CN103982506B - 一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键 - Google Patents

Abstract

本发明涉及栓钉剪力键，尤其涉及一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键。本发明提供了一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，包括栓钉，所述栓钉包括钉帽和与所述钉帽连接的钉身，所述钉身的根部连接有与母材焊接的底盘，所述底盘的直径大于所述钉身的直径。本发明的有益效果是：将断裂区域转移到钉身与底盘之间，使断裂区域与焊接区域相分离，可避免栓钉断裂性质受焊接工序的脆化影响，有利于提高焊接质量。

Description

一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键

技术领域

本发明涉及栓钉剪力键，尤其涉及一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键。

背景技术

钢结构中部分梁、柱、板需要与混凝土截面拼接，需大量使用焊接栓钉作为钢截面和混凝土截面的连接键，使得钢混截面能互相拼接共同工作。桥梁由于跨度大，需要其截面有较大的抗弯刚度，钢-混组合结构由于受力分担合理及刚度分配合理而广泛采用，钢混组合界面中焊接大量栓钉，将大体积混凝土截面与钢截面拼接于一体。另外许多组合桥梁通过钢结构桥梁与混凝土刚构桥搭接组合而成，在钢桥与混凝土桥的节点处，需要使用大量焊接栓钉协调变形和传递荷载。

焊接栓钉主要受剪力和掀起力，其工作能力决定了钢截面与混凝土截面的组合效果。另外，目前栓钉与钢截面的连接方式通常为焊接，焊接方式、焊接工艺与焊接质量均很大程度影响栓钉的抗剪工作效率和极限破坏模式。栓钉焊接技术发展到今天，已经成为发达国家的一种基本的热加工方法，栓钉焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的，而我国1986年才在成都试制成功第一台螺柱焊机。至于栓钉焊接技术的应用，还是从上世纪的九十年代才逐步展开的，到现在也只有20来年的历史，因此栓钉焊接在我国还是一种刚刚兴起的行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距。

栓钉适用高层钢骨结构建筑、工业厂房建筑、公路、铁路、桥梁、塔架、汽车、能源、交通设施建筑、机场、车站、电站、管道支架、起重机械及其它各类钢结构等工程。所有工程上使用的栓钉均应该符合GB/T10433-2002《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》的规定，其抗拉强度≥400kPa，屈服强度≥240kPa，并应该拿取栓钉厂家出具的质量检验单等质量证明书。

栓钉焊接方法由于其具有快速、可靠、简化工序、降低本钱等一系列优点，因而引起了世界各国的普遍重视，经过不断地改进和完善，特别是二次世界大战后得到了迅速发展，现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽车、电站、电控柜等行业。

目前，栓钉材料受焊接高温影响，韧性将下降。特别在电弧焊过程中根部过热而融化，材料厚度、晶粒度和化学成分将受到影响，使得材料延性特征下降。

栓钉焊接后焊缝及热影响区域容易产生各种缺陷。在外部荷载作用下，缺陷区域将提前产生脆性断裂，裂纹逐渐扩展，当外荷载增长到某一临界值，裂纹区域内力处于高应力状态，而裂缝扩展速度加快，使得栓钉破坏模式呈现脆性特征。

在采用焊条电弧焊时，栓钉本身受外荷载作用，将荷载传递至焊缝，再由焊缝将外荷载传递至母材。由于焊脚尺寸较小，且布置上属于突变位置，焊料本身内力处于高水平阶段。这对焊料本身材料特性及焊接工艺提出较高的要求，如果焊料韧性不够或焊接工艺无法满足要求，断裂点将发生在焊脚上，使得栓钉受剪破坏呈脆性破坏且栓钉没有发挥足够的材料潜能即退出工作。

由于栓钉工作过程中，钉身承受荷载将传递至栓钉根部，使得根部区域内力最先达到最大值，在外荷载到达一定临界值时栓钉在根部区域剪断。当焊接过程对母材和栓钉根部有损伤时，即金属在焊接过程中韧性变差使得栓钉易脆断，或者焊条材料延伸率不足，栓钉在剪断过程由于断裂区域正好与缺陷区域重叠，如图1所示，栓钉200与母材100焊接，断裂区域101与焊接区域102相重合，导致断裂性质受焊接工序的脆化影响，导致栓钉根部区域的缺陷将在断裂过程中被反映出来，焊接质量较差。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种栓钉断裂点与焊接区域的分离而使得栓钉断裂性质未受焊接工序脆化影响的有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键。

本发明提供了一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，包括栓钉，所述栓钉包括钉帽和与所述钉帽连接的钉身，所述钉身的根部连接有与母材焊接的底盘，所述底盘的直径大于所述钉身的直径。

作为本发明的进一步改进，所述栓钉剪力键还包括母材，所述底盘与所述母材焊接。

作为本发明的进一步改进，所述底盘的底面设有凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述凹槽为圆环凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述底盘的底面设有引弧凸点。

作为本发明的进一步改进，所述底盘的直径等于所述钉帽的直径。

作为本发明的进一步改进，所述引弧凸点位于所述底盘的圆心。

作为本发明的进一步改进，所述栓钉剪力键还包括外套瓷环，所述外套瓷环套设在所述钉身、底盘上。

作为本发明的进一步改进，所述外套瓷环包括套筒部和扩口部，所述套筒部套设在所述钉身上，所述扩口部套设在所述底盘上。

作为本发明的进一步改进，所述套筒部、扩口部之间设有台阶部，所述台阶部与所述底盘的顶面相贴合。

作为本发明的进一步改进，所述扩口部的底部设有缺口。

作为本发明的进一步改进，所述钉帽的厚度为k，所述底盘的厚度为b，k、b的单位为mm，b=k-3mm。

本发明的有益效果是：通过上述方案，将断裂区域转移到钉身与底盘之间，使断裂区域与焊接区域相分离，可避免栓钉断裂性质受焊接工序的脆化影响，有利于提高焊接质量。

附图说明

图1是现有技术中栓钉剪力键的焊接示意图；

图2是本发明一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键的焊接示意图；

图3是本发明一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键的结构示意图；

图4是图3的局部放大图A；

图5是本发明一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键的仰视图；

图6是本发明一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键安装了外套瓷环的装配结构示意图；

图7是本发明一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键的外套瓷环的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图2至图7中的附图标号为：母材100；断裂区域101；焊接区域102；栓钉1；钉帽11；圆盘凹槽111；钉身12；底盘13；凹槽131；引弧凸点132；外套瓷环2；套筒部21；台阶部22；扩口部23；缺口24。

如图2至图7所示，一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，包括栓钉1，所述栓钉1包括钉帽11和与所述钉帽11连接的钉身12，所述钉帽11上设有圆盘凹槽111，所述钉身12的根部连接有与母材100焊接的底盘13，所述底盘13为圆盘状，所述底盘13的直径大于所述钉身12的直径。

如图2至图7所示，所述底盘13的直径等于所述钉帽11的直径。

如图2至图7所示，所述钉身12与所述钉帽11的交汇处倒圆角，所述钉身12与所述底盘13的交汇处倒圆角。

如图2至图7所示，所述钉帽11的厚度为k，所述底盘13的厚度为b，k、b的单位为mm，b=k-3mm。

如图2至图7所示，所述钉帽11、钉身12主要与混凝土截面接触，承担大部分混凝土截面传递的剪力和拉力。此部分按普通圆柱头焊接栓钉设计，参照GB/T10433-2002《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》。

如图2至图7所示，所述栓钉剪力键还包括母材100，所述底盘13与所述母材100焊接。

如图2至图7所示，所述底盘13与栓钉1的钉身12的底部热轧为一体，再通过电弧焊将底盘13焊接于母材100上。

如图2至图7所示，栓钉1的底盘13主要用处在于：首先栓钉1的钉身12承受结构剪力与拉力，再将荷载传递到底盘13，底盘13将所有荷载转移至母材100。由于底盘13与钉身12直径尺寸的差距，底盘13与钉身12的接触区域表现出几何突变，荷载在此处需要往底盘13传递，使得此处产生应力集中现象，内力值达到一个较大范围。底盘13与母材100的接触面积较大，底盘13下端荷载值与上端近似，则栓钉1的底盘13下端区域内力小于上端与栓钉1接触面内力。于是在荷载增大至一定界限值时，栓钉1与底盘13接触面首先发生断裂。

由于无论采用栓钉电弧焊或者焊料电弧焊，焊接区域主要在栓钉1的底盘13下侧与外围区域，对底盘13上端栓钉1接触面无造成影响，所以焊接质量与焊接对金属脆化作用对栓钉1破坏模式影响甚小。本发明能人为控制栓钉1的断裂口产生于底盘13与钉身12的交汇处，此处金属将不受焊接工艺影响，于是栓钉1受外荷载而断裂的属性将保持金属的韧性，破坏模式为延性断裂。总而言之，本发明实现栓钉断裂区域101与焊接区域102的分离而使得栓钉1的断裂性质未受焊接工序的影响。

如图2至图7所示，所述底盘13由于与母材100接触面积较大，无论采取焊条电弧焊或者栓钉电弧焊等，都能保证在高温熔解时有充足热流质填充于底盘13周围或者底部，使得栓钉1与母材100间有更多固定接触，提升了栓钉1的焊接效果，更增强了栓钉1的抗拉及抗剪承载力。

如图2至图7所示，所述底盘13的底面设有凹槽131。

如图2至图7所示，所述凹槽131的作用在于：促使底盘13外围及中心的金属在焊接高温中融化，使得底盘13外围与中心与母材100良好接触，避免底盘13局部与母材100脱离造成接触不良。

如图2至图7所示，所述凹槽131优选为圆环凹槽，所述圆环凹槽的内径等于所述钉身12直径的一半，所述圆环凹槽的外径等于所述钉身12的直径。

如图2至图7所示，所述凹槽131的深度为所述底盘13的厚度的四分之一。

如图2至图7所示，所述底盘13的底面设有引弧凸点132。

如图2至图7所示，所述引弧凸点132的主要作用在于：焊接过程中拉弧后，在引弧凸点132产生高温融化栓钉1的底盘13金属。

如图2至图7所示，所述引弧凸点132位于所述底盘13的圆心。

如图2至图7所示，所述栓钉剪力键还包括外套瓷环2，所述外套瓷环2套设在所述钉身12、底盘13上。

如图2至图7所示，在栓钉1的根部设置外套瓷环2，主要利用陶瓷耐高温特性，在焊接时，底盘13的金属熔解后，在外套瓷环2的限制作用下能保持其热流质集中于底盘13周围且汇合成较为圆润的熔池。由于栓钉1的底盘13被扩大，为了更好形成均匀规则的焊脚，外套瓷环2可根据扩大的底盘13做出调整。

如图2至图7所示，所述外套瓷环2包括套筒部21和扩口部23，所述套筒部21套设在所述钉身12上，所述扩口部23套设在所述底盘13上。

如图2至图7所示，所述套筒部21、扩口部23之间设有台阶部22，所述台阶部22与所述底盘13的顶面相贴合。

如图2至图7所示，所述扩口部23的底部设有缺口24，所述缺口24为三角形缺口。

本发明提供的一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键的优点如下：

（1）钉身12下热轧底盘13将栓钉1的断裂区域101人为转移至延性破坏区域。底盘13上端与钉身12接触区域有几何突变，使得局部应力集中而提前断裂，由此实现人为转移破坏区域。底盘13上端区域低碳钢金属有合格延伸率保证，且与焊接区域102分离，焊接对金属的脆化作用不会影响到断裂区域；

（2）钉身12下热轧底盘13可以改良焊接效果。底盘12截面面积比钉身12大，与母材100接触面积增大，无论使用焊条电弧焊或者栓钉电弧焊，熔池均与母材100有更多的接触面积，使得焊接效果提高。另外扩大底盘13也有利于固定栓钉1位置，使栓钉1焊接时更易保持笔直，从而使焊接工艺更加方便，焊接效果得到更多保证。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，其特征在于：包括栓钉，所述栓钉包括钉帽和与所述钉帽连接的钉身，所述钉身的根部连接有与母材焊接的底盘，所述底盘的直径大于所述钉身的直径，所述栓钉剪力键还包括外套瓷环，所述外套瓷环套设在所述钉身、底盘上，所述外套瓷环包括套筒部和扩口部，所述套筒部套设在所述钉身上，所述扩口部套设在所述底盘上，所述栓钉剪力键还包括母材，所述底盘与所述母材焊接，所述底盘的底面设有凹槽，所述凹槽为圆环凹槽。

2.根据权利要求1所述的有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，其特征在于：所述底盘的底面设有引弧凸点，所述底盘的直径等于所述钉帽的直径。

3.根据权利要求2所述的有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，其特征在于：所述引弧凸点位于所述底盘的圆心。

4.根据权利要求1所述的有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，其特征在于：所述套筒部、扩口部之间设有台阶部，所述台阶部与所述底盘的顶面相贴合。

5.根据权利要求1所述的有效提高焊接质量兼延性破坏特征的栓钉剪力键，其特征在于：所述扩口部的底部设有缺口。