1.5 胶接接头设计
优良接头的获得，除了与胶黏剂的选用、相应工艺的确定有关外，关键在于胶接接头的设计及其材料的选择。胶接接头构成方法很多，要获得满意的结果，必须进行认真的接头设计，而不是简单地用胶接来代替铆接、焊接等。从力学性能与工艺要求方面考察，其胶接比其他连接方法更复杂。胶接接头设计时，应当综合权衡各方面的影响。例如，受力的性质、方向与大小、接头结构形式、加工可能性、胶接工艺及使用的环境应力等。由于胶接机制尚难彻底揭示，胶黏剂研制和应用发展十分迅速。为了获得优良的胶接接头，必须研究胶接方法本身的特点及胶接接头设计的基本原则。
1.5.1 胶接接头的受力分析
1.5.1.1 胶接接头的基本形式
胶接接头是被胶接材料通过胶黏剂进行连接的部位。胶接接头的结构形式很多，从接头的使用功能、受力情况出发，可以划分成如下八种基本形式：
（1）搭接接头（lap joint） 搭接接头是由两个被胶接部分的叠合，胶接在一起所形成的接头［见图1-2（a）］。
（2）面接接头（surface joint） 它是两个被胶接物主表面胶接在一起所形成的接头［见图1-2（b）］。
（3）对接接头（butt joint） 它指的是被胶接物的两个端面与被胶接物主表面垂直的胶接接头［见图1-2（c）］。
（4）角接接头（angle joint） 两被胶接物的主表面端部形成一定角度的胶接接头称为角接接头［见图1-2（d）］。
（5）斜接接头（scarf joint） 将两被胶接物切割成非90°的对应断面，并使该两断面胶接成具有同一平面的接头［见图1-2（e）］。
（6）T形胶接接头（T-type joint） 特指两个被胶接物主表面呈T形的胶接接头［见图1-2（f）］。
（7）槽接接头（dado joint） 它是一种榫槽式的胶接接头［见图1-2（g）］。
图1-2 胶接接头的基本形式
（8）套接接头（dowel joint） 在棒材与管材、管材与管材胶接时，两被胶接物的胶接部位形成销轴或套状结构的接头［图1-2（h）］。
以上各种基本结构形式，在实际应用中可以联用，也可以采取其他补强措施，以提高接头的强度和增加接头的功能。
1.5.1.2 胶接接头的受力分析
实际的胶接接头形式是多种多样的。受力情况各不相同，况且应力分布不均。接头的破坏既与应力大小有关，也与受力部位及接头内部缺陷、弱界面区有关，因此，接头的受力状况是比较复杂的。通常是借助于标准化的胶接强度测试方法，以典型受力的接头形式，研究胶接接头的力学行为。
接头胶层在外力作用时，有四种受力情况，如图1-3所示。
图1-3 接头中胶层的典型受力情况
（1）搭接接头 单面搭接接头应用相当广泛，研究得比较充分。接头的应力分布取决于接头的几何形状、尺寸，也取决于被胶接件和胶接工艺。
在外力作用下，接头内部有三种应力：①被胶接物上平行于外力的拉伸应力；②胶黏剂层上平行于外力的剪切应力；③胶黏剂和被胶接物的胶接面上，垂直于胶接面的剥离力（正应力）。
在单面搭接接头部分两端都有应力峰值。单面搭接接头，由于拉力偏离接头中心线而产生弯矩，从而在胶黏剂层产生正应力。在接头破坏前，若金属产生塑性伸长，正应力将因剥离作用而迅速增加，最终导致接头破坏。
若采用轻金属和恰当的搭接长度，此正应力很小，可以忽略不计。可将胶黏剂的抗剪强度作为强度标准。总之，对同种被胶接零件的单面搭接接头的应力集中，存在如下规律：搭接长度越小，应力集中也越小；被胶接材料和胶黏剂层厚度越大，应力集中越小；胶黏剂的柔性越大，应力集中越小；被胶接物越易变曲，应力集中越小。
（2）斜接接头 Lubkin指出，胶黏剂层厚度与被胶接物厚度之比小于0.1时，应力集中很小；厚度之比小于0.01时，应力集中因素可以忽略。
斜接接头受到平行于接头的拉力或压缩力的作用时，斜接接头的拉应力、剪应力集中小，是一种较合理的连接方式。斜接接头设计时，夹角偏小为好，这样可增大胶接面积，且应力小，承载能力较大。
（3）对接接头 胶层在外力作用下，垂直方向被拉长，横向产生横向收缩。由于胶接面黏附力的限制，使横向收缩受到一定的约束。在外力作用下，对接接头产生纵向拉应力和横向拉应力。
从整体上看，对接接头的应力集中不大，因此，通常推荐对接接头作为胶接强度测量试样。在实际应用中，由于它的胶接面积太小，而且当外力方向稍有偏斜，其受力情况将变成不均匀扯离力，胶接强度将大幅度降低，因此，在胶接连接领域中很少使用。
1.5.2 胶接接头设计
胶接接头设计应当根据接头受力情况，遵照接头设计原则，选择接头结构形式，确定接头尺寸。对需要特别高强度的地方，设计时采取补强措施。
由于胶接机制尚难彻底揭示，典型试验数据难以满足设计要求，因此，对要求具备多种功能的复杂接头，应当进行样件指标测试，设计定型后方可使用。
1.5.2.1 接头设计的基本原则
胶接接头的设计与正确选择胶黏剂和固化剂有关，也与被胶接材料的表面特性及其处理方法有关，同时与环境应力有关，因此，接头设计是一个复杂的问题。对受力接头的设计，应当遵循如下的基本原则：
① 接头受力方向与胶接强度最大的方向相一致的原则。尽量使胶层承受正拉力和剪切力，避免胶层承受剥离力和不均匀扯离力。减小产生剥离、劈裂和弯曲的可能性，必要时采取局部加强的设计措施。
② 缓和应力集中的设计原则。适当改善应力集中的结构要素。例如，适当缩短搭接长度、增大搭接宽度，以及适当增加被胶接材料和胶黏剂层厚度，以缓解应力集中。为减小胶黏剂内的应力集中，胶黏剂的硬度应小于被胶接材料的硬度；构成接头的所有材料的膨胀系数应尽可能一致；构成接头零件的材料种类尽可能少。
③ 具有最大的胶接面积，以提高接头的承载能力。在胶接面积一定的前提下，适当增加宽度、缩短长度。
④ 接头材料选择遵循接头的功能要求与工艺性相结合的原则。
⑤ 提高胶接强度。为此要求胶层薄而均匀，连续而不缺胶，以减少弱界面区的产生，但易产生应力集中，设计时应当审慎权衡。
1.5.2.2 接头尺寸确定
胶接连接的性能分散性大，一般的分散度在20%左右。接头破坏类型也会因接头内外条件变化而发生转化。标准接头的破坏性强度测试结果，指标重复性较差，在设计中，不能根据标准的胶接强度测试数据来推算实际接头的强度，这给设计带来一定的困难。
胶黏剂的种类繁多，接头形式也各不相同，难有普遍适用的计算公式。多用一些经验公式与实验结果相结合来确定接头尺寸。接头设计还包括接头的典型结构与接头基材的选择。对木材加工来讲，接头设计更重要的是胶黏剂种类的选择与胶接工艺的确定。