钢结构件的连接
出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《铆工实用技术手册》第585页（9731字）
钢结构产品是由许多零件组合起来的，零件之间必须通过一定的方式连接，才能够成为完整的产品。钢结构件常用的连接方法有焊接、铆接、螺纹连接。
1．焊接
焊接是将两块分离的金属用加热、加压或同时进行加热、加压等方法，以促使物体间的原子结合，达到牢固连接的目的。焊接分熔化焊、压力焊和钎焊三大类。
通过加热使物体连接处熔化最有利于实现原子间的结合，这类焊接方法称为熔化焊。如：气焊、气体保护焊、电弧焊、电渣焊和等离子弧焊等。
物体连接处加热到塑性状态或表面局部熔化状态，同时施加压力，也可达到物体原子间的结合，这类焊接方法称为压力焊。如：摩擦焊、接触焊和爆炸焊等。
仅使低熔点填充金属熔化而母材不熔化的焊接方法称为钎焊。
(1)气焊
气焊是利用可燃气体和氧气(助燃)混合燃烧形成的火焰，将被焊工件局部熔化，另加填充金属而进行的焊接方法。
气焊所用的设备和工具基本上与氧－乙炔气割相同，只是用焊炬代替割炬。
1)焊丝
焊丝作为填充金属，其化学成分直接影响焊缝金属的机械性能。焊丝应根据焊件成分选择，常用低碳钢气焊丝牌号主要有H08、H08A，等等。气焊丝的规格一般为直径2～4mm，长1m。
2)气焊粉
气焊粉主要用来除去气焊时在熔池中形成的氧化物等杂质，并以熔渣覆盖在焊缝表面，使熔池与空气隔绝，防止熔化金属的氧化。在焊接铸铁、合金钢及有色金属时必须采用气焊粉，气焊低碳钢时可不使用气焊粉。
常用的气焊粉有粉101、粉201、粉301、粉401，其用途见表9－12。
表9－12 气焊粉的种类、用途及性能
3)接头形式和焊前准备
气焊时，一般采用对接接头，只有在焊接薄板时，才采用角接接头和卷边接头。在对接接头中，当钢板厚度大于5mm时，必须开坡口，焊接低碳钢时，各种厚度钢板的坡口形式见表9－13。
表9－13 低碳钢对接接头与角接接头的坡口形式
为保证焊缝质量，在气焊前，应把焊丝及工件接头处表面的铁锈、水分、氧化物和油污等脏物清除干净，否则焊缝会产生气孔、夹渣等缺陷。清除方法可用喷砂或直接用气焊火焰烘烤后，再用钢丝刷清理。
4)气焊规范的选择
气焊规范是保证气焊质量的主要技术依据。气焊规范通常包括焊丝的成分与直径、火焰的成分与能率、焊炬的倾斜角度、焊接方向和焊接速度等。
①焊丝直径：焊丝直径主要根据焊件厚度来选择。当焊件厚度一定时，如果焊丝直径选得小，焊接时往往会发生焊件尚未熔化而焊丝已经熔化下滴，这样就会造成焊缝熔合不良。相反，如果焊丝直径过大，焊丝熔化就必须经较长时间加热，造成焊件受热过大，同样会降低焊缝质量。焊接低碳钢时，焊丝直径的选择见表9－14。
表9－14 焊件厚度与焊丝直径关系
②火焰成分与能率：氧－乙炔焰根据氧气体积与乙炔体积不同的混合比，可分为中性焰、碳化焰和氧化焰三种。气焊的火焰成分对焊接质量影响很大，混合气体内乙炔量过多时，就会引起焊缝金属的渗碳，使焊缝的硬度增高，塑性降低，同时还会产生气孔等缺陷，相反，氧气量过多时，也会引起焊缝金属的氧化，使焊缝金属的强度和塑性降低。常见火焰种类见表9－15。
表9－15 常用金属气焊火焰
火焰能率是以每小时乙炔的消耗量(L／h)来表示，其大小根据工件厚度、金属的熔点及导热性来选择。焊接低碳钢和低合金钢时，乙炔的消耗量可按下列经验公式计算：
左向焊法 V=(100～120)t
右向焊法 V=(120～150)t
式中 t——钢板厚度，mm；
V——火焰能率，L／h。
根据上述公式计算得到的乙炔消耗量，可选择合适的焊嘴。火焰能率是由焊炬型号及焊嘴号码大小来决定的。焊嘴号码越大，火焰能率也就越大。
③焊嘴的倾斜角度：焊嘴倾斜角的大小，决定于焊件厚度，焊嘴大小及焊接位置等。焊件越厚，导热性及熔点越高，焊炬的倾角应越大，使火焰集中，热量损失小，升温快，否则相反。
另外，还应根据具体情况不同而灵活改变焊嘴倾角。如开始焊时，因工件处于冷态，应使焊嘴倾角加大，以使焊件充分受热，尽快形成熔深；当工件温度升高后再减小焊嘴倾角，使焊嘴对准焊丝加热，并使火焰上下摆动，断续地对焊丝和熔池加热。气焊过程中，焊丝与焊件表面的倾角一般为30°～40°，与焊嘴的角度为90°～100°。
④焊接速度：根据焊件厚度和材料选择焊接速度，如果焊接速度太慢，则焊件受热过大，降低质量。焊件速度还与焊工操作熟练程度、焊缝位置等因素有关。在保证质量的前提下，应力求提高焊接速度，以提高生产率。
5)气焊操作
气焊操作时，按照焊炬和焊丝移动的方向分为左向焊法和右向焊法两种。左向焊时，焊丝与焊炬都是自右向左移动，焊丝位于焊接火焰之前，这种焊法因火焰指向工件未焊的冷金属，所以热量散失一部分，焊薄件时不易烧穿；同时，左向焊时，熔池看得清楚，操作简便。但焊厚件时因受热区较大，生产率较低。右向焊时，焊丝与焊炬自左向右移动，焊丝在焊炬后面，火焰指向焊缝，所以热量损失少，熔深较大。焊接过程中火焰始终保护着焊缝金属，使之避免氧化，并使熔池缓慢地冷却，改善了焊缝金属组织，减少气孔夹渣。同时，因热量集中，金属受热区小，因而焊缝质量高。但右向焊时，焊丝阻挡了焊工视线，熔池也看不清楚，操作不便，所以除厚件外，一般很少采用。
6)焊炬与焊丝摆动
在焊接过程中，为获得优质美观的焊缝，焊炬和焊丝应沿焊缝的纵向和横向做均匀协调的摆动。
此外，焊丝还有向熔池的送进动作，焊丝末端需均匀协调地上下运动，否则会造成焊缝高低不平，宽窄不匀等现象。焊炬和焊丝的摆动方法与工件厚度、性质、空间位置及焊缝尺寸有关。
(2)电焊
电焊即电弧焊接，是利用电弧的热量来熔化焊条和工件边缘，使两被连接板材金属的原子之间产生结合作用，达到连接的目的。电弧焊是应用最广的一种焊接方法，它所使用的热源是电能，而电能是以电弧的形式转变为热能来熔化金属的。
1)电弧焊工具
电弧焊常用的工具有：电缆，焊钳，面罩和清理工具。
电缆用于导电，有两根，一根从电焊机的一极引出连接焊钳，另一根从电焊机的另一极引出连接焊件。
焊接电缆应该柔软，具有良好的导电能力，外表应有良好的绝缘层，避免发生短路或触电事故。
焊接电缆的长度，应根据使用的具体情况来决定，一般不宜过长，它的截面大小主要根据焊接电流的大小来决定。
焊钳用于导电夹持焊条。焊钳应重量轻、导电性好，更换焊条灵活方便，焊钳的导电部分用铜制造。手柄用绝缘材料制造。
面罩用于遮挡飞溅的金属和电弧中有害的光线，是保护焊工头部和眼睛的重要工具，常用的面罩有手握和头戴两种。面罩上的护目玻璃片用来降低电弧光的强度，阻挡红外线及紫外线。
为了防止护目玻璃片被飞溅金属损坏，在护目玻璃片前面放一块白玻璃片，白玻璃片可以随便更换。
清理工具有钢丝刷和清渣锤等。钢丝刷用来刷除焊件表面的锈污等脏物。清渣锤用于敲除焊渣和检查焊缝。锤的两端可根据实际情况磨成圆锥形或扁铲形等。
2)电焊条
手工电弧焊时，焊条起着两个方面的作用：一是起导电作用，焊接时工件为一个电极，焊条为另一个电极。二是作为焊缝的填充金属。焊缝金属是由基本金属和焊条金属共同组成的，其中绝大部分是由焊条熔化而成的，所以正确地选择和使用焊条，是获得优质焊缝的重要因素之一。
3)焊条的组成
焊条是由金属芯(简称焊芯)和药皮组成。焊条的前端药皮成45°左右的倾角，以便于引弧。在尾部有一段为裸焊芯，约占焊条总长的1／16，便于焊钳夹持和导电。焊条直径(即焊芯直径)有1．6、2、2．5、3．2(或3)、4、5、5．8(或6)mm等几种，长度在250～400mm之间。
焊芯金属的成分直接影响到焊缝质量，因此对焊芯金属的化学成分应有一定的要求。焊芯品种可根据被焊金属的化学成分和使用要求，按国家标准GB5117－1985，GB5118－1985规定的焊条用钢选用。低碳钢和低合金钢焊条通常选用焊08(H08)或焊08高(H08A)作为焊条芯。焊芯牌号中的“焊”代表焊芯，代号以“H”表示。后面的数字“08”表示含碳量平均为0．08%。牌号最后的“高”(代号为“A”)表示焊芯的质量较高，其硫和磷含量比同类的焊芯低。
为使焊缝金属具有符合要求的化学成分、良好的机械性能与焊接工艺性能，焊芯外必须涂上药皮。药皮是由各种不同的矿石粉、铁合金粉和有机物等混合而成。根据焊条药皮中各种物质在焊接过程中所起的作用不同，可分为以下几种：
①稳弧剂。使焊条容易引弧和提高电弧稳定性。主要是由易于电离的物质组成，这些物质称为稳弧剂。如长石、大理石、碳酸钾和钾水玻璃等。
②造渣剂。是药皮中最基本的组成物，主要作用是造成具有一定物理－化学性能的熔渣，覆盖在熔化金属的表面，使熔池金属免受空气的侵害作用，同时还能使熔化金属缓慢冷却与凝固，使气体和杂质有充分的时间从液体金属中排出。常用的造渣剂有大理石、萤石、金红石、钛铁矿、钛白粉和锰矿等。
③造气剂。在焊接过程中，产生一定量的气体，如CO2、CO等以隔绝空气侵入焊接区，限制氧、氮、氢等有害气体与熔化金属作用。常用的造气剂有大理石、木粉、淀粉和纤维素等。
④脱氧剂。用于消除熔化金属中的氧气，使金属氧化物还原，以保证焊缝质量。脱氧剂是由对氧亲和力较大的合金元素的铁合金组成，如锰铁、硅铁、钛铁及铝铁等。
⑤渗合金剂。在电弧高温作用下，气体、熔渣及液体金属相互作用的结果，焊缝金属的合金元素被部分烧损，所以在药皮中加入合金元素(用铁合金形式渗进去)以补偿电弧的烧损，从而改善接头质量。为了有利于合金的渗入，加进去的合金元素对氧的亲和力要弱。几种合金元素对氧亲和力大小的渐减次序是：Ti，Al，C，Si，Mn，Cr，V，Mo，Ni。如果加进去的合金元素对氧亲和力强，则合金元素便会和氧结合成氧化物，起不到渗合金作用。常用的渗合金剂有：锰铁、硅铁、钛铁、铜铁、铬铁等。
⑥粘结剂。将药皮中各种组成物的粉末牢固地粘在焊芯上，烘干后具有一定的强度，以免脱落。常用的粘结剂是钠水玻璃，钾水玻璃，或两者的混合液。
⑦增塑剂。为了便于机器压制焊条，而加入一些改善涂料塑性或润滑性的物质，称为增塑剂。如云母，白泥，粘土，滑石粉，钛白粉等。
综上所述，焊条药皮中有许多物质具有多种作用，如大理石既是稳弧剂，又是造气和造渣剂，而锰铁同时起脱氧和渗合金的作用。
4)焊条的分类
①根据焊条的用途分类。按国家标准GB938－1985规定，焊条按用途可分为以下几类：
结构钢焊条(包括普通低合金钢)；钼和铬钼耐热钢焊条；不锈钢焊条；堆焊焊条；低温钢焊条；铸铁焊条；镍及镍合金焊条；铜及铜合金焊条。以上各类焊条还可以按主要性能或化学组成不同，再分成若干具体牌号的焊条。
②根据焊条药皮的类型分类。根据药皮中主要的成分不同，焊条药皮可分为各种不同的类型，其操作工艺性能等也各不相同。国家标准规定(GB980－1976)，手工电弧焊焊条的药皮主要有8种类型：氧化钛钙型、氧化钛型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型、石墨型和盐基型。
③根据焊条药皮熔化后形成熔渣的化学性质分类，可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条两种。当熔渣中的酸性氧化物(如二氧化硅，二氧化钛等)比碱性氧化物(如氧化钙等)多，这种焊条称为酸性焊条；反之为碱性焊条。
酸性焊条药皮中含有较多的氧化铁、氧化钛及氧化硅等氧化物，氧化性较强，因此在焊接过程中合金元素烧损较多。同时由于焊缝金属氧和氢含量较多，因而机械性能较低。特别是冲击值较碱性焊条低。酸性焊条可采用交直流电源进行焊接。
碱性焊条的药皮中含有较多的大理石和萤石，并有较多的铁合金作为脱氧剂和渗合金剂，所以药皮有足够的脱氧性。碱性焊条焊接时大理石分解出二氧化碳作为保护气体，与酸性焊条相比，保护气体中氢很少，又因萤石在高温时分解并与氢结合成氟化氢(HF)，因而降低了焊缝中的含氢量，所以，碱性焊条又称低氢焊条。但由于氟的反电离作用，因此碱性焊条为了使电弧稳定燃烧，一般只能采用直流反极性进行焊接。碱性焊条焊接的焊缝金属机械性能较好，所以用于焊接重要结构。
5)焊条选用
正确选用焊条是获得优质焊接接头的重要因素之一。在选用焊条时，应根据被焊材料与结构的具体情况来决定。对结构钢或普通低合金钢的焊接，一般情况下只要求焊缝金属的机械性能不低于被焊金属的机械性能，也就是按结构钢的强度选用相应强度等级的电焊条，这就是通常所说的从等强度(焊缝金属与基本金属强度相等)观点出发选用。对于要求具有特殊性能的产品，如耐腐蚀、耐高温、耐磨损等，则选用焊条时使焊缝的化学成分与工件的化学成分相同或接近。
当焊接结构承受动载或冲击载荷时，对焊缝要求除保证强度外，还应有较高的冲击韧性和延伸率，故应选用低氢型焊条。此外，选用焊条时还应考虑焊接设备，焊工的劳动条件，生产率的高低，焊条的经济性等问题。
2．铆接
利用铆接把两个或两个以上的零件或构件(通常是金属板或型钢)连接为一个整体，这种连接方法称为铆接。铆钉制造有锻制法或冷镦法，一般常用冷镦法制造。用冷镦法制成的铆钉，要经过退火处理。铆接时，使用工具连续锤击或用压力机压缩铆钉杆端，使钉杆充满钉孔并形成铆钉头，如图9－6所示。
图9－6 铆接
1－罩模；2－铆钉头；3－预制头；4－顶模
钢结构件虽然大部分都采用焊接，但由于铆接的韧性和塑性比焊接好，传力均匀可靠，以及容易检查和维修，所以在对于承受冲击和震动载荷的构件的连接、某些异种金属的连接，以及焊接性能差的金属(如铝合金)的连接中，仍得到广泛的应用。
(1)铆接的种类
根据构件的工作要求和应用范围不同，铆接可以分为强固铆接、紧密铆接和密固铆接。
强固铆接要求铆钉能承受大的作用力，保证构件有足够的强度，而对接合缝的严密度无特别要求。这类构件如：屋架、桥梁、车辆、立柱和横梁等。
紧密铆接的铆钉不承受大的作用力，保证构件有足够的强度，而对接合缝的严密度无特别要求。这类构件如：屋架、桥梁、车辆、立柱和横梁等。
紧密铆接的铆钉不承受大的作用力，但对接合缝要求绝对紧密，以防止漏水或漏气。一般常用于储藏液体或气体的薄壁结构的铆接。如水箱、气箱和油罐等。
密固铆接既要求铆钉能承受大的作用力，又要求接合缝有绝对的紧密。这类构件如：压缩空气罐、高压容器和压力管路等。
(2)铆钉
铆钉分实心和空心两种。实心铆钉按钉头的形状有半圆头、平锥头、沉头、平头等多种形式。半圆头铆钉常用于承受较大横向载荷的接合缝，如桥梁、钢架和车辆等结构。沉头或半沉头铆钉用于表面必须平滑，并且受载不大的接合缝。空心铆钉由于重量轻，铆接方便，但钉头强度小，适用于轻载。
(3)铆钉的直径、长度的孔径的确定
①铆钉直径：铆接时，若铆钉直径过大，铆钉头成形困难，容易使构件变形。若铆钉直径过小，则铆钉强度不足。铆钉直径的选择，主要根据构件的厚度来确定，而构件的厚度又必须按照以下三个原则确定：板料与板料搭接时，按较厚板料的厚度确定，厚度相差较大的板料铆接时，以较薄板料的厚度确定，钢板与型材铆接时，以两者的平均厚度确定。铆钉直径可按下列公式计算：
式中 d——铆钉直径，mm；
Σt——被铆件的总厚度，mm。被铆件的总厚度不应超过铆钉直径的5倍。同一构件上应采用一种直径的铆钉，最多不要超过两种。
②铆钉长度：铆接时，如果铆钉杆过长，铆成的钉头就过大或过高，而且在铆接过程中容易使钉杆弯曲；钉杆过短，铆钉头成形不足，而影响铆接强度或克伤构件表面。铆钉杆长度可按下列经验公式进行计算：
半圆头铆钉：L=1．1Σt+1．4d
半沉头铆钉：L=1．1Σt+1．1d
沉头铆钉：L=1．1Σt+0．8d
式中 L——铆钉杆长度，mm；
Σt——被铆件的总厚度，mm。
上面三种钉杆长度的计算值，都是近似值。因此，在大量铆接之前，杆长经计算后还要进行试铆，如有不符合质量标准时，可把杆长适当增减，再进行铆接。
③铆钉孔径：孔径应根据方式不同而定，拉铆时铆钉孔径与铆钉直径的配合应采用动配合，如间隙太大，会影响铆接强度。在热铆时，由于铆钉受热膨胀变粗，且钉杆易于镦粗，为了穿钉的方便，钉孔直径应比钉杆直径稍大。在冷铆时，钉杆不易镦粗，为保证连接强度，钉孔直径应与铆钉直径接近。如果板料与角钢等铆接时，则孔径要加大2%。钉孔直径的标准如表9－16所示。对于多层板料密固铆接时，应先钻孔后铰孔。钻孔直径应比标准孔径小1～2mm，以备装配后进行铰孔之用。对于筒形构件必须在平板上(弯曲前)钻孔，孔径应比标准孔径减小1～2mm，以备弯曲成筒形后，进行铰孔之用。
表9－16 钉孔直径(GB152－1976)
3．螺纹连接
螺纹连接是用螺纹零件构成的可拆卸的固定连接。它具有结构简单，紧固可靠，装拆迅速方便(并可经受多次装拆而不损坏)等优点，所以应用极为广泛。螺纹连接有以下几种形式。
(1)单头螺栓连接
螺栓一端有螺纹，拧上螺母，可将被连接件连成一体，螺母与被连接件之间常放置垫圈。由于不需要加工螺纹孔，比较方便，应用广泛，主要用于被连接件不太厚，并能从连接两边进行装配的场合。
(2)双头螺栓连接
双头螺栓连接是用两头有螺纹的杆状连接件。一头拧入被连接件的螺孔中，另一头穿过其余被连接件的孔，拧上螺母，就能将被连接件连成一体。在折卸时，只要拧开螺母，就可以使被连接零件分开。它主要用于盲孔、经常装拆、结构比较紧凑或工件较厚不宜用单头螺栓连接的场合。
(3)螺钉连接
螺钉连接不用螺母，直接将螺钉拧入被连接件的螺孔中，达到连接目的。螺钉的构造基本与螺栓相同。钉头除了六角和方头外，还有圆柱头内六角和带槽圆头。螺钉连接有一种特殊连接是紧定连接，紧定螺钉全长都有螺纹，它用来拧入一零件的螺孔内而用钉杆末端顶住另一零件的表面，以固定两零件的相对位置，如轴套的固定。