的区分，冷铆要求铆钉的可塑性比较好，在常温下就能够产生镦头那样很大的塑性变形把构件铆死，对于比较大的构件，铆钉尺寸比较大，不妨说钉杆大于10mm的钢铆钉则需要热铆，即把铆钉加热到1000°C左右能够产生足够大的塑性变形的条件下，进行冲击铆接。

一般凸头铆钉会影响连接后结构的外形，例如在飞机蒙皮上用铆钉，铆钉的凸起对空气动力有影响，所以人们研究出许多新型的埋头铆钉，如图5。在对外力的反应来说，铆接比焊接对冲击和振动的耐受性要好得多，所以钢结构桥梁结构多用铆接。

图4 一般凸头铆钉铆接的过程

图5各种铆钉头部形状和埋头铆钉

图6 各种实心和空心的不同的铆钉

图7 典型的铆接件，１为铆钉；２、３为被联接件；４为盖板。

三．            螺栓连接

谈到螺栓连接，需要把话拉长一点，先从钉子谈起。因为从钉子到螺栓都统称为紧固件。

钉子的历史很长，无论中外，最早手工打造的钉子都是四棱形的椎体。自人类有铜的时代就开始有这种钉子，后来有铁器了又有铁制的钉子。这些钉子一直是用来连接木质构件的，特别是小的木质构件。至于建筑结构上的大构件，称为大木作，还有比较精致的家具，一般都用榫卯连接而不用钉子。一直到19世纪，所有的钉子都是手工制作的。机制的钉子，是分两步走的，最早的机制钉子是将一块适当厚度的铁板，宽度与钉子的长度一样，靠机器一条一条地剪切下来，进一步捶锻撴出顶头，这种办法称为剪板法，西方各国一直沿用到二十世纪初。所制造出的钉子仍然是四棱锥形，比起手工钉子略扁。

图8 上边为手工钉、中间为剪板钉、下边为铁丝圆钉

后来由于发明了轧制铁丝或钢丝的方法，人们把成盘的铁丝剪成一段一段，然后把一头撴出钉头，另一头锻尖，这就是铁丝法制钉。用铁丝制作钉子是十九世纪末的事情。到二十世纪初才得到大规模生产普及应用。也就相当于清末民初，这种机制圆钉才大规模进口到中国，淘汰掉中国老式手工方形钉，中国人早先称这种圆钉为洋钉。（图8）

螺丝的生产大约是和近代产业革命同步的，在18世纪70年代英国人发明了车床，于是就能够用车床车螺丝了。一直到19世纪中叶，人们一直是用车床来车螺丝的，到1836年美国人才开始有螺纹滚压工艺的专利，螺丝才开始能够大规模生产。用车床车螺丝，既浪费材料又费工，所以要作为大规模紧固原件是不可能的，滚压螺纹既省料又省时，这才为螺丝作为的紧固件的普及开辟了道路。所以实际上，大规模把螺丝应用到钢结构构件的连接上，是19世纪末到二十世纪初的事情。

螺栓连接的最大的优点是施工简单，拆卸和重组装都很方便，所以适宜用螺栓连接的地方大半都会采用螺栓连接。特别是在机械行业，小到钟表大到大型发动机，大部分构件都是用螺栓与螺母连接的。迄今螺栓连接已经发展得花样繁多。小的螺丝有使用十字和一字不同改锥的，大的螺栓有外六角和内六角的。特别是国际上比较流行的有两种标准，即公制与英制。此外还有美制螺纹标准。我国一般都采用公制，遇到别的标准的构件使用的时候需特别注意。图9和图10 是一些常见的紧固件。图11是有工字钢用螺栓连接成的框架结构在一个节点上的情形。有一种把两根杆件接续起来的方法（图12），就是套筒连接，把要接续的两端都攻出螺纹，然后用有螺纹的套筒把它们连接起来。

近年来出现了一种装配式网架结构（图13），其施工方式很简单，把构件运到现场，一个个构件的螺纹端拧进由连接球组成的节点就完成了。每根杆两端是不同的，一端直接由螺纹连接连接球，另一端要由高强度螺栓来连接杆与连接球（图14）。

图9 小的螺丝与螺栓紧固件

图10 螺栓与螺母

图11 用螺栓连接的钢结构节点

图12 用套筒把两根钢筋连接在一起

图13  网架结构

图14 网架的连接节点

四．        胶接

胶接是利用胶粘剂在联接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件起来的方法。胶接不仅适用于同种材料，也适用于异种材料。胶接工艺简便，胶接件不大产生变形，接头应力分布也比较均匀，胶接处具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。

人类应用胶接的历史很长，有几千年的历史。早期一直是使用天然的皮胶、鱼鳔胶、淀粉胶和树脂胶等。胶接的构件又以木质构件居多，大部分情形下，榫卯连接与胶接并用。二十世纪三十年代出现了高分子化学工业，有人造树脂人造橡胶的出现，之后以这些高分子材料为基料的粘结剂大量出现。二次世界大战期间，英国人把胶接法用在部分飞机结构上，后来德国人又把它用于钢铁构件的连接。

即使在现今，胶接技术仍然大量用在木材加工上，用在大量的层合板、组合版、木制家具上。胶接技术还大量用在金属与非金属构件之间的粘结，修补含有沙眼和磨损的机械零件。对于受力不大的构件之间的连接可以直接使用胶接，对于受力较大的构件之间的连接则可以与铆接、螺栓连接联合使用。胶接能够减轻结构的重量，所以胶接被大量应用于航空工业中，特别是近年来航空工业中复合材料的大量应用，胶接技术用得也就随之增加。

在介绍完构件的主要连接方式后，我们还要介绍一种不用连接的连接方法。这种连接方法，很简单，起源很早，即把一个构件简单地搁置在另一构件上。随着结构愈来愈大，愈来愈复杂，这种简单搁置的连接方法又产生重要的应用。当结构的跨度很大时，例如桥梁的跨度很大时，梁随温度变化的伸缩变形就会相当可观，如果采用我们上面说的那些把构件固接的连接方式，桥梁的伸长就足以引起桥墩的破坏。为此就要采用一种柔性连接的方式把桥梁与桥墩连接起来。这时也不能采用简单的搁置，因为桥梁很重，梁和桥墩之间的摩擦力很大，桥梁还是无法自由伸缩。为此人们研究一种特别的桥梁支座。目前一般是采用一种不可压缩但易于产生剪切变形的材料做成支座（图16）。当然还有滚柱式或其他的方式，不管是什么方式，其原理是要在上部结构变形时对下部构件的受力影响不大。这种连接方式统称为柔性连接。

图15 桥梁的支座

1-上钢板，2-不锈钢板，3-四氯滑板支座，4-下钢板，5-防尘罩，6-锚固螺栓孔，7-支座垫石，8-梁底预埋钢板，9-导向板

图16 四氯滑板支座示意

我们已经介绍过迄今为止，各种材质构件连接的最主要的几种方式。一种方式的应用与推广，首先要考虑的是它的力学上的合理性与强度上的可靠性，其次便是他是不是方便和便于普及。在满足力学上的合理性的前提下，人们研究和改善各种办法使它易于推广应用。例如现今人们下大力量研究的焊接与铆接的自动化，焊接机器人就属于这方面的努力。加强自动化不仅能够节省人力，同时又能够改善连接的质量，使连接更为可靠。胶接法施工比较方便，但是在强度方面的可靠性就不容易控制，提高胶接技术的力学和强度性能乃是当今对胶接技术研究的重点。

                                                2016/8/23