CN218466344U - 一种摩擦焊盘和一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种摩擦焊盘和一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板，解决了现有加劲钢板中加劲肋与顶板焊缝受拉容易发生疲劳开裂等问题，其技术方案要点是提供了一种摩擦焊盘，所述摩擦焊盘具有嵌入段，所述嵌入段为锥台状，所述锥台的锥角为β，且2°≤β≤40°。以及一种采用该摩擦焊盘的加劲钢板，连接板与摩擦焊盘的焊接接区域具有环绕摩擦焊盘的渐变增厚圈。本申请通过小锥面摩擦焊盘在焊接区域形成环绕焊盘的渐变增厚圈，在焊盘周向的焊接面预先施加环抱的预压应力，逆向思维地把在载荷作用下焊盘受拉、剪的过程转变为预压应力减少的过程，从而提高了焊接面抗拉，抗剪的强度。

Description

一种摩擦焊盘和一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板

技术领域

本申请涉及加劲钢板领域，尤其涉及一种加劲钢板和一种摩擦焊盘。

背景技术

加劲钢板是通过在单钢板一面设置加劲肋，增加虚拟厚度，提高纵横向刚度的一种结构，因其重量轻，刚度大，广泛应用于桥梁、船舶等行业，如正交异性钢桥面板就是一种典型的加劲钢板。

正交异性钢桥面板因其纵横向加劲肋通过焊接与顶板或面板连接的结构形式，需进行大量焊接，焊缝的热影响区产生严重的焊接残余应力，形成材料金相组织和力学的薄弱部位，而这些薄弱部位导致构件运行时的变形、裂缝萌生、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂等病害，直接影响正交异性钢桥面板的运行安全和服役寿命，且至今没有找到解决疲劳问题的方法，导致正交异性钢桥面板往往是带“病”服役。

如何提高焊接强度和抗疲劳致损力，是解决疲劳问题的关键。传统公知技术中，为了增强焊接强度和抗疲劳致损力，往往采用增大焊缝截面等通用方法，如专利CN201610646358.0提供的纵肋与顶板焊接采用双面焊方式，增大了焊接截面，而增大焊接截面会进一步增加热输入量，形成更大的主要为拉应力的残余应力和增量变形。绝大部分的传统熔焊等焊接方式本身在熔化至凝固过程中带有较大的拉应力，与服役时的拉应力叠加形成更大的拉应力，成为焊缝疲劳开裂的诱因。

实用新型内容

本申请针对现有加劲钢板中加劲肋与顶板焊缝受拉容易发生疲劳开裂等问题，提供了一种具有小锥角的摩擦焊盘以及采用摩擦焊盘摩擦焊连接的加劲钢板，通过小锥面摩擦焊盘在焊接区域形成环绕焊盘的渐变增厚圈，在焊盘周向的焊接面预先施加环抱的预压应力，逆向思维地把在载荷作用下受拉的过程转变为预压应力减少的过程，从而提高了焊接面抗拉，抗剪的强度。

为了实现上述申请目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请第一方面提供了一种摩擦焊盘，所述摩擦焊盘具有嵌入段，所述嵌入段为锥台状，所述锥台的锥角为β，且2°≤β≤40°，所述嵌入段的端面为内凹面。纯圆平面的端面在旋转时，外侧线速度大，从外向内逐渐减小至0，因此外侧输入能量大，金属熔融快，中心输入能量小，熔融慢，所以不能达到深度嵌入顶板母材、形成机械咬合的效果。采用沿着边缘向圆心方向向内凹的端面，焊接时端面的边缘成为最先与顶板接触的部位，高温下该区域的金属首先融化，使得外侧嵌入更深，承担更多的应力，且周边会率先承担应力，从而和相对较浅承担应力较少的内心部位趋于匹配，通过加深外侧的焊接界面嵌入顶板母材的深度，增加了接合强度，提高了焊接接头的抗剪能力。且漏斗状凹面有助于杂质流动，当中部开设通孔或空腔时，熔融的金属向中部流动，通过通孔向外侧挤出。

作为优选，所述端面为内凹的锥面，且锥面母线与底边的夹角为γ，3°≤γ≤15°，以保证焊盘端面与顶板底面足够的焊接接触面积。

作为优选，所述摩擦焊盘中部具有沿轴向贯通的排渣通道。将该排渣通道设于旋转速度趋于零的中心区域，从根本上规避了线速度较小的中心区域可能产生的熔合较差的缺陷概率，而且，在摩擦焊盘前后端开设贯通的通孔，不仅在焊接过程中成为摩擦焊熔出物排出的导出孔，同时摩擦焊盘前端面为环状端面，由于嵌入段的前端在焊接后嵌入顶板内部，环状端面有利于与顶板形成交叉互嵌的机械结合抗剪构造。

作为优选，所述摩擦焊盘还包括与嵌入段一端相连的压肩，所述压肩为环状，其直径大于嵌入段的大端直径。利用台阶式的压肩，能够在轴向压住工件，形成机械嵌固力。

本申请另一方面提供了一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板，包括顶板、加劲肋和上述的摩擦焊盘，所述加劲肋包括肋板和连接板，肋板和连接板具有转角α，90°≤α≤135°，所述连接板板厚为t1；

所述连接板上开设多个连接孔，所述连接孔容纳所述摩擦焊盘；

所述连接板与顶板相贴合，两者通过摩擦焊盘摩擦焊固定连接，且所述连接板与摩擦焊盘的焊接接区域具有环绕摩擦焊盘的渐变增厚圈。

作为优选，所述渐变增厚圈的最大厚度为t2，t2≥1.15*t1。渐变增厚圈的厚度越大，对摩擦焊盘的压应力越大。

作为优选，所述渐变增厚圈为连接板母材受摩擦焊盘挤压变形形成。渐变增厚圈由连接板形成缓慢的渐变截面过渡区，有利于提高构件的连续性。

作为优选，嵌入段高度为h，h＞t1，嵌入段部分嵌入顶板，且嵌入深度大于2mm。嵌入段前端深入顶板，形成了机械锚固作用，大幅提高摩擦焊盘的抗剪性能。

作为优选，所述连接板外侧设置下翻筋板，所述下翻筋板与连接板垂直或倾斜相交。下翻筋板类似于开口肋，相当于在两个闭口肋之间增加了两道开口肋，不仅能够提高钢板的纵向刚度，还大幅减小了顶板横向的跨度，同样的间距可使用更薄的顶板，大大节省了用钢量。

与现有技术相比，采用了上述技术方案的纵肋及其与顶板的焊接结构，具有如下有益效果：

1、在本申请通过小锥面锥台状摩擦焊盘在焊接时的旋转挤压扩孔效应，形成斜面式杠杆几何级增大顶锻力，在焊盘周围连接板区域形成渐变增厚圈，渐变增厚圈类似抱箍环抱摩擦焊盘，在焊盘周围形成环抱式的预压应力。由于焊缝的抗压强度的不敏感性远高于抗拉强度，疲劳开裂也主要由于拉应力引起，当服役荷载为拉应力时，渐变增厚圈形成的预压应力与焊缝受拉的拉应力形成一定值的平衡抵消，逆向思维地把在载荷作用下受拉的过程转变为预压应力减少的过程，减少了焊缝的拉应力及拉应力幅，从而提高了焊接面抗拉，抗剪的强度。

2、同时，渐变增厚圈形成的预压应力不但产生在焊盘侧面，对加劲肋的母材也形成了挤压，被传递到整个焊接区域的连接板以及加劲肋其他区域的母材中，相当于给连接板施加了预应力，连接板与肋板的转角位置，原本受拉的外转角应力被部分抵消，更起到了提高加劲肋开合角的折叠抗力的效果，形成了加劲肋转角接近零应力的理想状态。

3、加劲肋与顶板使用了间隔式的圆形的独立摩擦焊，类似一个个高强度的焊岛，岛与岛之前由连接板的钢板母材连接，类似于具备一定的变形吸能效应的板式链条，吸能后的剩余部分由焊岛承力抵抗，这种岛链式的焊接结构相对于传统的直线连续的焊缝，不仅抗疲劳性能更好，而且由于为间隔焊，即使开裂，裂缝也不易沿直线无限扩展延伸。

附图说明

图1为本申请实施例中加劲钢板的立体结构图；

图2为本申请实施例中加劲肋的立体结构图；

图3为本申请实施例中加劲肋的横截面图；

图4为图3的局部放大图；

图5为本申请实施例中摩擦焊盘的立体结构图；

图6为本申请实施例中摩擦焊盘的剖视图；

图7为本申请实施例中摩擦焊盘与顶板焊接时的初始状态；

图8为本申请实施例中摩擦焊盘与顶板焊接时的最终状态；

图9为图8的局部放大图；

图10为木桶受预应力的示意图；

图11为本申请实施例中摩擦焊盘受预压应力的示意图。

附图标记：

1-顶板；2-加劲肋；21-肋板；22-连接板；23-下翻筋板；24-连接孔；25- 渐变增厚圈；3-摩擦焊盘；31-嵌入段；32-排渣通道；33-压肩；34-端面。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步描述。需要说明的是，在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。

如图1为一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板，包括钢制的顶板1，顶板1一面承受载荷，另一面连接多个加劲肋2，以增加顶板的虚拟厚度，提高加劲钢板的整体刚度。桥梁中正交异性钢桥面板结构为典型的加劲钢板。

如图2、3所示，加劲肋2包括肋板21和连接板22，肋板21和连接板22 两者具有转角α，90°≤α≤135°。如图4，连接板22板厚为t1，连接板22 开设多个沿加劲肋长度方向间隔的连接孔24，连接孔24为锥形孔，连接孔24 用于加劲肋2与顶板1进行连接。连接板22外侧设置下翻筋板23，下翻筋板23与连接板22垂直或倾斜相交。下翻筋板23设置在加劲肋2的两侧，加劲肋 2与顶板1固定后，下翻筋板23作用类似于开口肋，相当于在两个闭口肋之间增加了两道开口肋，不仅能够提高钢板的纵向刚度，还大幅减小了顶板1的横向的跨度，同样的间距可使用更薄的顶板1，大大节省了用钢量。

如图1所示，加劲钢板还包括摩擦焊盘3，加劲肋2与顶板1采用摩擦焊盘 3进行摩擦焊连接。如图5、6为摩擦焊盘3的结构示意图，摩擦焊盘3具有嵌入段31，嵌入段31插入连接孔24，嵌入段31形状与连接孔24相匹配，嵌入段31为锥台状，其锥角为β，高度为h，大端直径为d，且2°≤β≤40°。如图7为摩擦焊盘3焊接的初始状态，焊接时，旋转摩擦焊盘3，利用摩擦焊盘3 嵌入段31的小锥面，形成斜面式杠杆几何级增大顶锻力，同时下压施加一定增量的顶锻力，顶锻末期也可采用一定量的超压，使得该小锥度的嵌入段31在连接孔24之间形成旋转挤压扩孔效应，连接板22的母材受摩擦焊盘3挤压变形、母材逐渐加厚堆积形成渐变增厚圈25。如图8、9所示，当渐变增厚圈25厚度 t2达到预设的t2≥1.15*t1目标后停止，金属冷却固化，摩擦焊盘3将加劲肋 2与顶板1固定连接。

如图5、6所示，摩擦焊盘3中部具有沿轴向贯通的排渣通道32。在摩擦焊盘3前后端开设贯通的通孔，作为排渣通道32，不仅在焊接过程中成为摩擦焊熔出物排出的导出孔，更重要的是在摩擦焊盘3嵌入段31端面形成环状端面，由于嵌入段31的前端在焊接后要嵌入顶板内部，环状端面有利于与顶板1形成交叉互嵌的机械结合抗剪构造。

如图5、6所示，以锥台形嵌入段31靠近顶板1的一端为前端，前端的端面34为内凹面，如图采用内凹的锥面。假如采用纯平的圆平面，在旋转时，各区域同时摩擦，由于外侧线速度大，外侧输入能量大，金属熔融快，从外向内逐渐减小至0，因此中心输入能量小，熔融慢，所以端部为纯圆平面不能达到深度嵌入顶板母材、形成机械咬合的效果。如现有的一些摩擦焊钉往往采用中部尖锐外突的端面，类似钉子状，此类焊钉常用于轻质金属的焊接，往往只能中部尖端嵌入另一工件，达不到很好的抗剪效果。而本申请实施例中的摩擦焊盘3在受力时，主要剪切应力为主，如果只是中部尖端嵌入顶板，抗剪性能不足。本申请实施例摩擦焊盘3前端的端面34采用沿着边缘向圆心方向向内凹斜面，摩擦焊盘3前端端面34的边缘成为最先与顶板接触的部位，高温下该区域的金属首先融化，使得外侧和圆心的线速度、能量输入、融化速度趋于匹配；加深了外侧的焊接界面嵌入顶板母材的深度，增加了接合强度，提高了焊接接头的抗剪能力。同时为了保证焊盘端面与顶板底面足够的焊接接触面积，优选采用斜度较小的凹面，锥面母线与底边的夹角为γ为3°-15°之间。其次，漏斗状内凹面34向中部的排渣通道32倾斜，有助于熔融的金属向中部流动，通过通孔向外侧挤出。

如图8所示，为了进一步提高摩擦焊的抗剪性能，摩擦焊盘3的嵌入段31 的高度h＞t1，焊接后嵌入段31部分嵌入顶板1，且嵌入的深度大于2mm。

如图5、6所示，摩擦焊盘3还包括与嵌入段31大端相连的压肩33，压肩 33为环状，其直径大于嵌入段31的大端直径d。如图8所示，摩擦焊盘3利用台阶式的压肩33，能够在轴向压住工件，与渐变增厚圈25涨紧，甚至嵌入渐变增厚圈25，形成机械嵌固力。

在本申请实施例中，在采用性能稳定、抗疲劳性能强、近固态焊接的、且端面接近压应力态的单面式摩擦焊方法的同时，在焊盘3周围外侧的连接板22 上形成渐变增厚圈25，形成一种预应力式的摩擦焊连接。

预应力是指在构件尚未作用外荷载前，预先对结构施加的应力。预应力一般与荷载引起的应力相反。结构服役期间预加应力可全部或部分抵消荷载导致的应力，避免结构破坏。如图10所示木桶原理，就是典型的预应力原理的应用，渐变增厚圈25与木桶的抱箍相似，环向箍住焊盘3，如图11，在摩擦焊盘3周围形成环抱式的预压应力。摩擦焊盘3其在受载荷时，主要承受剪力和拉应力，而对于焊缝而言，焊缝的抗压强度远高于抗拉强度，因而本申请创造性地在摩擦焊盘3周向的焊接面预先施加环抱的预压应力，把载荷作用下摩擦焊盘3受拉的过程转变为预压应力减少的过程，变相提高了焊接面抗拉，抗剪的强度。这样，当服役荷载为拉应力时，则形成一定值的平衡抵消，减少了拉应力或拉应力幅；而剪应力也可理解为错位的拉应力，也可产生与前述相近的有益效果；当服役荷载为压应力时，形成叠加的对疲劳致损相对不敏感的压应力或压应力幅。

渐变增厚圈25形成的预压应力不但作用在摩擦焊盘3环状侧壁，同时对加劲肋连接板22的母材也形成了挤压，继而被传递到整个焊接区域以及加劲肋2 其他区域的母材中，相当于给连接板22也施加了预压应力，连接板22与肋板 21的转角位置，原本受拉的外转角应力被部分抵消，更起到了提高加劲肋开合角的折叠抗力的效果，形成了加劲肋2转角接近零应力的理想状态。众所周知，由于疲劳裂纹产生取决于该处应力幅的大小，通过预压应力与拉应力相抵消的方式，显著降低了应力幅，当该值降低10％左右时，使用寿命呈10倍或几何级提升，甚至可接近或达到永久寿命的水准。

进一步的，该渐变增厚圈25更起到了在突起的焊盘3和连接板22之间形成缓慢的渐变截面过渡区，使之有利于提高构件的连续性。摩擦焊盘3同时还巧妙地利用了嵌入段31的小锥面侧壁所形成的挤压旋转动能，进一步打碎连接孔孔壁不利于焊接的氧化物和杂质，并挤出杂质，形成更加高质量的焊接界面。

再加上加劲肋2与顶板1使用了间隔式的圆形的独立摩擦焊，类似一个个高强度的焊岛，传统统长直线焊缝缺陷裂缝萌生的纵向延伸的物理空间被隔断，岛与岛之前由连接板22的钢板母材连接，类似于具备一定的变形吸能效应的板式链条，吸能后的剩余部分由强焊岛承力抵抗，形强焊岛、柔板链的理想构造。另外，本申请实施例中的渐变增厚圈25，还在连贯的连接板之间，以及对二侧相邻的焊岛，在相互张紧、部分抵消及减弱拉应力或拉应力幅的方面，也产生了积极效果。

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

Claims (9)

1.一种摩擦焊盘，其特征在于：所述摩擦焊盘(3)具有嵌入段(31)，所述嵌入段(31)为锥台状，所述锥台的锥角为β，且2°≤β≤40°；所述嵌入段(31)的端面(34)为内凹面。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊盘，其特征在于：所述端面(34)为内凹的锥面，且锥面母线与底边的夹角为γ，3°≤γ≤15°。

3.根据权利要求1所述的摩擦焊盘，其特征在于：所述摩擦焊盘(3)中部具有沿轴向贯通的排渣通道(32)。

4.根据权利要求1所述的摩擦焊盘，其特征在于：所述摩擦焊盘(3)还包括与嵌入段(31)一端相连的压肩(33)，所述压肩(33)为环状，其直径大于嵌入段(31)的大端直径。

5.一种预应力摩擦焊连接的加劲钢板，包括顶板(1)、加劲肋(2)和权利要求1-4任一项所述的摩擦焊盘(3)，其特征在于：

所述加劲肋(2)包括肋板(21)和连接板(22)，肋板(21)和连接板(22)具有转角α，90°≤α≤135°，所述连接板(22)板厚为t1；

所述连接板(22)上开设多个连接孔(24)，所述连接孔(24)容纳所述摩擦焊盘(3)；

所述连接板(22)与顶板(1)相贴合，两者通过摩擦焊盘(3)摩擦焊固定连接，所述连接板(22)与摩擦焊盘(3)的焊接区域具有环绕摩擦焊盘(3)的渐变增厚圈(25)。

6.根据权利要求5所述的加劲钢板，其特征在于：所述渐变增厚圈(25)的最大厚度为t2，t2≥1.15*t1。

7.根据权利要求5所述的加劲钢板，其特征在于：所述渐变增厚圈(25)由连接板(22)的母材受摩擦焊盘(3)挤压变形而形成。

8.根据权利要求5所述的加劲钢板，其特征在于：所述嵌入段(31)高度为h，h＞t1，嵌入段(31)部分嵌入顶板(1)，且嵌入的深度大于2mm。

9.根据权利要求5所述的加劲钢板，其特征在于：所述连接板(22)外侧设置下翻筋板(23)，所述下翻筋板(23)与连接板(22)垂直或倾斜相交。

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