管板類零件垂直連接技術專利發展研究

吳曉冰

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

在機械制造中，連接是指被連接件與連接件的組合。在實際生活和生產中遇到的連接問題遠不是簡單的概括能夠涵蓋的，不管在日常生活中還是在工業生產中都會遇到各類連接問題，其中，管板類零件垂直連接是一種被廣泛應用和需要的連接技術，由于其垂直的特殊位置關系，導致其連接技術也形成了相應的特殊性，并且，目前沒有針對這類連接進行的研究或總結。

1 管板類零件垂直連接技術專利概況

1.1 管板類零件垂直連接技術全球專利申請量變化

管板類零件垂直連接技術的專利申請量經過兩個增長高點，目前正處于新的增長期，并且整體呈現增長的趨勢。由于該技術應用廣泛，包括日常應用，技術起點低，因而早在1904年就出現了該技術的相關專利，但早期申請量較少，一直到1955年每5年的申請量均不足10件，處于萌芽階段；從1955年到1970年，專利申請量迅速增長，進入第一個猛長期，達到第一個增長高點；之后的專利數量雖然有較大的波動后，總體在19世紀80年帶和90年代，特別是在2000年左右，進入21世紀之時，申請量呈井噴之勢達到第二個增長高點，且數量遠大于上一個增長高點；進入21世紀之后，申請量維持在一個較大的數量，且呈現新的增長趨勢。可見，管板類零件垂直連接技術在全球在各個時期均有相當數量的研究和持續的發展。

1.2 管板類零件垂直連接技術專利申請國家分布

對于管板類零件垂直連接技術領域，美國是最大的技術原創國，德國、法國 、英國這三個歐洲國家占比依次減小，新西蘭的專利數量占比也屬中等，這幾個國家的申請量占全球總申請量的76%，他們都是發展比較早、科技實力比較強的發達國家，專利數量對應的原創實力與之相匹配；此外，奧地利、芬蘭和意大利這幾個歐洲國家以及日本也占據一定比例，具備一定的原創實力。

1.3 中國和全球的相關專利申請整體情況對比分析

圖1是中國專利申請和全球專利申請時間趨勢圖，全球的管板類零件垂直連接技術相關最早出現在1904年，其后50多年里來保持了一定的申請量，但數量不大，在七十年代出現了一個發展高潮。中國的專利事業發展較晚，從1984年起才建立了專利局，管板類零件垂直連接技術領域從1990年才在中國開始有了相關申請，并且還是國外來華的專利申請，可見，對中國的前景還是很重視的，但早期申請量一直很低，進入21世紀后，特別是2010年以后，申請量出現了迅猛增長。

圖1 中國專利申請和全球專利申請時間趨勢

2 管板類零件垂直連接技術分解及發展分析

管板類零件垂直連接技術主要分為鉚接、焊接、脹接以及其它的一些技術手段，鉚接技術占比最大，該手段在管板類零件垂直連接技術領域研究和使用較多，主要研究以鉚接手段如何獲得高質量的連接結構，脹接技術的專利占比次之，焊接技術和其他連接技術依次減少，但它們在管板類垂直連接技術中均是很重要的組成部分。

2.1 鉚接[1]

鉚接分為傳統鉚接、沖孔鉚接和擠壓咬口連接。傳統鉚接用于兩個或多個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心或半空心鉚釘通過鉚接-切割過程將實體材料連接起來。被連接件不需要像其他鉚接工藝那樣要預先鉆孔或沖孔，又分為實現鉚釘的沖孔鉚接和半空心鉚釘的沖孔鉚接。擠壓咬口連接工藝是一種傳入層板材料裝配的機械方法，它將切割穿入和冷鐓合成一個連續的工序步驟，而不需另外加熱。

專利FR685929DA公開了一種板材垂直連接技術，通過在板材B上設一凸起，在板材A上設一孔最大直徑大于孔頂的盲孔，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公開了一種手動鉗子，通過設計的連桿與鉗把鉸接，形成聯動，使得在鉗子捏合時，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。專利US19490134993A公開了一種板材垂直連接技術，通過在一板材上設孔，在另一板材上設特殊形狀的凸起，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；這種技術在很長時間廣泛的被使用。專利FR18115A公開了一種在管件上沖孔和在孔處垂直鉚接一工件的自動設備，此專利的設計從送料到完成均采用自動化設備自動進行，首次實現自動垂直鉚接連接，且結構詳細簡介，在此領域具有開創性的意義。

2.2 焊接[2]

生產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，熔焊是指在焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法。壓焊是指在焊接過程中，必須對焊件施加壓力（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）熔點低的金屬材料做釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于母材熔點的溫度，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現焊接的方法。焊接在垂直連接技術中的發展，主要集中在焊接前的連接結構的設計，通過連接結構的設計和改進，提高焊接后整個連接結構的穩定性和壽命。

專利GB191100767DA公開了一種兩鐵板的有效交叉連接方法，通過在兩塊板材上制造一個適當角度的凸耳和槽，相互插接，接點通過焊劑固定。專利GB1817416A公開了一種改善管狀連接的方法，其通過在管上切削一與待連接管的端口相一致的孔，二者接合并通過焊接將兩管固接。專利US19270211654A公開了一種管管垂直連接的連接結構和方法，在兩個相互垂直的管之間設一個形狀與垂直管連接處的形狀相匹配的墊圈，墊圈設在兩垂直管材連接處之間，當管材連接后，融化墊圈形成兩個管材的垂直連接，類似釬焊。專利US19590843536A公開了一種管件連接結構，提供了制造上述兩種特殊結構的工具和方法，工具結構巧妙，對以后的技術發展具有指導意義。專利JP24399590A公開了一種具有主管和支管的金屬容器的結構其制造方法及設備，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，且法蘭連接到支管和主管各端部是用激光束焊接起來的，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焊接變形減至最低限度，因省略機加工工序而減少工時，這類加工工序是此種傳統方法在法蘭焊到管上去之后實施的，因此本方法可獲得較高精度的焊接管狀容器。可見，研究向著精細的質量控制方向發展，考慮熱變形等對精度的影響，并提供解決的技術手段。

2.3 脹接[3]

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

專利GB1733516A公開了一種改善空心金屬件連接性的方法，其在一個管中開貫通孔，將待連接的件插入空中并脹形形成固定連接結構。專利US19570692076A公開了一種管件連接方法，其采用兩管垂直插接，關鍵點在于采用脹管頭插入垂直管內將管材脹形，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可和應用，是脹接垂直連接的關鍵技術。專利DEF0025291A公開了一種垂直連接結構，其除了此領域普遍的連接結構外形上的配合改進，關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（如氣體、液體等）將管材脹接在與其外形匹配的凹凸的槽中，其連接強度得到了很大的改善，連接結構的外形配合也實現突破，在以后的脹形連接中，起到關鍵的作用。專利DE102007017190A公開了高壓成形與件垂直連接一次成形的技術，水平管和豎直管均放置于模具中，豎直管端部抵接水平管，且其內部設沖頭，水平管內通內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，變形至適當位置，沖頭抵接，三通支管向兩側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鉤且相互貫通的固定連接結構，操作工序少，無需焊接等連接結構。

2.4 其它連接

除鉚接、焊接和脹接上述三種連接手段外，還有一個非常常用的連接手段，即螺紋連接。但由于垂直連接技術方向位置的特殊性，普通的螺紋連接直接應用存在困難。這種情況下，各國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，為了采用螺紋連接，對待連接的零件進行了改造或者增加連接件等，形式多樣，應用也比較廣。除此之外，還有一些根據具體使用環境和使用需求而作的特殊的設計連接。這類連接手段普遍采用增加連接附件的方式，使得兩部件實現垂直連接，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似附件的結構，其附件或結構多種多樣。

3 小結

管板類零件垂直連接技術起步非常早，申請量在六七十年代和兩千年附近經歷兩次比較快速的增長期，專利涉及的連接技術原理上沒有很大的發展，但在自動化、質量提升等方面不斷有新的改進和變化。由于管板類零件垂直連接技術在日用品制造業（如晾衣架）、家電制造業（如空調蒸發器）、汽車制造業（如頭枕桿）、核電產業（核反應器的管板）均有涉及，且這些產業還處在良好的發展環境中，這也與管板類零件垂直連接技術仍呈現增長趨勢相一致。該技術的相關專利主要分布在國外，國內的數量非常少，可見，中國這方面的研究還有很大的進步空間，特別是針對特殊領域的特殊用途的研究，如核電方面的相關技術的研究，能夠成為較好的研究方向。