一种不等焊深的摩擦焊空腔板的制作方法

本技术涉及空腔板结构领域，尤其是一种不等焊深的摩擦焊空腔板。

背景技术：

1、空腔板是由双层面板和在面板之间的夹层内设置的连接件构成的一种结构，空腔板结构具有质量轻，构造简洁，力学性能优，可模块化施工等优点。同时可在夹层内填充混凝土等填充材料形成组合结构，常用的有双钢板-混凝土组合结构。双钢板-混凝土组合结构由两侧钢板、夹心混凝土及剪力连接件组成，其兼具混凝土结构和钢结构的优势，因此被广泛应用于核电反应堆外壳、桥梁工程、超高层建筑剪力墙等结构。双钢板-混凝土组合结构通常采用剪力连接件保证混凝土与外侧钢板协同作用，通过钢板之间的剪力连接件增加钢板与混凝土之间的连接，提升结构的整体性，剪力连接件是保证钢板混凝土之间形成可靠连接、两者共同工作的关键。因而，连接件的结构设计成为提升空腔板以及空腔板组合结构整体性能的关键。

2、空腔板在实际受力中，其破坏形式是以屈曲、失稳、疲劳或开裂为主要方式，从上述现象可知空腔板对焊接初始缺陷和受力方向极为敏感。现有连接件多采用熔焊进行连接，焊接中包含起弧及收弧的接缝搭接区，且由于连接件的数量多，较高的缺陷发生概率依然客观存在。另一方面，由于受力场景的变化，相邻空腔板之间，或同一空腔板的不同部位所承受的载荷不尽相同，即使在同一个连接件，不同部位所需抗力也是不同的，尤其是工程中特殊的外形需求场合，如桥梁的悬臂段，潜艇的耐压壳，飞机机翼等复杂外形结构，连接件既要满足丰富的可设计性，同时又追求结构简单，加工制造能够实现高效工业化，两者往往很难同时满足。

技术实现思路

1、本技术的发明目的是为了解决现有空腔板对焊接初始缺陷和受力方向敏感而造成疲劳等破坏等问题，提供一种不等焊深的摩擦焊空腔板，采用较缓的曲面板或小斜率斜平板达到焊管沿管壁周向形成不同焊接嵌入深度的构造，并通过径向焊深的设置和调整，形成不同的抗力模式。

2、为了实现上述发明目的，本技术采用了以下技术方案：

3、本技术提供了一种不等焊深的摩擦焊空腔板，包括相互间隔开的外层面板和内层面板，以及多个位于外层面板和内层面板之间的焊管，所述焊管具有圆柱状的焊管主体，焊管内具有空腔，所述焊管主体外径为d，所述焊管两端分别与外层面板、内层面板通过摩擦焊固定焊连接；

4、所述外层面板或内层面板至少有一个为板厚为t的曲面板或者所在平面与焊管的中轴线的夹角α，且α≠90°的斜平板。

5、作为优选，当所述外层面板或内层面板为曲面板，曲面板任意处以焊管主体的外径d为弦长，所对应的弦高为h1，则满足h1≤1/4t；当所述外层面板或内层面板为斜平板，以焊管主体的外径d为一条直角边，以焊管主体外径d两端沿焊管中轴线方向延伸至斜平板上得到的两个交点的连线为斜边，所构成的直角三角形的另一条直角边高度为h2，则满足h2≤1/4t。采用以上曲率的曲面板或斜率斜平板与焊管主体直径之间的关系，不仅可以防止焊管在摩擦焊旋转时焊穿面板，同时形成焊管沿管壁周向具有不同摩擦焊焊接嵌入深度的构造。由于焊管主要承受剪力，在抗剪受力中，在管体径向圆周中，所需抗力不同，通过径向焊深的设置和调整，形成不同的抗剪力模式，在所需抗力大的方向，采用较大焊深，反之则采用较小焊深。

6、作为优选，所述焊管为空心管状。焊管为中空管状件，与摩擦焊工艺相结合，连接焊缝为闭环圆形焊缝，其无搭接的一次性成型的闭环焊，从根本上消除了起弧及收弧所引起的缺陷。连接端的连接强度增加，缺陷减少，能有效改善空腔板的疲劳问题。进一步，焊管的二端为同步焊接，不仅工业化程度更高，由于两端的焊接工艺参数全部相同，消除了通用的连接件焊接中二端的焊接差异，结构更加均衡。

7、作为优选，所述焊管还包括封闭端，所述封闭端具有用于连接摩擦焊设备的夹持部；所述外层面板具有多个预留孔，所述封闭端与预留孔相互匹配且与预留孔内壁摩擦焊固定连接，焊管另一端与内层面板摩擦焊固定连接。在面板开设预留孔11，从面板外连接夹持部并带动焊管旋转，将上下两端同步焊接的同时，焊接后焊管封闭端将预留孔11的开孔填满，由于摩擦焊接头强度与钢板基材基本相同，既保持了外侧面板的刚度及完整性，既解决了小空腔内部焊接的难题，还提高焊接效率。

8、作为优选，所述外层面板和内层面板均为曲面板，且弯曲方向一致，所述空腔板为瓦片状。瓦片状的空腔板，该构造应用范围广，如形成大面积的圆弧面均可采用瓦片状的空腔板进行拼接，如弧形的屋顶，耐压壳体等。

9、作为优选，所述外层面板和内层面板均为曲面板，且弯曲方向相反，所述空腔板为中鼓状或中凹状。可设计性强，适用于不同场合，类似与飞机机翼等，两侧面板均为外鼓。

10、作为优选，所述外层面板或内层面板为沿板的长度方向弯曲的曲面板。以长曲面板实现大半径，实现不同的焊深。如对梁或板的构造中，沿长度方向弯曲形成大半径的缓曲面板，由于焊管抗剪沿长度方向为抗剪主力的方向，其长度方向为较高的拉、压应力区，则利用较深的焊深实现最佳的匹配，而径向的二侧则处于较小或零应力的抗剪区，则较浅的焊深即可达到匹配要求。进一步沿长度方向弯曲，中部高，两端低的结构达到了预拱度的需求。同时利用曲面实现不同焊深，无需增加成本，且兼顾和实现了面板制作预拱度的要求。

11、作为优选，所述焊管内壁或外壁具有加强筋。通过在焊管的侧壁设置加强筋，能够增加侧壁的虚拟厚度，增加焊管的抗屈曲能力，提高薄壁焊管的稳定性。

12、作为优选，所述外层面板、内层面板或焊管为金属材料、有机材料或玻璃。由于采用摩擦焊连接，与普通熔焊不同，摩擦焊不仅焊接强度大，同时在不需要附加焊材的情况下，实现同种金属、异种金属、有机材料等的连接，使结构选材更多样化。

13、作为优选，所述多个焊管之间采用等腰三角形或矩形的平面布局。形成至少有三条以上传力轴线的多向梁单元，并交叉重叠组成多向空腔板，各向传力性能更好，能快速扩散局部应力，提高抗疲劳性能。

14、作为优选，所述外层面板和内层面板之间具有填充物。空腔板内设置填充物，形成组合结构，在桥梁，建筑领域中，该组合结构用于桥面、剪力墙等，填充物为混凝土，可以提高其抗压等性能。用于船舶等行业中，内外面板之间的空腔还可以存储空间，用于存储水、油等液体或气体。

15、与现有技术相比，上述技术方案具有如下有益效果：

16、1、本技术采用较缓的曲面板或小斜率斜平板作为外层面板或内层面板，焊管的旋转平面所构成的弦平面与曲面二端的接触区域，形成较大深焊区，弦平面与曲面中段的接触区域，形成较浅的焊深，从而达到焊管沿管壁周向形成不同焊接嵌入深度的构造。由于焊管在抗剪承载的承力中，在管体径向圆周中，所需抗力是不同的，尤其是本技术可使抗剪焊管在径向圆周上，与所焊面板形成不同的焊深，并通过径向焊深的设置和调整，形成不同的抗力模式，在所需抗力大的方向，采用较大焊深，反之则采用较小焊深。

17、2、同时较大的焊深不但形成更高的焊接连接抗力，还进一步形成机械嵌固力，有利于承受更大的荷载。该不同嵌入深度的方式，使得制造工艺和制造产品的实现与受力性能二者之间达到了最佳的耦合。

18、3、本技术的焊管为中空管状连接件的闭环圆形焊，与摩擦焊工艺相结合，连接焊缝为闭环圆形焊缝，其无搭接的一次性成型的闭环焊，从根本上消除了起弧及收弧所引起焊接缺陷。其次本技术的一个焊管的两端为同步焊接，提高了焊接效率，尤其是两端焊接工艺参数全部相同，消除了通用的连接件焊接中二端的焊接差异，使得弱的一端率先破坏的概率大为降低。