铝合金圆盘连接节点-结构材料系列 铝合金

宁秋君+齐峰

[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.