CN104785979B - 钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，包括两个集水箱、水泵、水阀、水压表、水管、铜块和U型管道。铜块紧贴电渣焊构件接头的外表面，铜块内部沿厚度方向设两排水通道，靠近电渣焊构件侧为进水通道，另一排为出水通道。在铜块的一端由U型管道实现进出水通道的连通，铜块的另一端进水通道连接1号集水箱，出水通道连接2号集水箱，在水泵的作用下铜块内部循环通水，实现电渣焊焊接过程强制冷却。本装置可以避免电渣焊接头产生过宽的热影响区、过长的时间及高温停留时间，从而有利于提高电渣焊接头的力学性能特别是断裂韧性，可用于改善建筑钢结构箱型柱电渣焊接头的微观组织和力学性能，提高结构的抗震能力。

Description

钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及钢结构箱型柱电渣焊冷却技术。
背景技术
电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热来加热、熔化金属，进而形成焊缝的一种焊接方法。与常规熔化焊（如CO2气体保护焊等）相比，电渣焊具有生产效率高，经济效率好，无污染，不需要开坡口，焊材的消耗小，且由于渣池的预热作用而不易出现淬硬组织减小了冷裂倾向，电渣焊被广泛运用于厚大构件的焊接领域如建筑钢结构、船舶、压力容器和桥梁等。
在高层建筑的抗弯钢结构框架中，由于箱型柱在两个相互垂直的受力方向上，都具有非常好的工作性能，可以较好地满足钢柱强度及整体结构的稳定性，同时箱型柱因其截面积小、承载力大及抗震性能良好，所以国内高层建筑的钢柱一般均采用箱型柱。由于箱型柱的长度较长，为了提高箱型柱沿长度方向的刚度以控制挠曲变形，一般会在箱型柱内增加若干隔板，但由于箱型柱隔板与腹板的厚度较大且施焊难度较大，为了提高生产效率，一般采用具有大线能量特征的电渣焊进行连接。
但是电渣焊的焊接热输入远远大于CO2气体保护焊等常规焊接方法，使得电渣焊接头在焊接热循环中高温停留时间和800～500oC冷却时间明显过长，同时也使得接头形成过宽的热影响区(HAZ)，产生晶粒粗大和过热组织的倾向较大，易使得电渣焊接头的冲击韧性较低。特别是在1994年美国Northridge地震和1995年日本发生阪神大地震以后，通过对建筑钢框架结构所做的专项调查发现，脆性断裂主要起源于工字钢（梁）下翼缘和箱形柱电渣焊接头的焊缝和热影响区，经过分析发现这主要是由于在焊后梁翼缘的接头区域韧性较差，在承受地震的冲击载荷以后，由于塑性不足从而导致接头发生脆性断裂现象。
为了提高钢结构箱型柱中电渣焊接头的韧性，陈立功等人在高炉用钢电渣焊过程中采用超声振动方法来改善焊接接头的综合力学性能。Kitani等人采用低碱性和含有一定量的Ti-B元素的焊丝，使焊缝能完全形成针状铁素体组织，从而大大提高了电渣焊接头的韧性。Ricci 和Eagar采用调整电渣焊工艺参数来减小接头的热影响区宽度，从而改善接头的力学性能。但是目前还没有在电渣焊焊接过程中采用强制冷却方式来提高了接头强度和韧性的研究。
在专利文献号为CN101704162，发明名称为圆筒形纵缝V型坡口的电渣焊方法的专利文献中，为了将电渣焊方法用于圆筒形纵缝V型坡口的焊接，设计了将冷却铜滑块放置于V型坡口的开口外侧，冷却铜滑块与焊接熔池直接相接触，使得熔池快速冷却成型。但是其所设计的冷却铜滑块只是为了使V型坡口封闭，以便在使用电渣焊施焊时液态熔渣及金属不会外流，而不是用于改善接头的力学性能，仅是为了成型而用，该装置无法用于箱型柱中已经封闭了的隔板与腹板处电渣焊接头中。同时，该铜滑块随焊接机头保持同步上升，这对于实际生产中的使用很是繁琐，并且在钢结构箱型柱的电渣焊中焊接机头固定不动，只是将焊丝伸入到槽里，所以也无法在箱型柱电渣焊中实现该过程。此外，冷却铜滑块内部的进水口和出水口均与焊缝横向平齐，从而影响到了冷却水的冷却效果，且未能实现冷却水的循环再利用。并且，由于高温熔池与铜块直接接触，必将对铜块有所伤害，影响到冷却铜滑块的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，主要解决焊缝和热影响区在高温时的停留时间过长而产生晶粒粗大和过热组织的倾向较大的问题。此外该装置还能改变电渣焊构件表面的焊接应力方向，将拉应力转变为压应力，将有利于提高试件的抗疲劳强度。
本发明的技术方案如下：
一种钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，用于钢结构箱型柱的隔板与腹板处电渣焊接头中，该装置包括：1号集水箱、2号集水箱、水泵、水阀、水压表、水管、铜块和U型管道。
所述铜块紧贴电渣焊构件的外表面，不与电渣焊的熔池相接触。铜块为长方体块，内部沿厚度方向设定两排水通道，一排为进水通道，另一排为出水通道，其中靠近电渣焊构件的那排为进水通道。在铜块的一端由U型管道实现进水通道与出水通道的连通，实现铜块内部循环通水；铜块的另一端进水通道通过水管连接1号集水箱，出水通道通过水管连接2号集水箱，在水管管路中连接水泵、水阀和水压表；在水泵的作用下， 1号集水箱中的冷水通过水管抽入铜块的进水通道，经出水通道流出，被收集到2号集水箱，水的流速由水阀控制调节，并通过水压表观察；1号集水箱和2号集水箱通过水管相连，实现水资源的循环再利用。
为了使该装置具有更大的适用性，可以依据实际箱型柱的高度将若干铜块连接诶组合，在每一铜块的上下端设有两个双头螺纹孔，两铜块之间通过双头螺栓连接，水通道上下连通。对于铜块长度，通过大量的调研，采用三种长度的冷却铜块比较合理，分别为500mm、200mm和100mm，比如700mm长度的试件，可以将一块长为500mm的铜块与200mm的铜块螺纹孔对孔组立拼接形成700mm长的铜块。
在焊前依据构件尺寸准备好铜块以后，将铜块与电渣焊构件点固；然后将水管与铜孔对接接好以后，在焊前开始通水，通水速度通过水压阀调控，并可通过水压表观察数值；再开始进行电渣焊焊接；在焊完冷却过程中，也一直保持通水的状态直到冷却到室温，之后将先停止通水然后取下铜块即可。
采用本发明提出的钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，使得大线能量电渣焊焊接过程中的热量散失大大加快。不仅可以大幅缩短电渣焊接头的高温停留时间和时间，而且还可以显著减少热影响区的宽度，有效地提高电渣焊接头的综合力学性能，尤其是接头的韧性，从而保证钢结构箱型柱构件最为薄弱的电渣焊接头的使用性和安全可靠性。本装置简单实用、实施方便，且设备可依据实际焊接件尺寸做调整，具有很高的通用性和适用性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置的立体图；
图2是本强制冷却装置与电渣焊构件安装位置的立体图；
图3为本强制冷却装置中铜块与电渣焊构件的位置关系图；
图4为铜块的端面俯视图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是图4的B-B剖视图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明的结构和工作方式：
参见图1、图2和图3，钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置由1号集水箱1、2号集水箱2、水泵3、水阀4、水压表5、铜块6、U型管道7和水管8等组成。
铜块6采用长方体块结构，通过点焊方式固定在电渣焊构件9 接头的外表面，铜块内部沿厚度方向设定两排水通道，其中靠近电渣焊构件9一侧为进水通道，另一侧为出水通道。在铜块的一端设置U型管道7，连通进水通道与出水通道，实现铜块内部循环通水。在铜块的另一端，进水通道通过水管连接1号集水箱，负责冷却水，出水通道通过水管连接2号集水箱，负责收集排出的水，在水管管路中连接水泵3、水阀和水压表。这样在水泵的作用下，1号集水箱1中的冷水通过水管8抽入铜块的进水通道，吸收电渣焊接头的热量，经出水通道流出，被收集到2号集水箱2 ，水的流速由水阀4控制调节，并通过水压表5全程监控。并且，1号集水箱1和2号集水箱2通过水管8相连，实现水资源的循环再利用。
本实施方式中，铜块6是由紫铜材料制成，这是因为紫铜管的传热效率要比黄铜等材料好，以进一步提高该装置的冷却能力；
结合图4，为了使该装置具有很大的适用性，申请人制造三种长度的铜块6，分别为500mm、200mm和100mm，在每一铜块的上下两端或其中一个端面设置两个螺栓孔6-1，以使两块不同或相同长度的铜块可采用螺栓进行对接，从而实现铜块长度的调节，适应不同高度的钢结构箱型柱。
参见图5，本实施方式的铜块6的进、片水通道的直径相同，一般直径为20mm，两排水通道每排4个通水孔，上下位置相互对齐，且位置均匀排布。
本发明提供的强制冷却装置可以使大线能量电渣焊焊接过程中的热量散失加快，大幅缩短电渣焊接头的高温停留时间和时间，而且还可以显著减少热影响区的宽度，从而有效提高电渣焊接头的综合力学性能，尤其是接头的韧性，保证钢结构箱型柱构件最为薄弱的电渣焊接头的使用性和安全可靠性。

Claims (4)

1.一种钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，其特征在于：由1号集水箱(1)、2号集水箱(2)、水泵(3) 、水阀(4)、水压表(5)、铜块(6)、U型管道(7)和水管(8)组成；铜块为长方体块，通过点焊方式固定在电渣焊构件(9) 接头的外表面，铜块内部沿厚度方向设定两排水通道，两排水通道的直径为20mm，每排有4个孔，两排水通道上下位置相互对齐，均匀排布；靠近电渣焊构件(9)一侧为进水通道，另一侧为出水通道，在铜块的一端由U型管道(7)进行进水通道与出水通道的连通，实现铜块内部循环通水；铜块的另一端进水通道通过水管连接1号集水箱，出水通道通过水管连接2号集水箱，在水管管路中连接水泵(3)、水阀（4）和水压表（5）；在水泵的作用下， 1号集水箱中的冷水通过水管抽入铜块的进水通道，经出水通道流出，被收集到2号集水箱，水的流速由水阀控制调节，并通过水压表观察；1号集水箱和2号集水箱通过水管相连，实现水资源的循环再利用。
2.根据权利要求1所述的钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，其特征在于：所述铜块依据实际箱型柱的高度由若干块进行连接组合，在铜块的上下两端设有双头螺纹孔，两铜块之间通过双头螺栓连接，水通道上下连通。
3.根据权利要求1所述的钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，特征在于，所述铜块的长度有三种，分别为100mm、200mm和500mm。
4.根据权利要求1或2所述的钢结构箱型柱电渣焊用内部通水铜块强制冷却装置，其特征在于：所述铜块由紫铜材料制成。
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