粘接接头的设计优化技巧

1.接头受力种类及常见接头类型

粘接接头在使用中可能受到的作用力主要有拉力、剪切力、扭力、不均匀扯离力和剥离力五种。

拉力：垂直作用于粘接面的力称为拉力（图9-2）。如果接头材料和粘合剂的弹性模量都很高，那么作用力是均匀分布的。

剪切力：平行作用于粘接面的力称为剪切力（图9-3）。承载这种力的接头应力分布一般是不均匀的。

扭力：使接头产生扭转作用的力称为扭力（图9-4）。粘接接头承受这种力时，应力一般是极均匀地分布在整个粘接面。

不均匀扯离力：作用于整个接头粘接面上但分布不均匀的作用力称为不均匀扯离力（图9-5）。这种作用应力主要集中在粘接面边缘的一个小区域内。

图9-2 拉力

图9-3 剪切力

剥离力：作用于粘接面一边缘线的力称为剥离力（图9-6）。由于剥离力作用在一条线上，所以承受剥离力的接头承载能力很小。

图9-4 扭力

图9-5 不均匀扯离力

图9-6 180°剥离力

虽然在实际工作中，接头形式千差万别，但其基本形式只有以下八种。其他接头，无论多么复杂都是这八种基本接头形式演变和复合而成的。

（1）纯嵌接接头 是效能最好的接头之一。根据理论分析，在理想的纯嵌接接头中几乎没有应力集中现象。只要角θ足够小，它的粘接强度可以超过被粘接材料本身的强度。具有占据空间小，不影响工件外形等优点。但由于纯嵌接接头的斜面不易加工，实际应用的并不多。纯嵌接接头如图9-7所示。

（2）搭接接头 这种接头所受的作用力一般是剪切力，如适当选择接头尺寸，应力分布也较均匀，因此有较高的强度。这种接头容易加工，在实际生产中应用较多。搭接接头如图9-8所示。

图9-7 纯嵌接接头

图9-8 搭接接头

（3）套接接头 这种接头，在负荷时所受的作用力基本上是纯剪切力，再加上粘接面积大，因此强度很高。套接接头如图9-9所示。

图9-9 套接接头

（4）对接接头 纯对接接头见图9-10a粘接面积小，除拉力外任何方向的力都容易形成不均匀扯离力而造成应力集中，所以粘接强度很低，一般不采用。必须采用时要适当变换形式，如将对接接头变换为图9-10b、c、d、e、f的形式。

（5）角接接头 纯粹的角接接头见图9-11a、b粘接面积小，并且所受的力是不均匀扯离力，所以强度很低，应避免采用。必须采用时应采取一定的补救措施，如采取如图9-11c、d、e所示的方法。

图9-10 对接接头

图9-11 角接接头

（6）T字接头 纯粹的T字接头见图9-12a粘接强度更低，一般不允许采用。如果改变其接头形式，采用支撑接头或插入式接头见图9-12的b、c、d、e则可以得到较好的效果。

图9-12 T字形接头

（7）平面粘接 平面粘接接头虽然应力分布不太均匀，但粘接面积大，可以获得很高的粘接强度。当柔性材料和刚性材料之间粘接时，应采取防止产生剥离破坏的措施。

（8）槽接接头 这种接头实际上是由平面粘接和搭接组合而成的。由于这种接头无论哪个方向的力都分解为拉力和剪切力，所以这种接头可以得到很高的粘接强度。

2.接头形式选择及尺寸确定(www.xing528.com)

综上所述，在设计粘接接头时应注意以下几点：

1）一般粘合剂承受拉伸、压缩、扭转和剪切的能力要比承受剥离和劈裂作用的能力大。由于拉伸往往很少是理想的轴向拉伸，载荷一旦偏离就会形成剥离力和应力集中，降低粘接强度。因此设计粘接接头时应尽量使胶层承受剪切力，例如板材粘接常采用搭接接头。

2）采用一些结构措施，使接头尽可能避免受剥离或劈裂的应力作用。

3）在可能而合理的情况下增大粘合面积以提高接头承载能力。增加粘合面积通常宜增加搭接宽度。搭接长度的增加虽可提高承载能力，但也带来应力分布不均匀。

为了克服搭接端部的应力集中现象，被胶件的端部最好加工成适当的斜度以提高承载能力。

4）在承受强大作用力的情况下，可采用复合连接的形式，例如胶—铆，胶—螺钉等形式。

5）接头便于加工，外形美观。

总之，在实际生产中接头的形式是千变万化的，要根据具体情况灵活设计。

例如，对于胶层承受剥离力或不均匀力的接头，通过改变接头形式，往往可以变成承受剪切力，提高剥离接头强度的方法如图9-13所示。

比如，硬质合金车刀刀头与刀架的粘接，如果简单地采用平面粘接，使用时胶层承受不均匀扯离力，强度很差不牢靠。如改用槽接，不但增大了粘接面积，更主要的是将胶层所承受的力转变为剪切力，这样就非常牢靠了。

图9-13 提高剥离接头强度的方法

在设计粘接接头时，人们往往希望能通过计算，得出接头能承受多大强度。目前这方面的成功经验还不多，只能通过受力分析加计算的方法进行估计。现将其方法介绍如下。

接头受力分析就是考查接头在使用过程中会受到什么力，对于受拉力作用的嵌接接头和对接接头，因为应力分布均匀，其抗拉强度用粘接面积乘以单位抗拉强度即可，其不均匀扯离强度也可以这样计算。但对搭接接头，由于应力分布不均匀，则不能简单以胶的粘接强度乘以粘接面积。美国Bloomingdale公司提出了最佳搭接长度的设计方法，并得到了接头金属内部产生的拉应力σ与胶层内产生的剪切应力τ之间的关系：

式中 σ——接头金属内部的拉应力；

τ——胶层内部的剪切应力；

l——搭接长度；

t——金属厚度。

由上述关系式说明，接头金属越厚，搭接长度可越长。一般搭接长度为材料厚度的5～10倍最好。

以上计算所得的接头强度都是接头粘接后的平均强度，考虑到工艺条件往往控制不严，粘接强度分散性较大以及胶层疲劳、老化等因素，在设计接头时要有一定的安全系数。根据经验，安全系数取2.5～5为好。

3.点焊、铆接和螺栓连接与粘接并用

由于粘接有很高的抗拉、剪切和抗疲劳强度，但剥离强度和不均匀扯离强度较低；而焊、铆、螺栓等机械连接则与此相反。人们根据这一事实，创造了粘接和机械连接相结合。通过这种途径可以得到各种性能均优的新型接头，并获得了广泛应用。粘接、点焊和粘接-点焊接头强度比较见表9-3。

表9-3 粘接、点焊和粘接-点焊接头强度比较

一般粘接-机械连接并用有下列两种形式：

（1）粘接为主，适当配以铆钉、螺栓或点焊加强薄弱环节。

（2）铆接、螺栓或点焊连接为主，粘接为辅以消除机械连接的应力集中现象。

粘接—机械连接的具体形式和加工方法如下：

（1）粘接-点焊并用 为了消除应力集中和提高接头的密封性，消除金属间的接触腐蚀，对于金属薄板结构件的连接，特别是在容易产生弯曲应力及剥离应力的部位，应采用粘接-点焊接头。这种接头形式一般有三种：

1）在连接表面涂布粘合剂，经预固化后进行点焊最后固化。这种方法对粘合剂要求较低，只要在点焊时焊点周围的胶能及时排开即可。这方法对点焊工艺也有一定要求，就是比正常点焊减少电流10％～20％或增加电极压力13％～20％。

2）在连接面上放置预先打好孔的胶膜，然后用夹具定位，再于孔的位置上进行点焊，最后固化。这种方法容易实现自动化，但对机械定位有一定要求。

3）先进行点焊，然后用注射器注胶，再固化。这种形式对点焊无特殊要求，但要求粘合剂有较小的粘度和较好的流动性。这种方法简便，效果也好，应大力推广。

粘接—点焊接头具有强度高、体积小和表面光滑等优点，在飞机的舱门、舱盖、油箱、加强隔框及机械工业中机箱制造方面应用。

（2）粘接-铆接并用 这种接头形式适用于大面积部件的连接。接头以粘接为主，用铆钉提高接头的不均匀性。其工艺是，在粘合剂固化前先打铆钉，然后固化，也可在粘合剂固化后安装铆钉。前一种方法利用铆钉的压力帮助粘合剂固化，不必另外加压，但易产生胶层厚薄不均现象。后一种工艺方法较为复杂。

粘接-铆接接头制造简便，力学性能好，已在建筑、机械等行业中开始使用。

（3）粘接-螺栓并用 粘接-螺接连接与粘接-铆接无论在施工方法，还是在作用上都相似。接头应用螺栓，解决了接头承受不均匀扯离强度低的问题，应用粘合剂又解决了接头应力集中问题。这种接头形式在机车、桥梁上已应用。