吳曉冰

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

在機(jī)械制造中，連接是指被連接件與連接件的組合。在實(shí)際生活和生產(chǎn)中遇到的連接問(wèn)題遠(yuǎn)不是簡(jiǎn)單的概括能夠涵蓋的，不管在日常生活中還是在工業(yè)生產(chǎn)中都會(huì)遇到各類(lèi)連接問(wèn)題，其中，管板類(lèi)零件垂直連接是一種被廣泛應(yīng)用和需要的連接技術(shù)，由于其垂直的特殊位置關(guān)系，導(dǎo)致其連接技術(shù)也形成了相應(yīng)的特殊性，并且，目前沒(méi)有針對(duì)這類(lèi)連接進(jìn)行的研究或總結(jié)。

1 管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)專(zhuān)利概況

1.1 管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)量變化

管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量經(jīng)過(guò)兩個(gè)增長(zhǎng)高點(diǎn)，目前正處于新的增長(zhǎng)期，并且整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于該技術(shù)應(yīng)用廣泛，包括日常應(yīng)用，技術(shù)起點(diǎn)低，因而早在1904年就出現(xiàn)了該技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利，但早期申請(qǐng)量較少，一直到1955年每5年的申請(qǐng)量均不足10件，處于萌芽階段；從1955年到1970年，專(zhuān)利申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)，進(jìn)入第一個(gè)猛長(zhǎng)期，達(dá)到第一個(gè)增長(zhǎng)高點(diǎn)；之后的專(zhuān)利數(shù)量雖然有較大的波動(dòng)后，總體在19世紀(jì)80年帶和90年代，特別是在2000年左右，進(jìn)入21世紀(jì)之時(shí)，申請(qǐng)量呈井噴之勢(shì)達(dá)到第二個(gè)增長(zhǎng)高點(diǎn)，且數(shù)量遠(yuǎn)大于上一個(gè)增長(zhǎng)高點(diǎn)；進(jìn)入21世紀(jì)之后，申請(qǐng)量維持在一個(gè)較大的數(shù)量，且呈現(xiàn)新的增長(zhǎng)趨勢(shì)。可見(jiàn)，管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)在全球在各個(gè)時(shí)期均有相當(dāng)數(shù)量的研究和持續(xù)的發(fā)展。

1.2 管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)國(guó)家分布

對(duì)于管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)是最大的技術(shù)原創(chuàng)國(guó)，德國(guó)、法國(guó) 、英國(guó)這三個(gè)歐洲國(guó)家占比依次減小，新西蘭的專(zhuān)利數(shù)量占比也屬中等，這幾個(gè)國(guó)家的申請(qǐng)量占全球總申請(qǐng)量的76%，他們都是發(fā)展比較早、科技實(shí)力比較強(qiáng)的發(fā)達(dá)國(guó)家，專(zhuān)利數(shù)量對(duì)應(yīng)的原創(chuàng)實(shí)力與之相匹配；此外，奧地利、芬蘭和意大利這幾個(gè)歐洲國(guó)家以及日本也占據(jù)一定比例，具備一定的原創(chuàng)實(shí)力。

1.3 中國(guó)和全球的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)整體情況對(duì)比分析

圖1是中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)和全球?qū)＠暾?qǐng)時(shí)間趨勢(shì)圖，全球的管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)相關(guān)最早出現(xiàn)在1904年，其后50多年里來(lái)保持了一定的申請(qǐng)量，但數(shù)量不大，在七十年代出現(xiàn)了一個(gè)發(fā)展高潮。中國(guó)的專(zhuān)利事業(yè)發(fā)展較晚，從1984年起才建立了專(zhuān)利局，管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)領(lǐng)域從1990年才在中國(guó)開(kāi)始有了相關(guān)申請(qǐng)，并且還是國(guó)外來(lái)華的專(zhuān)利申請(qǐng)，可見(jiàn)，對(duì)中國(guó)的前景還是很重視的，但早期申請(qǐng)量一直很低，進(jìn)入21世紀(jì)后，特別是2010年以后，申請(qǐng)量出現(xiàn)了迅猛增長(zhǎng)。

圖1 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)和全球?qū)＠暾?qǐng)時(shí)間趨勢(shì)

2 管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)分解及發(fā)展分析

管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)主要分為鉚接、焊接、脹接以及其它的一些技術(shù)手段，鉚接技術(shù)占比最大，該手段在管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)領(lǐng)域研究和使用較多，主要研究以鉚接手段如何獲得高質(zhì)量的連接結(jié)構(gòu)，脹接技術(shù)的專(zhuān)利占比次之，焊接技術(shù)和其他連接技術(shù)依次減少，但它們?cè)诠馨孱?lèi)垂直連接技術(shù)中均是很重要的組成部分。

2.1 鉚接[1]

鉚接分為傳統(tǒng)鉚接、沖孔鉚接和擠壓咬口連接。傳統(tǒng)鉚接用于兩個(gè)或多個(gè)相同材料或不同材料零件間的永久固定連接，要鉚接的零部件一起鉆孔或沖孔，接著將作為連接件的鉚釘放入孔中再鉚壓。沖孔鉚接工藝是利用實(shí)心或半空心鉚釘通過(guò)鉚接-切割過(guò)程將實(shí)體材料連接起來(lái)。被連接件不需要像其他鉚接工藝那樣要預(yù)先鉆孔或沖孔，又分為實(shí)現(xiàn)鉚釘?shù)臎_孔鉚接和半空心鉚釘?shù)臎_孔鉚接。擠壓咬口連接工藝是一種傳入層板材料裝配的機(jī)械方法，它將切割穿入和冷鐓合成一個(gè)連續(xù)的工序步驟，而不需另外加熱。

專(zhuān)利FR685929DA公開(kāi)了一種板材垂直連接技術(shù)，通過(guò)在板材B上設(shè)一凸起，在板材A上設(shè)一孔最大直徑大于孔頂?shù)拿た?，將板材B的凸起插入板材A的孔中，沖壓使得凸起變形充滿(mǎn)孔而將板材B鉚壓于板材A中形成垂直的固定連接。US19490090510A公開(kāi)了一種手動(dòng)鉗子，通過(guò)設(shè)計(jì)的連桿與鉗把鉸接，形成聯(lián)動(dòng)，使得在鉗子捏合時(shí)，鉗頭將管材14的邊部18鉚合到管道的管壁上，從而形成管與管的垂直連接。專(zhuān)利US19490134993A公開(kāi)了一種板材垂直連接技術(shù)，通過(guò)在一板材上設(shè)孔，在另一板材上設(shè)特殊形狀的凸起，垂直的將板材的凸起插入孔中，在將特殊形狀的凸起與帶孔的板材面壓平齊，凸起的變形將板材垂直鉚合到帶孔的板材上；這種技術(shù)在很長(zhǎng)時(shí)間廣泛的被使用。專(zhuān)利FR18115A公開(kāi)了一種在管件上沖孔和在孔處垂直鉚接一工件的自動(dòng)設(shè)備，此專(zhuān)利的設(shè)計(jì)從送料到完成均采用自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行，首次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垂直鉚接連接，且結(jié)構(gòu)詳細(xì)簡(jiǎn)介，在此領(lǐng)域具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。

2.2 焊接[2]

生產(chǎn)上常采用的焊接方法有幾十種，大致可分為熔焊、壓焊和釬焊三大類(lèi)，熔焊是指在焊接過(guò)程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。壓焊是指在焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱）以完成焊接的方法。釬焊是指采用比母材（被焊接材料）熔點(diǎn)低的金屬材料做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)焊接的方法。焊接在垂直連接技術(shù)中的發(fā)展，主要集中在焊接前的連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提高焊接后整個(gè)連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和壽命。

專(zhuān)利GB191100767DA公開(kāi)了一種兩鐵板的有效交叉連接方法，通過(guò)在兩塊板材上制造一個(gè)適當(dāng)角度的凸耳和槽，相互插接，接點(diǎn)通過(guò)焊劑固定。專(zhuān)利GB1817416A公開(kāi)了一種改善管狀連接的方法，其通過(guò)在管上切削一與待連接管的端口相一致的孔，二者接合并通過(guò)焊接將兩管固接。專(zhuān)利US19270211654A公開(kāi)了一種管管垂直連接的連接結(jié)構(gòu)和方法，在兩個(gè)相互垂直的管之間設(shè)一個(gè)形狀與垂直管連接處的形狀相匹配的墊圈，墊圈設(shè)在兩垂直管材連接處之間，當(dāng)管材連接后，融化墊圈形成兩個(gè)管材的垂直連接，類(lèi)似釬焊。專(zhuān)利US19590843536A公開(kāi)了一種管件連接結(jié)構(gòu)，提供了制造上述兩種特殊結(jié)構(gòu)的工具和方法，工具結(jié)構(gòu)巧妙，對(duì)以后的技術(shù)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。專(zhuān)利JP24399590A公開(kāi)了一種具有主管和支管的金屬容器的結(jié)構(gòu)其制造方法及設(shè)備，金屬的主管和從主管軸向地分支的支管用電弧焊或激光束焊接法焊接起來(lái)，且法蘭連接到支管和主管各端部是用激光束焊接起來(lái)的，能使甚至是帶支管的容器并且有法蘭接合在主管和支管的端部時(shí)焊接變形減至最低限度，因省略機(jī)加工工序而減少工時(shí)，這類(lèi)加工工序是此種傳統(tǒng)方法在法蘭焊到管上去之后實(shí)施的，因此本方法可獲得較高精度的焊接管狀容器。可見(jiàn)，研究向著精細(xì)的質(zhì)量控制方向發(fā)展，考慮熱變形等對(duì)精度的影響，并提供解決的技術(shù)手段。

2.3 脹接[3]

脹接是利用管子和管板變形以達(dá)到密封和緊固的一種連接方式。他可以采用不同的方法（如機(jī)械方法）來(lái)擴(kuò)脹管子的直徑，使管子產(chǎn)生塑性變形，管板壁產(chǎn)生彈性變形，利用管板孔壁的回彈對(duì)管子施加徑向壓力，使管子與管板的連接接頭具有足夠的脹接強(qiáng)度（拉脫力），保證接頭工作時(shí)（受力后）管子不從管孔中被拉出來(lái)；同時(shí)還應(yīng)具有較好的密封強(qiáng)度（耐壓力），在工作壓力下保證設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)不會(huì)從接頭上泄漏出來(lái)。

專(zhuān)利GB1733516A公開(kāi)了一種改善空心金屬件連接性的方法，其在一個(gè)管中開(kāi)貫通孔，將待連接的件插入空中并脹形形成固定連接結(jié)構(gòu)。專(zhuān)利US19570692076A公開(kāi)了一種管件連接方法，其采用兩管垂直插接，關(guān)鍵點(diǎn)在于采用脹管頭插入垂直管內(nèi)將管材脹形，從而將管脹接在管中，形成垂直固接；這種脹接方法在以后的脹接管材中得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，是脹接垂直連接的關(guān)鍵技術(shù)。專(zhuān)利DEF0025291A公開(kāi)了一種垂直連接結(jié)構(gòu)，其除了此領(lǐng)域普遍的連接結(jié)構(gòu)外形上的配合改進(jìn)，關(guān)鍵在于脹形連接中脹形采用的是在垂直的管材中通入脹形介質(zhì)（如氣體、液體等）將管材脹接在與其外形匹配的凹凸的槽中，其連接強(qiáng)度得到了很大的改善，連接結(jié)構(gòu)的外形配合也實(shí)現(xiàn)突破，在以后的脹形連接中，起到關(guān)鍵的作用。專(zhuān)利DE102007017190A公開(kāi)了高壓成形與件垂直連接一次成形的技術(shù)，水平管和豎直管均放置于模具中，豎直管端部抵接水平管，且其內(nèi)部設(shè)沖頭，水平管內(nèi)通內(nèi)高壓使得水平管脹形在模具的豎直管處形成一端三通管支管，變形至適當(dāng)位置，沖頭抵接，三通支管向兩側(cè)的模具的凹槽中變形，使得與其貼緊的豎直管一起變形到貼合模具的凹槽的程度，然后沖頭下行，水平管的成形的三通支管的管底沖掉，從而與豎直管形成了具有鎖合的變形結(jié)鉤且相互貫通的固定連接結(jié)構(gòu)，操作工序少，無(wú)需焊接等連接結(jié)構(gòu)。

2.4 其它連接

除鉚接、焊接和脹接上述三種連接手段外，還有一個(gè)非常常用的連接手段，即螺紋連接。但由于垂直連接技術(shù)方向位置的特殊性，普通的螺紋連接直接應(yīng)用存在困難。這種情況下，各國(guó)在各種管板垂直連接的研究中，采用螺紋連接的仍不在少數(shù)，為了采用螺紋連接，對(duì)待連接的零件進(jìn)行了改造或者增加連接件等，形式多樣，應(yīng)用也比較廣。除此之外，還有一些根據(jù)具體使用環(huán)境和使用需求而作的特殊的設(shè)計(jì)連接。這類(lèi)連接手段普遍采用增加連接附件的方式，使得兩部件實(shí)現(xiàn)垂直連接，具體附件的形式也可以是待連接零件自身的一部分，或者為了連接而加工出的類(lèi)似附件的結(jié)構(gòu)，其附件或結(jié)構(gòu)多種多樣。

3 小結(jié)

管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)起步非常早，申請(qǐng)量在六七十年代和兩千年附近經(jīng)歷兩次比較快速的增長(zhǎng)期，專(zhuān)利涉及的連接技術(shù)原理上沒(méi)有很大的發(fā)展，但在自動(dòng)化、質(zhì)量提升等方面不斷有新的改進(jìn)和變化。由于管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)在日用品制造業(yè)（如晾衣架）、家電制造業(yè)（如空調(diào)蒸發(fā)器）、汽車(chē)制造業(yè)（如頭枕?xiàng)U）、核電產(chǎn)業(yè)（核反應(yīng)器的管板）均有涉及，且這些產(chǎn)業(yè)還處在良好的發(fā)展環(huán)境中，這也與管板類(lèi)零件垂直連接技術(shù)仍呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)相一致。該技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利主要分布在國(guó)外，國(guó)內(nèi)的數(shù)量非常少，可見(jiàn)，中國(guó)這方面的研究還有很大的進(jìn)步空間，特別是針對(duì)特殊領(lǐng)域的特殊用途的研究，如核電方面的相關(guān)技術(shù)的研究，能夠成為較好的研究方向。