论文部分内容阅读
[摘 要]铝合金结构节点连接方式有三种:焊接、机械连接和粘接。文中主要介绍了铝合金的焊接方法和焊接热影响区。同时也简要介绍了铝合金结构节点机械连接、粘接在建筑结构中的应用。并总结铝合金结构连接与钢结构连接存在的差异性,国内外规范和文献中的相关内容的不同之处。
[关键词]铝合金节点;焊接连接;设计方法
中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)39-0009-01
1 概述
近年来铝合金结构在建筑结构中的应用越来越广泛。铝合金结构的设计方法与钢结构的设计方法在原理上是相同的,但也有一定的差异[1]。本文主要介绍铝合金结构中节点的焊接连接方法。铝合金结构的连接方法与其他金属结构的连接方法基本相同,主要包括焊接、机械连接和粘接。本文通过总结国外规范和各国学者的研究成果,来说明铝合金结构连接与钢结构连接的不同之处。
2 焊接连接
2.1 焊接方法
目前常用于铝合金结构的焊接形式有两种[2]:钨极惰性气体保护焊(TIG),分为手工、半自动和自动焊三种;金属惰性气体保护焊(MIG),分为手工和自动焊两种。图1为两种方法的示意图[3]。
即使在规范中已经认可的焊接方法,也应该进行试焊,试焊需要检验三个方面的内容:第一:焊接是否存在外在或内在的缺陷;第二:垂直于焊缝方向受力时焊缝的强度不小于规范规定的值;第三:垂直于焊缝方向受力时焊缝的变形性能应该是良好的;第四:焊接母材与焊丝的匹配性。
2.2 焊接热影响区的影响
铝合金构件一般需要通过热处理改善力学性能,而焊接过程中输入的热量使得焊缝周围的合金发生退火,材料的力学性能会受到很大影响。从图2可以看出,焊接热影响区内材料的弹性极限、极限强度和极限延伸率都有较大程度的降低,不同的合金降低的程度也不同。焊接后经过自然时效或人工时效,热影响区材料的三项力学指标有所恢复,但是还是比母材小。
焊接设计中考虑焊接热影响区,通常采用折算面积、折算静力矩、折算惯性矩的方法[3,4]。焊接热影响区的大小与焊接速度有关,速度越快则热影响区越小。大量的实验研究表明:常用
焊接方法产生的热影响区宽度比较一致,为焊缝两边各25mm。
3 机械连接
铝合金的机械连接主要包括铆钉连接和螺栓连接。用于制造铆钉、螺栓和螺丝材料可以是铝合金、不锈钢和普通钢。如果采用普通钢材,铆钉、螺栓或螺丝的表面应该镀锌。
3.1 铆钉连接
铆钉连接在钢结构中虽然已经很少使用,但是在铝合金等轻金属结构中仍然大量使用。铆钉的形式多种多样:铆钉头根据用途加工成型,包括圆形、椭圆形、锥形、埋头形等;铆钉杆又包括实心和空心两种。
3.2 螺栓连接
铝合金结构中的螺栓连接与钢结构中基本相同,分为普通螺栓连接和高强螺栓连接。与铆钉连接不同,螺栓连接可以同时承受拉力和剪力。
3.3 螺丝连接
这种连接的设计方法只在美国铝业协会规范中有所规定。使用螺丝连接的时候,在一块板上开光滑圆孔,另一块板上开有罗纹的圆孔,直接用螺丝将两块板相连,不使用螺母。这种连接一般都有一块板比较薄。
4 粘接
铝合金粘接连接在建筑结构中很少使用,一般用在汽车工业和航天工业中。粘接不能用于主要受力构件的连接,只能用来连接次要构件。粘接加工过程比较复杂,要求也非常嚴格。在粘接之前要对构件表面进行机械和化学处理,以确保粘接连接的承载性能。粘接连接无法通过一般的方法检查缺陷,只能在加工过程中严格要求。粘接所用的胶在低温下容易冷脆,在高温下会软化,工作范围非常有限。目前粘接连接的最大问题就是节点的长期力学性能难以保证,由于胶体本身的老化,粘接连接的长期受力性能比短期性能差很多。粘接连接同时也有很大的潜力可以开发,从目前的研究看来,粘接连接的静载承载力、连接刚度和抗疲劳性能都非常好,若能解决其长期承载性能,粘接连接会有很大的发展。
5 结论
(1)铝合金结构的连接形式与钢结构相似,主要包括焊接、机械连接和粘接。
(2)铝合金结构的焊接需要考虑合金的可焊性、焊接金属的搭配、母材与焊缝金属的搭配。
(3)铝合金机械连接包括铆钉连接、螺栓连接和螺丝连接;其中铝合金结构螺栓连接与钢结构螺栓连接的设计方法类似。需要特别注意的是铆钉、螺栓和螺丝的材料。
(4)粘接在铝合金结构中较少使用,主要承受剪力作用;它的长期承载性能不稳定,而且连接的工作温度也有严格限制;同时粘接连接还有很大的发展潜力,若能解决连接的长期承载性能,这种连接方式会有很大的发展。
[1] 石永久,程明,王元清.铝合金在建筑结构中的应用与研究[J].建筑科学,2005.6.
[2] A.L.PHILLPS编麻毓璜译.铝合金焊接手册.四川科学技术出版社,1985.
[3] Federico M.Mazzolani.Aluminumalloy structures. Boston:Pitman,1985.
[4] Maurice L.Sharp.Behavior and design of aluminum structures.NewYork:McGraw-Hill,1993.
[5] J.RandolphKissell,RobertL.Ferry.Aluminum structures:a guideto their specifications and design. New York:J.Wiley,2002.
[关键词]铝合金节点;焊接连接;设计方法
中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)39-0009-01
1 概述
近年来铝合金结构在建筑结构中的应用越来越广泛。铝合金结构的设计方法与钢结构的设计方法在原理上是相同的,但也有一定的差异[1]。本文主要介绍铝合金结构中节点的焊接连接方法。铝合金结构的连接方法与其他金属结构的连接方法基本相同,主要包括焊接、机械连接和粘接。本文通过总结国外规范和各国学者的研究成果,来说明铝合金结构连接与钢结构连接的不同之处。
2 焊接连接
2.1 焊接方法
目前常用于铝合金结构的焊接形式有两种[2]:钨极惰性气体保护焊(TIG),分为手工、半自动和自动焊三种;金属惰性气体保护焊(MIG),分为手工和自动焊两种。图1为两种方法的示意图[3]。
即使在规范中已经认可的焊接方法,也应该进行试焊,试焊需要检验三个方面的内容:第一:焊接是否存在外在或内在的缺陷;第二:垂直于焊缝方向受力时焊缝的强度不小于规范规定的值;第三:垂直于焊缝方向受力时焊缝的变形性能应该是良好的;第四:焊接母材与焊丝的匹配性。
2.2 焊接热影响区的影响
铝合金构件一般需要通过热处理改善力学性能,而焊接过程中输入的热量使得焊缝周围的合金发生退火,材料的力学性能会受到很大影响。从图2可以看出,焊接热影响区内材料的弹性极限、极限强度和极限延伸率都有较大程度的降低,不同的合金降低的程度也不同。焊接后经过自然时效或人工时效,热影响区材料的三项力学指标有所恢复,但是还是比母材小。
焊接设计中考虑焊接热影响区,通常采用折算面积、折算静力矩、折算惯性矩的方法[3,4]。焊接热影响区的大小与焊接速度有关,速度越快则热影响区越小。大量的实验研究表明:常用
焊接方法产生的热影响区宽度比较一致,为焊缝两边各25mm。
3 机械连接
铝合金的机械连接主要包括铆钉连接和螺栓连接。用于制造铆钉、螺栓和螺丝材料可以是铝合金、不锈钢和普通钢。如果采用普通钢材,铆钉、螺栓或螺丝的表面应该镀锌。
3.1 铆钉连接
铆钉连接在钢结构中虽然已经很少使用,但是在铝合金等轻金属结构中仍然大量使用。铆钉的形式多种多样:铆钉头根据用途加工成型,包括圆形、椭圆形、锥形、埋头形等;铆钉杆又包括实心和空心两种。
3.2 螺栓连接
铝合金结构中的螺栓连接与钢结构中基本相同,分为普通螺栓连接和高强螺栓连接。与铆钉连接不同,螺栓连接可以同时承受拉力和剪力。
3.3 螺丝连接
这种连接的设计方法只在美国铝业协会规范中有所规定。使用螺丝连接的时候,在一块板上开光滑圆孔,另一块板上开有罗纹的圆孔,直接用螺丝将两块板相连,不使用螺母。这种连接一般都有一块板比较薄。
4 粘接
铝合金粘接连接在建筑结构中很少使用,一般用在汽车工业和航天工业中。粘接不能用于主要受力构件的连接,只能用来连接次要构件。粘接加工过程比较复杂,要求也非常嚴格。在粘接之前要对构件表面进行机械和化学处理,以确保粘接连接的承载性能。粘接连接无法通过一般的方法检查缺陷,只能在加工过程中严格要求。粘接所用的胶在低温下容易冷脆,在高温下会软化,工作范围非常有限。目前粘接连接的最大问题就是节点的长期力学性能难以保证,由于胶体本身的老化,粘接连接的长期受力性能比短期性能差很多。粘接连接同时也有很大的潜力可以开发,从目前的研究看来,粘接连接的静载承载力、连接刚度和抗疲劳性能都非常好,若能解决其长期承载性能,粘接连接会有很大的发展。
5 结论
(1)铝合金结构的连接形式与钢结构相似,主要包括焊接、机械连接和粘接。
(2)铝合金结构的焊接需要考虑合金的可焊性、焊接金属的搭配、母材与焊缝金属的搭配。
(3)铝合金机械连接包括铆钉连接、螺栓连接和螺丝连接;其中铝合金结构螺栓连接与钢结构螺栓连接的设计方法类似。需要特别注意的是铆钉、螺栓和螺丝的材料。
(4)粘接在铝合金结构中较少使用,主要承受剪力作用;它的长期承载性能不稳定,而且连接的工作温度也有严格限制;同时粘接连接还有很大的发展潜力,若能解决连接的长期承载性能,这种连接方式会有很大的发展。
[1] 石永久,程明,王元清.铝合金在建筑结构中的应用与研究[J].建筑科学,2005.6.
[2] A.L.PHILLPS编麻毓璜译.铝合金焊接手册.四川科学技术出版社,1985.
[3] Federico M.Mazzolani.Aluminumalloy structures. Boston:Pitman,1985.
[4] Maurice L.Sharp.Behavior and design of aluminum structures.NewYork:McGraw-Hill,1993.
[5] J.RandolphKissell,RobertL.Ferry.Aluminum structures:a guideto their specifications and design. New York:J.Wiley,2002.