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行業新聞
螺絲廠家鉚接、螺栓連接和焊接的特點及其應用優劣

發布時間:2018-09-04 17:52:03
螺絲廠家鉚接、螺栓連接和焊接的特點及其應用優劣


在19~20世紀,很多重要的鋼結構都采用鉚接的方式,例如埃菲爾鐵塔,和汽車骨架。20末期開始,大量結構開始采用焊接的方式,例如汽車骨架,但是一些需要輕量化同時又對強度有要求的結構,例如飛機機身、鋼結構橋梁等,則采用了螺絲連接的技術。鉚接和螺絲連接的具體區別在哪里,又為什么橋梁采用螺絲連接而不是焊接呢?

 

下面從不同角度來看這三種連接方式的特點:

1、 承受力。鉚接的承剪力較好而承拉力能力較差。鏍接的受拉受剪能力都不錯。焊接也是受拉受剪都可以,但怕撕裂。

2、 可拆卸。鏍接是可拆卸連接,而鉚接和焊接都不是。

3、 質量保證。鏍接>鉚接>焊接,焊接是最不容易進行質量檢驗的,因此民航飛機用焊接較少。

4、 改變零件材料性能。焊接影響最大,殘余應力變形問題較嚴重,對于橋梁和汽車來說還可以承受,但對氣動外形要求高的飛機表面則不理想。

5、 成本。螺紋連接高于鉚接高于焊接。

6、 增加多余重量。螺紋鏈接高于鉚接高于焊接。

7、 異種材料連接。例如鋁和鈦、復材和鈦、不同系列的鋁合金,焊接是不太行的,飛機上常見不同材料連接,所以嚴重影響焊接的應用范圍。

從上面比較,可以知道為什么汽車和橋梁更多用焊接和螺紋鏈接,客機更多用鉚接和螺紋連接了。


每一種連接技術都在進步,也衍生出不同的類型,比如鉚接,有單面抽鉚,自沖鉚接等。

 

鉚接

自沖鉚接現在汽車行業開始應用較多,一臺設備都是天價。單面抽鉚主要用于結構不開敞的情況,包裝行業用的很多,只是低端而已,飛機上有很多比較高級的抽鉚,還很難國產化。

比如焊接,激光焊和攪拌摩檫焊接都是比較新的技術。激光焊主要是熱影響區小,變形小。攪拌摩檫焊的機理實際沒研究很清楚,半熔化狀態和其他焊接不太一樣。飛機上也開始用這些新技術。所以以前認為汽車用焊接、飛機用鉚接的觀點實際已經不確切了。

如果不考慮制造裝配的復雜度,單論連接方式力學性能本身,對于土木領域做現場施工,一般來說是更傾向于用螺栓連接和焊接的,主要原因就是可靠性與成本問題。

螺栓的可靠性是最好的,特別是高強螺栓摩擦型連接,對于工程來說,總是希望使用的技術越可控越好,離散性越小越好的,這樣才有利于實現“更低的成本更高的可靠度”,在這樣的工程要求面前,高強度螺栓摩擦型連接就是目前很理想的一種方式。

土木工程領域的鋼結構一般比較粗大,用的鉚釘和我們平時看到的使用氣槍可以直接成型的冷鉚鉚釘不太一樣,需要先加熱后再用鉚槍把直端打成鉚頭。

加熱->安裝->鍛打成型。這個過程中實際上鉚釘經受了“熱處理”和“鍛造”兩個工藝,今天的現代化工業條件下,熱處理和鍛造大部分都是在冶金、機械加工廠內完成的。熱處理的起始溫度、升溫降溫速度都需要控制,鍛造也是用高精度模具完成,現場加工環境下,顯然兩者都無法很好的進行成本控制。

對于大部分土木工程的現場安裝來說,鉚釘成型之后在室外自然環境下降溫,這一過程實際上是“退火”,退火使得鋼材強度降低而延展性上升,然而不同于在電爐里面加熱拿著溫度計測量再靠自控裝置控溫的工廠化熱處理,工程師并不喜歡這樣在野外自然發生的不受控退火,鉚釘這樣放在構件里面自然退火,不能準確知道強度會降低多少,會有多少殘余應力,甚至如果遇到了一些意外比如雨水、大風甚至會帶來與“退火”相反的“淬火”。

這種熱鉚鉚釘最終性能的離散性大,為了保證工程整體可靠度,并不會完全利用鉚釘強度,這樣會增加鉚釘需要的數量,帶來浪費和設計上的繁雜。加上施工比較繁瑣,每個鉚釘用之前都還要加熱,現在土木領域這種熱鉚鉚釘用的并不多了。


焊接

焊接是比較萬能的方式。曾經以為焊接是件很簡單的事情,然而等到上過鋼結構的課,看過一點資料,就發現事實并不是。焊接這個過程牽涉到很多東西,是一個非常龐大復雜的事情,整個過程是各種理化反應的大集合。

焊接可以是一個專門的專業,而且不是高職、??萍夹g學校的焊接,是正兒八經研究型大學的專業,國內比較有名的就是哈工大的焊接技術專業了。

很多軟件比如MARC、NASTRAN都開發了針對焊接的模塊用于模擬焊接過程。即使是土木工程領域內部,也仍然有大量的學者在研究焊接對結構的影響,足見焊接的復雜程度。

焊接會讓連接區域的材料融化,連接區域附近材料也會經受高溫,所以土木工程的現場施工條件下,由于溫度比鉚釘更高達到熔化程度,冷卻再結晶導致的殘余應力甚至可以達到材料屈服強度。

對周邊區域產生的熱處理效應不可控,周圍材料強度和韌性都發生變化。同時焊接過程不只是物理變化,還會和周圍氣體、焊藥發生反應,產生一些殘渣。

現場焊接一般是人工焊接,人總是難免手殘,手殘一下就會留下咬邊、虛焊還有焊瘤等等一堆缺陷。零零總總各種毛病,這樣對結構剛度、疲勞性能都有影響。

同時,并不是所有材料都能很容易的焊接,也就是可焊性,特別是現場施工環境下。鋁這樣的金屬就不說了,工廠里面要求都很高,現場更難。

土木用的最多的是鋼材,鋼材可焊性也有很大差異,高強鋼材、合金鋼一般可焊性都不太好??珊感圆钤虮容^多,不同材料不同,鋁因為氧化物熔點太高,冷卻太快以及和焊接中的反應,鋼材一般是各種合金成分(碳、其他金屬等)在焊接中的反應所致。


螺栓

相比鉚釘和焊接,螺栓連接在現場施工環境下受控程度就高得多了,沒有加熱過程,不存在不受控熱處理的問題。構件和螺栓都是工廠環境生產,產品一致性相當好,現場只要擰就可以了。

承壓型連接和鉚釘類似但是螺栓強度和品質穩定性好于鉚釘。摩擦型連接則不太一樣,現場施工還有一個有點棘手的問題——摩擦力控制。摩擦力受接觸面壓力和表面粗糙度影響,但是現在剪扭螺栓、力矩扳手和表面處理工藝已經可以解決這個問題。

剪扭螺栓一端是類似鉚釘的圓頭,沒有棱角,擰螺栓是通過另一端的花鍵(或稱梅花頭),花鍵和螺栓之間有一個收縮的細頸,當構件和螺栓之間摩擦力產生的力矩達到頸部的抗扭極限,花鍵就被扭掉了。力矩扳手可以調節最大輸出力矩,達到之后就會打滑,用來擰大六角螺栓可以達到和剪扭螺栓類似的效果。

不會因為今天老王感冒了擰不上勁,也不會因為老王今天晚上要去隔壁太興奮擰過頭(螺栓擰太緊會壞)。表面處理可以在工廠內進行,噴砂之后現場打磨或者噴砂之后涂防銹漆就可以了,這樣處理之后摩擦系數還是相當穩定。

使用摩擦型連接,構件之間傳力是通過摩擦力,所以連接性能基本等同于構件本身,這是最符合設計理念的,強度剛度、疲勞性能都有保障。


你以為我要說螺栓連接萬歲嘛,NO!

但凡現場裝過鋼結構的人,都知道螺栓連接安裝是多么蛋疼。螺栓孔因為各種原因死活對不上(制造誤差、焊接變形、受力變形······),就差一毫米螺栓放不進去不是什么稀罕事。

用萊因哈特的大錘把剪力銷子打進孔里,把孔硬對上了,結果兩個構件又不貼合了,螺栓擰不緊了?,F場打孔校正的話又可能削弱構件過多,有時要補焊或者做鋼套補孔,這很費事。

很多時候不能構件之間直連需要連接板,還有別忘掉剪扭螺栓那個被擰掉的花鍵,這些都計算進去會大大增加材料用量,螺栓按重量計可比普通Q345Q235貴,所以用螺栓連接價格感人。

焊接就沒有這樣的煩惱,位置相差不要太多都可以直接焊上。焊接還有一點就是速度快,同時焊槍不僅可以連接還可以切割,施工有錯誤可以迅速修正。

焊接大部分時候都可以構件之間直連不需要額外的連接板,材料也比較省。同時對于電弧焊可焊好的鋼材一般強度不是非常高,焊縫強度可以做到高于母材,加之焊接區域滿布整個構件,留下了足夠多安全余量,可靠性有足夠保證。

所以在現場安裝時候焊接是非常常見的,因為真的很方便。

其實各種方法不能適用的時候都是在于不能在【特定環境下用足夠低的成本得到需要的穩定質量】,現場焊接質量不穩定的原因在于外部環境不可控,人為操作不可可靠,

所以如果把焊接挪到工廠環境就大大不一樣,自動化的焊機,封閉的廠房,焊完之后還有矯直、打磨、熱處理等工序幫助調節焊接變形,減小殘余應力,有大型的探傷設備幫助檢測焊縫質量可以進行修補。

因此在工廠環境下生產一些非標構件最好的辦仍然是焊接。而鉚釘同樣的可以利用一些更好的技術得到提升,比如加熱過程,早先是炭爐,現在出現了電爐,利用渦流加熱的原理快速加熱鉚釘。

鉚釘由于加熱后再降溫,會對板件有相當大的壓力,可以壓緊板件,而且由于鉚釘本身韌性比較好,對于承受動力荷載的結構有時還會采用,修補一些老鋼橋也仍然需要繼續使用鉚釘,比如下圖,選自廣州日報修補海珠橋的新聞。

因為土木粗大笨的特點,這種熱鉚釘在土木領域確實式微,但是連接一些輕靈的蒙皮、薄板時候,冷鉚釘(比如最常見的拉鉚釘)比螺栓輕省料,加之薄板不易焊接,又能適用于不同類型材料的連接,而且連接需要的強度不大,還是挺合適的。

土木領域一般用于連接一些薄壁型鋼、壓型鋼板,都是很薄的構件,大家最常見的就是施工工地的臨時圍擋。

所以,用什么方式連接,得考慮:

1、對力學性能的要求;

2、施工的條件;

3、允許的錢。


每種連接方式都有自己適用的范圍。

對于航空航天這樣的領域鉚釘還是有很多用途,不過那不是我的專業,等其他航空航天的朋友來講更多。

我從造船角度總結一下:

鉚接(riveted)在二戰之前的船舶建造上普遍應用,現在已經過時了。 盡管在船舶業淘汰,現代飛機制造依然在使用鉚接,但是現代飛機的鉚接與二戰前的船舶鉚接有很大區別。由于需要減輕空重,飛機材料大部分采用的是鋁(aluminum)和復合材料(composites)。鋁不容易焊接,而復合材料不能焊接??紤]飛機也必須得防水,鉚接是飛機建造的最佳選擇。

螺栓連接(bolted)大多只用于陸地建筑(樓房、橋梁、起重機、船舶/海洋平臺甲板上安裝的設施)。螺栓連接的結構容易拆,但是不防滲水,螺栓本身也容易生銹(水可以堆積在螺栓的槽里)。

焊接(welded)基本上是當今船舶業唯一使用的部件連接方法(完全替代了鉚接riveted),同時也用于陸地建筑。相比螺栓連接,焊接的優點是不滲水。相比鉚接,焊接的優點是速度快,當代的焊接技術質量也更加可靠。缺點是不易拆,拆除時必須炸掉或者切掉,損壞原材料的重用性。

鉚接為什么被船舶業淘汰呢?除了建造速度慢以外,二戰前的鉚接(riveted)船體結構可以比喻成一塊蘇打餅干,而以現代焊接(welded)技術建造的新泰坦尼克號可以被比喻成一塊橡皮泥。

任何大型金屬結構的要害實際上是位于部件的連接點!無論是船、飛機、車輛還是火箭都是如此。兩張連接起來的板子不可能強于一張一次性合成的板子。

關于焊接:保守為上,你不能完全相信工廠里的焊接結果。即使焊接材料比母材料強,交界線上的母材料在焊接后依然會弱化。切記!

前面的各位已經說得很好了,我就以實際工程為例說一下吧(我就擅長寓教于樂啊怎么辦),以一個門式鋼架的鋼結構廠房為例。因為鉚接對于普通鋼結構建筑物成本高、施工難度大,所以我們就討論一下焊接和螺栓連接吧。

我們對一個帶吊車的廠房的要求有如下幾點:

1、廠房自身滿足可靠性要求,即安全性、舒適性、耐久性。

2、吊車是動力設備,所以需要滿足吊車的動力荷載需求。

3、廠房在廠區搬離后是否需要拆除,材料可重復利用的空間又有多少。

首先,從門鋼的鋼柱和基礎連接說起。柱腳分剛接和鉸接,對于動力設備,我們傾向于做成剛接,因為吊車的動荷載,尤其是水平的剎車荷載很容易造成整體失穩。

那柱腳處我們可以采用焊接或螺栓連接的方式,可是,焊接在此處操作性不高。因為柱腳和柱下基礎連接,如果是滿焊,很容易造成焊縫不飽滿等問題,并且很難保證在焊接過程中柱子的穩定性。

你撅著屁股一邊看著手里的焊條,一邊看著上面晃晃悠悠要倒的柱子害怕不,你說!

其次,再說梁柱節點,這個就無所謂了,只要是做成剛接,螺栓和焊接均可,但是焊縫容易生銹,而做鋼結構的廠家得靠譜,螺栓孔要是有點偏差,分分鐘哭死你。

再次,抗風柱這種必須搞成鉸接的,就別猶豫了,拿著螺栓咣咣一頓,擰上多痛快。

最后,牛腿這種長得難看,看著頭疼的,焊一焊多好,為啥?用螺栓分分鐘擰死你。。再看看,敲黑板了!有那么大地方擰那么多螺栓嘛!

最最后,要是某天真的是廠子黃了(老板別打我),螺栓連接的多好擰,倆人一天就擰仨廠房,晚上背著就賣了去了~~

綜上所述,如果連接需要是鉸接時,請用螺栓。如果是剛接時,看情況、看難度、看焊工哥哥心情和水平。。

螺栓連接省事、需要技術水平不高、但是對廠家要求較高。

焊接連接省錢、對材料可悍性要求較高,對焊工要求較高,完事還要請檢測單位進行檢測,但是廠家很愉快,不至于差幾毫米你去鬧場子,所以他會愿意給你打折的。

但是,如果最終想著萬一政府拆遷征了你家廠子的地,用螺栓連接就可以今天要了廠房的賠償款,明天就找塊地又像搭積木一樣搭起來了~



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