管板类零件垂直连接技术专利发展研究

吴晓冰

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

在机械制造中，连接是指被连接件与连接件的组合。在实际生活和生产中遇到的连接问题远不是简单的概括能够涵盖的，不管在日常生活中还是在工业生产中都会遇到各类连接问题，其中，管板类零件垂直连接是一种被广泛应用和需要的连接技术，由于其垂直的特殊位置关系，导致其连接技术也形成了相应的特殊性，并且，目前没有针对这类连接进行的研究或总结。

1 管板类零件垂直连接技术专利概况

1.1 管板类零件垂直连接技术全球专利申请量变化

管板类零件垂直连接技术的专利申请量经过两个增长高点，目前正处于新的增长期，并且整体呈现增长的趋势。由于该技术应用广泛，包括日常应用，技术起点低，因而早在1904年就出现了该技术的相关专利，但早期申请量较少，一直到1955年每5年的申请量均不足10件，处于萌芽阶段；从1955年到1970年，专利申请量迅速增长，进入第一个猛长期，达到第一个增长高点；之后的专利数量虽然有较大的波动后，总体在19世纪80年带和90年代，特别是在2000年左右，进入21世纪之时，申请量呈井喷之势达到第二个增长高点，且数量远大于上一个增长高点；进入21世纪之后，申请量维持在一个较大的数量，且呈现新的增长趋势。可见，管板类零件垂直连接技术在全球在各个时期均有相当数量的研究和持续的发展。

1.2 管板类零件垂直连接技术专利申请国家分布

对于管板类零件垂直连接技术领域，美国是最大的技术原创国，德国、法国 、英国这三个欧洲国家占比依次减小，新西兰的专利数量占比也属中等，这几个国家的申请量占全球总申请量的76%，他们都是发展比较早、科技实力比较强的发达国家，专利数量对应的原创实力与之相匹配；此外，奥地利、芬兰和意大利这几个欧洲国家以及日本也占据一定比例，具备一定的原创实力。

1.3 中国和全球的相关专利申请整体情况对比分析

图1是中国专利申请和全球专利申请时间趋势图，全球的管板类零件垂直连接技术相关最早出现在1904年，其后50多年里来保持了一定的申请量，但数量不大，在七十年代出现了一个发展高潮。中国的专利事业发展较晚，从1984年起才建立了专利局，管板类零件垂直连接技术领域从1990年才在中国开始有了相关申请，并且还是国外来华的专利申请，可见，对中国的前景还是很重视的，但早期申请量一直很低，进入21世纪后，特别是2010年以后，申请量出现了迅猛增长。

图1 中国专利申请和全球专利申请时间趋势

2 管板类零件垂直连接技术分解及发展分析

管板类零件垂直连接技术主要分为铆接、焊接、胀接以及其它的一些技术手段，铆接技术占比最大，该手段在管板类零件垂直连接技术领域研究和使用较多，主要研究以铆接手段如何获得高质量的连接结构，胀接技术的专利占比次之，焊接技术和其他连接技术依次减少，但它们在管板类垂直连接技术中均是很重要的组成部分。

2.1 铆接[1]

铆接分为传统铆接、冲孔铆接和挤压咬口连接。传统铆接用于两个或多个相同材料或不同材料零件间的永久固定连接，要铆接的零部件一起钻孔或冲孔，接着将作为连接件的铆钉放入孔中再铆压。冲孔铆接工艺是利用实心或半空心铆钉通过铆接-切割过程将实体材料连接起来。被连接件不需要像其他铆接工艺那样要预先钻孔或冲孔，又分为实现铆钉的冲孔铆接和半空心铆钉的冲孔铆接。挤压咬口连接工艺是一种传入层板材料装配的机械方法，它将切割穿入和冷镦合成一个连续的工序步骤，而不需另外加热。

专利FR685929DA公开了一种板材垂直连接技术，通过在板材B上设一凸起，在板材A上设一孔最大直径大于孔顶的盲孔，将板材B的凸起插入板材A的孔中，冲压使得凸起变形充满孔而将板材B铆压于板材A中形成垂直的固定连接。US19490090510A公开了一种手动钳子，通过设计的连杆与钳把铰接，形成联动，使得在钳子捏合时，钳头将管材14的边部18铆合到管道的管壁上，从而形成管与管的垂直连接。专利US19490134993A公开了一种板材垂直连接技术，通过在一板材上设孔，在另一板材上设特殊形状的凸起，垂直的将板材的凸起插入孔中，在将特殊形状的凸起与带孔的板材面压平齐，凸起的变形将板材垂直铆合到带孔的板材上；这种技术在很长时间广泛的被使用。专利FR18115A公开了一种在管件上冲孔和在孔处垂直铆接一工件的自动设备，此专利的设计从送料到完成均采用自动化设备自动进行，首次实现自动垂直铆接连接，且结构详细简介，在此领域具有开创性的意义。

2.2 焊接[2]

生产上常采用的焊接方法有几十种，大致可分为熔焊、压焊和钎焊三大类，熔焊是指在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。压焊是指在焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。钎焊是指采用比母材（被焊接材料）熔点低的金属材料做钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现焊接的方法。焊接在垂直连接技术中的发展，主要集中在焊接前的连接结构的设计，通过连接结构的设计和改进，提高焊接后整个连接结构的稳定性和寿命。

专利GB191100767DA公开了一种两铁板的有效交叉连接方法，通过在两块板材上制造一个适当角度的凸耳和槽，相互插接，接点通过焊剂固定。专利GB1817416A公开了一种改善管状连接的方法，其通过在管上切削一与待连接管的端口相一致的孔，二者接合并通过焊接将两管固接。专利US19270211654A公开了一种管管垂直连接的连接结构和方法，在两个相互垂直的管之间设一个形状与垂直管连接处的形状相匹配的垫圈，垫圈设在两垂直管材连接处之间，当管材连接后，融化垫圈形成两个管材的垂直连接，类似钎焊。专利US19590843536A公开了一种管件连接结构，提供了制造上述两种特殊结构的工具和方法，工具结构巧妙，对以后的技术发展具有指导意义。专利JP24399590A公开了一种具有主管和支管的金属容器的结构其制造方法及设备，金属的主管和从主管轴向地分支的支管用电弧焊或激光束焊接法焊接起来，且法兰连接到支管和主管各端部是用激光束焊接起来的，能使甚至是带支管的容器并且有法兰接合在主管和支管的端部时焊接变形减至最低限度，因省略机加工工序而减少工时，这类加工工序是此种传统方法在法兰焊到管上去之后实施的，因此本方法可获得较高精度的焊接管状容器。可见，研究向着精细的质量控制方向发展，考虑热变形等对精度的影响，并提供解决的技术手段。

2.3 胀接[3]

胀接是利用管子和管板变形以达到密封和紧固的一种连接方式。他可以采用不同的方法（如机械方法）来扩胀管子的直径，使管子产生塑性变形，管板壁产生弹性变形，利用管板孔壁的回弹对管子施加径向压力，使管子与管板的连接接头具有足够的胀接强度（拉脱力），保证接头工作时（受力后）管子不从管孔中被拉出来；同时还应具有较好的密封强度（耐压力），在工作压力下保证设备内的介质不会从接头上泄漏出来。

专利GB1733516A公开了一种改善空心金属件连接性的方法，其在一个管中开贯通孔，将待连接的件插入空中并胀形形成固定连接结构。专利US19570692076A公开了一种管件连接方法，其采用两管垂直插接，关键点在于采用胀管头插入垂直管内将管材胀形，从而将管胀接在管中，形成垂直固接；这种胀接方法在以后的胀接管材中得到普遍认可和应用，是胀接垂直连接的关键技术。专利DEF0025291A公开了一种垂直连接结构，其除了此领域普遍的连接结构外形上的配合改进，关键在于胀形连接中胀形采用的是在垂直的管材中通入胀形介质（如气体、液体等）将管材胀接在与其外形匹配的凹凸的槽中，其连接强度得到了很大的改善，连接结构的外形配合也实现突破，在以后的胀形连接中，起到关键的作用。专利DE102007017190A公开了高压成形与件垂直连接一次成形的技术，水平管和竖直管均放置于模具中，竖直管端部抵接水平管，且其内部设冲头，水平管内通内高压使得水平管胀形在模具的竖直管处形成一端三通管支管，变形至适当位置，冲头抵接，三通支管向两侧的模具的凹槽中变形，使得与其贴紧的竖直管一起变形到贴合模具的凹槽的程度，然后冲头下行，水平管的成形的三通支管的管底冲掉，从而与竖直管形成了具有锁合的变形结钩且相互贯通的固定连接结构，操作工序少，无需焊接等连接结构。

2.4 其它连接

除铆接、焊接和胀接上述三种连接手段外，还有一个非常常用的连接手段，即螺纹连接。但由于垂直连接技术方向位置的特殊性，普通的螺纹连接直接应用存在困难。这种情况下，各国在各种管板垂直连接的研究中，采用螺纹连接的仍不在少数，为了采用螺纹连接，对待连接的零件进行了改造或者增加连接件等，形式多样，应用也比较广。除此之外，还有一些根据具体使用环境和使用需求而作的特殊的设计连接。这类连接手段普遍采用增加连接附件的方式，使得两部件实现垂直连接，具体附件的形式也可以是待连接零件自身的一部分，或者为了连接而加工出的类似附件的结构，其附件或结构多种多样。

3 小结

管板类零件垂直连接技术起步非常早，申请量在六七十年代和两千年附近经历两次比较快速的增长期，专利涉及的连接技术原理上没有很大的发展，但在自动化、质量提升等方面不断有新的改进和变化。由于管板类零件垂直连接技术在日用品制造业（如晾衣架）、家电制造业（如空调蒸发器）、汽车制造业（如头枕杆）、核电产业（核反应器的管板）均有涉及，且这些产业还处在良好的发展环境中，这也与管板类零件垂直连接技术仍呈现增长趋势相一致。该技术的相关专利主要分布在国外，国内的数量非常少，可见，中国这方面的研究还有很大的进步空间，特别是针对特殊领域的特殊用途的研究，如核电方面的相关技术的研究，能够成为较好的研究方向。