CN114833425A - 一种叠置钢板的焊接接头及其制造方法和一种金属夹层板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢结构的焊接技术领域，公开了一种叠置钢板的焊接接头及制造方法以及一种金属夹层板，解决了叠置钢板焊接强度小，狭小空间焊接难度大等问题。其技术方案要点是包括第一钢板件和第二钢板件，第一钢板件与第二钢板件厚度方向重叠或部分重叠；第一钢板件在重叠区域开设闭合焊腔，闭合焊腔将第一钢板件分为位于闭合焊腔以内的内板和剩余的外板；沿闭合焊腔施焊形成闭合焊缝，所述内板、外板和第二钢板件焊接连接。本发明适用的工件钢板厚度范围更宽、面积更大，且焊接接头抗疲劳性能更强，同时可以实现狭小空间或内腔空间的内焊缝外焊。

Description

一种叠置钢板的焊接接头及其制造方法和一种金属夹层板

技术领域

本发明涉及钢结构的焊接技术领域，尤其涉及一种叠置钢板的焊接接头及制造方法，以及一种金属夹层板。

背景技术

钢结构是以钢材制作为主的结构，主要由型钢和钢板等制成的构件，因其自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型建筑、桥梁、场馆、船舶等领域。

钢结构的连接以焊接、螺栓连接、铆接为主，其中焊接连接占比最大。由于用于结构件的钢构件具有承受各类载荷的刚度、强度性能要求，对钢板的板厚有一定要求，而较厚钢板的面面焊接，即厚度方向叠合的两层钢部件或多层钢部件的连接是钢结构焊接中的难点。

尤其是内腔、狭小空间、难以进入的一些焊接空间的焊接，尤为困难。比如金属夹层板由两层金属面板和轻质的刚度较大的芯子组成。这种结构自重轻、结构高度低、整体性好，相较于单层板增加了虚拟厚度，具有良好抗弯、抗扭、抗冲击性能和吸能特性，承载能力大，在钢桥梁面板、舰船地板和舱室、海洋平台、建筑等领域得到广泛的应用。由于芯子和面板的连接部位在内侧，焊接难度大，即使通过焊接机器人进行焊接，由于焊缝在内腔，后续不易进行检测、维护。

现有技术之一为采用传统塞焊，在其中一张钢板开孔，把孔内面积全部焊满，但这种焊接缺点是面积小，若对该焊接界面的面面焊接采用实心的较大面积焊接时，则需把该面积全部施焊，不但热输入量大，形成较大范围的热影响敏感区，而且被填满的焊缝往往高低不平。其次小面积塞焊的焊缝轨迹单一，大面积则孔内施焊焊缝的径向轨迹不一，复杂的焊缝轨迹使缺陷在所难免，该焊缝难以直接承受各向荷载的复杂承力要求的，难以形成多个方向的承力功能，即当不利于该焊缝方向的荷载出现时，该焊缝极易开裂或疲劳。故在相关焊接标规中均有表述，即一般的塞焊不能当做结构焊接之用。

现有技术之二是采用激光束熔融将焊接区域的金属，形成面面结合。由于激光束聚焦、对准及受光学仪器所导引，需放置在离工件适当之距离，焊接受空间限制，通常只用于小型、1.5mm以下的薄金属板、精密工件的车间焊接加工；其次，激光束通常聚焦在很小的区域，熔融厚金属板虽然理论上可行，但是实际生产经营中并不现实，加之设备昂贵等，并不适用于建筑桥梁等大型钢结构件的焊接。

发明内容

本发明主要发明目的是为了解决叠置钢板、尤其是大型结构件的焊接接头焊接强度小，以及狭小空间焊接难等问题，提供一种焊接结构强度大、能适用于厚钢板焊接以及狭小空间焊接的焊接接头及其焊接方法，以及提供一种采用该焊接接头的金属夹层板。

为了实现上述发明目的，本发明的第一方面提供了一种叠置钢板的焊接接头，包括第一钢板件和第二钢板件，所述第一钢板件与第二钢板件厚度方向重叠或部分重叠；

所述第一钢板件在重叠区域开设闭合焊腔，闭合焊腔将第一钢板件分为位于闭合焊腔以内的内板和剩余的外板；

沿闭合焊腔施焊形成闭合焊缝，所述内板、外板和第二钢板件焊接连接。

作为优选，闭合焊腔包括至少一个贯通第一钢板件上下表面的狭槽状的子焊腔和至少一个连接内板和外板的连接筋，在子焊腔施焊并熔融连接筋后形成闭合焊缝。连接筋不仅在施焊前作为临时措施，既能够保证在第一钢板件的闭合焊腔的下料切割时，内板和外板不脱离，方便后续运输流转，同时为焊接时内板、外板、第二钢板件三者提供定位，防止内外板偏移带来的焊腔的槽宽不均，而造成焊接质量下降。

由于开口焊缝的端头为应力集中点，为保证在施焊时能够熔融连接筋，形成闭合焊缝，避免焊缝成为具有两个端头的开口焊缝，成为疲劳敏感点，作为优选，连接筋的长度t小于闭合焊腔的槽宽b。

作为优选，内板上开设内焊腔。在内板面积较大的情况下，在内板继续开槽进行焊接，内板继续分割分割成多个小区域，进一步增加焊接强度。

作为优选，内焊腔与闭合焊腔连通。

作为优选，内焊腔与闭合焊腔形成连续的一笔画曲线。由于焊接的起弧和收弧是缺陷发生的较高概率的部位，内焊腔与外焊腔联通，并进一步形成一笔画图形，能够有效减少焊接起弧和收弧的数量，从而减少疲劳的发生。

作为优选，内焊腔为一端与闭合焊腔连通的螺旋线。且闭合焊腔的环形一笔画将起弧并入环线闭合焊缝中，通过螺旋线形的内焊腔将收弧藏到整个焊接区域的中心区域，该处为最不敏感的受力区域，规避了收弧的缺陷产生。

作为优选，内焊腔为两端分别与闭合焊腔连通的直线或曲线。可根据实际焊接焊接或工件结构灵活设计焊缝轨迹。

作为优选，第一钢板件在重叠区域的板厚大于等于1.5mm。激光焊接常用于薄板，不需要在面板开槽就可熔融面板的金属，本发明实施例更适用于1.5mm及以上的较厚钢板的焊接。

作为优选，闭合焊腔为圆形、椭圆形、或矩形。焊接轨迹的设计性更强。

结合本发明的第一方面，本发明提供了一种用于制造叠置钢板的焊接接头的方法，包括以下工艺：

a、第一钢板件下料，切割出闭合焊腔，闭合焊腔将第一钢板件分成位于闭合焊腔径向以内的内板和剩余的外板；

b、第一钢板件与第二钢板件彼此贴合，重叠或部分重叠设置，内板和闭合焊腔位于重叠区域内；

c、沿闭合焊腔的轨迹在其内连续施焊，形成闭合焊缝，将内板、外板和第二钢板件焊接连接。

本发明的另一方面提供了一种金属夹层板，包括两块平行的面板，和设置在两个面板之间的芯板，所述芯板与面板内侧表面部分贴合，所述芯板与面板内侧表面部分贴合区域采用上述的焊接接头焊接固定，所述第一钢板件为面板，所述第二钢板件为芯板。

作为优选，所述芯板为波形板。

与现有技术相比，本发明采用了上述技术方案，具有显著的技术效果：

1、本发明实施例提供的叠置钢板焊接接头及焊接方法适用的工件钢板厚度范围更宽，尤其适用于大型桥梁、建筑等厚钢板工件的连接。通过在第一钢板件开设闭合焊腔，即开槽的方式形成焊腔，再与第二钢板件焊接连接，与激光焊接需要熔融第一钢板件的方式不同，本发明不受焊接工件板厚的限制，同时，本专利实施例的焊接接头可通过传统焊接设备焊接且焊接成本更低，经济性能更优，更适用于承受载荷的钢结构件的焊接。

2、从受力上，本发明实施例提供的叠置钢板焊接接头及焊接方法更适用于大面积、高强度的面面焊接，焊接接头抗疲劳性能更强。

首先，与传统塞焊孔内填满焊材的方式不同，本发明焊缝内部保留由母材形成的居间内板，母材的抗剪、抗拉和抗疲劳性能在稳定性方面均大幅优于焊缝，由母材做为焊缝与焊缝平滑过渡，避免在焊缝与焊缝之间形成断面的突变，而造成该连接区域承力时直接由焊缝来进行抗剪、抗弯传力的局面，能够有效提高焊缝处的抗疲劳性能。

其次，本发明焊接接头解决了塞焊或直线焊单向受力的问题，承担各向复杂工况的功能要求。由于塞焊或直线焊在一个方向受力性能好，另一个方向差。在焊接区域平面内，可根据焊接构件的结构、所需的焊接面积大小、不同区域的局部载荷的不同等因素，灵活设计焊缝轨迹，保证纵横向均具有焊缝延伸，各向受力均可兼顾。

3、本发明通过在闭合焊腔连续焊接形成闭合焊缝，减少焊接起弧点和收弧点数量，规避起弧点和收弧点多而造成的焊接缺陷的发生概率，形成类似围焊的结构，焊缝强度更优。

4、本发明焊接接头突破钢结构现场作业时的一些空间或高度限制，可以实现狭小空间或内腔空间的内焊缝外焊。不仅焊接难度降低，经济性能更好，且焊缝质量容易检测。

附图说明

图1为本发明实施例1的叠置钢板的焊接接头焊接前的结构示意图；

图2为为本发明实施例1的叠置钢板的焊接接头焊接后的结构示意图；

图3为图2中沿A-A方向的剖面图；

图4为本发明实施例1的闭合焊腔具有连接筋的结构示意图；

图5为图4焊接后的结构示意图，其中连接筋在焊接时被熔融；

图6为本发明实施例1内板具有内焊腔的结构示意图；

图7为本发明实施例1中另一形式内焊腔的结构示意图；

图8本发明实施例1中闭合焊腔为矩形的结构示意图；

图9为本发明实施例2的一种金属夹层板的结构示意图。

附图标记：1—第一钢板件、11—内板、12—外板、2—第二钢板件、3—闭合焊腔、31—连接筋、32—子焊腔、4—内焊腔、5、闭合焊缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”，“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1至3所示，为一种叠置钢板的焊接接头。如图1所示，包括钢板制成的第一钢板件1和第二钢板件2，第一钢板件1和第二钢板件2，第一钢板件1和第二钢板件2在板厚方向部分重叠或重叠放置。

如图1所示，第一钢板件1开设贯通钢板上下表面的环形的槽，形成闭合焊腔3，当然第一钢板件1和第二钢板件2为相对而言，也可以在第二钢板件2开设，或者为了加强焊接强度，双面均可开设。但是对于一些受空间限制的部位，如一侧是内腔或难以进入的空间，应尽量开设在方便施焊的部件上。闭合焊腔3可以为圆、椭圆、矩形等闭合曲线的形状，图8所示的闭合焊腔3为矩形。闭合焊腔3将第一钢板件1分为位于闭合焊腔3以内的内板11和剩余的外板12。内板11为第一钢板件1在切割闭合焊腔3时形成的余料，或者也可以是由另外加工而成。

闭合焊腔3也可以由多个间断的子焊腔32形成闭合焊接路径，如图4，闭合焊腔3包括多个贯通第一钢板件1上下表面的子焊腔32和多个连接筋31，子焊腔32为窄槽状，连接筋31连接内板11和外板12，作为在施焊前临时固定内板11和外板12的措施，既能够保证在第一钢板件1的闭合焊腔3的下料切割时，内板11和外板12不脱离，同时方便后续工件的运输流转，优选采用两条及以上连接筋31，能够更加稳定。

在施焊时，沿闭合焊腔3的轨迹连续施焊，图2、3为图1在闭合焊腔3内连续施焊后形成了闭合焊道5的示意图。如图5为图4焊接后的示意图，连续施焊同时熔融相邻子焊腔32之间的连接筋31，闭合焊腔3内形成连续的闭合焊缝5。图3所示，连接筋31位于相邻子焊腔32的两端之间，如果连接筋的长度过宽会导致连续焊接时，难以熔融连接筋31，因而难以形成连续闭合的焊缝，形成具有两个端头的开口焊缝，端头处成为应力集中区域，成为疲劳敏感点。因而连接筋31的长度t应保证在施焊时能够熔融连接筋31，经过试验论证，连接筋31的长度t小于闭合焊腔3的槽宽b，焊接时，沿闭合焊腔3轨迹连续施焊，连接筋被熔融，闭合焊腔3内形成了闭合焊缝5。闭合焊缝5将内板11、外板12和第二钢板件2三者焊接连接。

同时，在焊接过程中，连接筋31为内板11、外板12、第二钢板件焊接时提供定位，保证了内板11和外板12的相对位置，防止内板11偏移而造成焊腔的槽宽不均，产生的焊缝截面不一致，造成焊接质量下降。

具体本实施例的焊接接头的制造包括以下工艺步骤：

首先，下料，将第一钢板件1切割出闭合焊腔3，闭合焊腔3将第一钢板件1分成位于闭合焊腔3径向以内的内板11和剩余的外板12；

第一钢板件1与第二钢板件2彼此贴合，两者重叠或部分重叠放置，内板11和闭合焊腔3位于重叠区域内；

沿闭合焊腔3的轨迹在其内连续施焊，形成闭合焊缝5，将内板11、外板12和第二钢板件2固定连接。

上述叠置钢板焊接接头，对比激光焊接，本申请更适用于用于承受载荷的结构件的焊接，尤其适用于建筑、桥梁、船舶等的大型钢结构件，如桥面板、楼承板、船仓等。激光焊接通过非接触的方式，直接熔融钢板，其焊道宽度、焊接工件的厚度、以及作业空间受激光源及设备的限制，常用于薄板，本专利实施例1的焊接接头可通过传统焊接设备焊接且焊接成本更低，经济性能更优，开槽使得可适用的钢板厚度范围更大，尤其适用于板厚大于等于1.5mm较厚钢板的连接。

同时，相对于塞焊等传统方式，本申请更适用于大面积的面面焊接，通过保留闭合焊缝5内部的居间的内板11，做为焊缝与焊缝平滑过渡，避免在焊缝之间形成断面的突变，造成承力时直接由焊缝通过抗剪、抗弯传力的局面，由于抗剪、抗弯的传力普遍弱于抗拉或抗压，且该处断面突变形能较明显的疲劳因子，保留焊缝内由母材形成的居间内板能够有效提高焊缝处的抗疲劳性能，承担各向复杂工况的功能要求。

在焊接区域平面内，还可根据焊接构件的结构、所需的焊接面积大小、不同区域的局部载荷的不同等因素，灵活设计焊缝轨迹，可设计性更强，保证纵横向均具有焊缝延伸，有效解决了塞焊或直线焊在一个方向受力性能好，另一个方向差的问题，各向受力均可兼顾。

如图2，在闭合焊腔3内通过连续焊接形成闭合焊缝5，形成类似围焊的结构，焊接起弧点和收弧点为焊接缺陷频发点，闭合焊缝5使焊接起弧点和收弧点重合，焊缝强度更大。

在内板11面积较大的情况下，在内板11继续开槽进行焊接，内板11继续分割分割成多个小区域，进一步增加焊接强度。如图6所示，内板4上可开设各种形式的内焊腔，以增大焊接面积，从而增加焊接强度。内焊腔4与闭合焊腔3连通。优选内焊腔4的路径曲线能与闭合焊腔3形成连续的一笔画曲线。由于焊接的起弧和收弧是缺陷发生的较高概率的部位，内焊腔4与外焊腔3联通，并进一步形成一笔画图形，能够有效减少焊接起弧和收弧的数量，从而减少疲劳的发生。图6所示的内焊腔为螺旋线。闭合焊腔3的环形一笔画将起弧并入环线闭合焊缝中，通过螺旋线形的内焊腔4将收弧藏到整个焊接区域的中心区域，该处为最不敏感的受力区域，规避了收弧的缺陷产生。

当然，内焊腔4也可不与闭合焊腔形成一笔画曲线，如图7所示为两端分别与闭合焊腔3连通的直线，或曲线。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种金属夹层板，为实施例1的焊接接头用于金属夹层板焊接的具体情况，实现金属夹层板狭小空间或内腔空间的内焊缝外焊。如图9所示，一种金属夹层板，包括两块平行的面板，和设置在两个面板之间的芯板，芯板为波形板，具有平直的波峰与波谷段，波峰及波谷段与面板内表面贴合，由于芯板与面板的贴合面位于金属夹层板的面板以内，受夹层板的高度限制，芯板与面板的焊接为狭小空间的内腔焊接。

如图9，在夹层板组装时，上下面板的连接其中一面的焊缝可以直接明焊接，另一面由于要盖上面板，则不能明焊。不能明焊的一面采用实施例1的焊接接头，其中该面板作为第一钢板件1，芯板作为第二钢板件2，在面板上开设多个闭合焊腔进行焊接，形成多个闭合焊缝5，将狭小空间的内焊缝转移至外侧，实现内缝外焊的效果，焊接难度降低，同时焊缝质量容易检测，以及后期的维修。

同时，组合时，将金属夹层板实际工作环境中，处于受拉区域的焊缝采用明焊，将受压区域的焊缝采用本专利焊接方法，这样应用时，更能满足结构需要。

以上是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种叠置钢板的焊接接头，包括第一钢板件(1)和第二钢板件(2)，所述第一钢板件(1)与第二钢板件(2)厚度方向重叠或部分重叠，其特征在于：

所述第一钢板件(1)在重叠区域开设闭合焊腔(3)，闭合焊腔(3)将第一钢板件(1)分为位于闭合焊腔(3)以内的内板(11)和剩余的外板(12)；

沿闭合焊腔(3)施焊形成闭合焊缝(5)，所述内板(11)、外板(12)和第二钢板件(2)焊接连接。

2.根据权利要求1所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：

闭合焊腔(3)包括至少一个贯通第一钢板件(1)上下表面的狭槽状的子焊腔(32)和至少一个连接内板(11)和外板(12)的连接筋(31)，在子焊腔(32)施焊并熔融连接筋(31)后形成闭合焊缝(5)。

3.根据权利要求2所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：连接筋(31)的长度t小于闭合焊腔(3)的槽宽b。

4.根据权利要求1所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：内板(11)上开设内焊腔(4)。

5.根据权利要求4所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：内焊腔(4)与闭合焊腔(3)连通。

6.根据权利要求4所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：内焊腔(4)与闭合焊腔(3)形成连续的一笔画曲线。

7.根据权利要求4所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：内焊腔(4)为一端与闭合焊腔(3)连通的螺旋线。

8.根据权利要求4所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：内焊腔(4)为两端分别与闭合焊腔(3)连通的直线或曲线。

9.根据权利要求1所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：第一钢板件(1)在重叠区域的板厚大于等于1.5mm。

10.根据权利要求1所述的叠置钢板的焊接接头，其特征在于：闭合焊腔(3)为圆形、椭圆形、或矩形。

11.一种用于制造权利要求1所述叠置钢板的焊接接头的方法，其特征在于：

包括以下工艺：

a、第一钢板件(1)下料，切割出闭合焊腔(3)，闭合焊腔(3)将第一钢板件(1)分成位于闭合焊腔(3)径向以内的内板(11)和剩余的外板(12)；

b、第一钢板件(1)与第二钢板件(2)彼此贴合，重叠或部分重叠设置，内板(11)和闭合焊腔(3)位于重叠区域内；

c、沿闭合焊腔(3)的轨迹在其内连续施焊，形成闭合焊缝(5)，将内板(11)、外板(12)和第二钢板件(2)焊接连接。

12.一种金属夹层板，包括两块平行的面板，和设置在两个面板之间的芯板，所述芯板与面板内侧表面部分贴合，其特征在于：所述芯板与面板内侧表面部分贴合区域采用权利要求1-10任一项所述的焊接接头焊接固定，所述第一钢板件(1)为面板，所述第二钢板件(2)为芯板。

13.根据权利要求12所述的金属夹层板，其特征在于：所述芯板为波形板。

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