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CN101855064A - 形成结构夹层板构件的改进的方法 - Google Patents

形成结构夹层板构件的改进的方法 Download PDF

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CN101855064A
CN101855064A CN200880115466A CN200880115466A CN101855064A CN 101855064 A CN101855064 A CN 101855064A CN 200880115466 A CN200880115466 A CN 200880115466A CN 200880115466 A CN200880115466 A CN 200880115466A CN 101855064 A CN101855064 A CN 101855064A
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fixed
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S·肯尼迪
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Intelligent Engineering Bahamas Ltd
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Abstract

一种形成结构夹层板构件的方法，涉及使用至少一个被焊接至外板之一的螺柱来连接边条。所述螺柱可穿过边条中的孔被螺柱电弧焊接至外板。

Description

形成结构夹层板构件的改进的方法
技术领域
本发明涉及形成结构夹层板构件的方法，该结构夹层板构件包括两个外板以及以足够的强度粘接至外板的由塑料或聚合材料制成的芯，以通过叠层(overlay)技术实质上有助于该构件的结构强度以及由此形成的构件和结构。
背景技术
在US 5,778,813和US 6,050,208中描述了结构夹层板构件，这些文献在此通过通过引用并入本文，并且该结构夹层板构件包括外金属(例如钢)板，所述外金属板通过中间弹性体芯被粘接在一起，该中间弹性体芯例如由不发泡的聚亚安酯制成。这些夹层板系统可以用于多种形式的构造中，以代替加强的钢板、成型的钢板、钢筋混凝土或复合钢筋混凝土结构，并且极大地简化了所产生的结构、在减轻重量的同时提高了强度和结构性能(例如刚硬度、阻尼特性)。芯在外板之间传递剪力。在WO 01/32414中描述了这些结构夹层板构件的进一步发展，该文献也通过引用并入本文。如在此所述，在芯层中可包括泡沫体以降低重量，并且可添加横向金属剪力板(transverse metal shear plate)以提高刚硬度。
根据WO 01/32414的内容，泡沫体可以是中空的或实心的。中空体可导致重量降低更多，因此是有利的。在该文献中所描述的泡沫体不局限于由轻质泡沫材料制成，而是也可以由其他材料制成，例如木材或钢盒、塑料挤压形状和空心塑料球。
在国际申请WO 02/20341中描述了通过叠层形成这样的构件的方法。在该方法中，能够通过关于磨损或损坏的板格(panel)隔开地定位新的面板并且将液态形式的塑料或聚合物材料注入所形成的腔中来恢复或加强已有结构。所述塑料或聚合物材料定型或硬化以形成中间层，该中间层粘接至已有的板和新的面板，以在已有的板和新面板之间传递剪力。在国际申请PCT/GB2003/004628中描述了该方法的一变型，通过该变型，管状结构在内部得到加强。该变型有时被称为内衬(innerlay)。在WO 02/20341中描述了用于修复和加强桥的特定方法。这些方法有时被称为下衬(underlay)。在WO 2005/108072中描述了使用磁体来保持下约束梁。
在已知的叠层技术中(包括变型，例如上面提及的内衬和下衬)，通过沿着边条(perimeter bar)的长度将边条角焊至板格或其他待加强的结构、然后将面板对焊至边条而形成腔，芯材料被注入该腔中。在少数情况下，新面板能够直接被角焊至该结构的已有部分。然而，在一些情况下，例如因为产生的热量会损坏已有结构或附接至已有结构的物件(例如隔热物)，所以不期望焊接至已有结构。因为受制于易燃材料例如燃料蒸气，所以热加工也会受到限制。
因此期望有形成供注入的腔的可替选方法。
发明内容
本发明的目的在于提供形成腔的另一方法，该腔供芯材料注入以形成结构夹层板构件，作为对已有结构的补充。
根据本发明，提供一种制造结构夹层板构件的方法，包括以下步骤：
提供第一金属板；
提供至少一个边条，该边条具有至少一个通孔，与所述第一金属板接触，使得固定至所述第一金属板的螺柱投入所述通孔中；
将所述边条固定至所述螺柱；
将第二金属板固定至所述边条，使得第二金属板与第一金属板分隔开，以形成腔，该腔由所述第一金属板和第二金属板以及所述边条限定；
以未固化的塑料或聚合物材料填充所述腔；以及
使得所述塑料或聚合物材料固化，从而以足以在所述第一金属板和所述第二金属板之间传递剪力的强度将外板粘接在一起。
此外，本发明提供了一种结构夹层板构件，包括第一外金属板和第二外金属板以及由塑料或聚合物材料制成的芯，该芯以足以在第一外金属板和第二外金属板之间传递剪力的强度粘接至所述金属板，该构件还包括通过从所述第一金属板凸出的螺柱被固定至所述第一金属板的条状物。
能够通过螺柱电弧焊或该技术的变型技术来附接螺柱。使用螺柱焊“枪”允许螺柱被极其快速地附接，并且也可以是自动化的。螺柱可具有扩大的头部，以有助于焊接至边条。
可根据本发明的结构夹层板构件的特定用途的需要来选择该结构夹层板构件的外板的材料、尺寸和一般特性，并且通常地，可如US-5,778,813和US-6,050,208中所描述的那样进行选择。通常使用的钢或不锈钢的厚度为0.5至20mm，并且在期望重量轻的地方可使用铝。类似地，塑料或聚合物芯可以是任何合适的材料，例如为弹性体如聚亚安酯，如在US-5,778,813和US-6,050,208中描述的那样，并且优选是结实的，即不是泡沫。螺柱的材料应与边条的材料相同或焊接相容，并且可根据在芯的注入中和/或在完成的结构的使用中所预期的负荷来选择螺柱的尺寸。在已有的板格和边条由不同金属制成的情况下，可使用两部分螺柱。
附图说明
在下文中将参考示例性实施例和附图描述本发明，附图中：
图1为根据本发明的实施例的结构夹层板构件的局部横截面图；
图2为图1中的结构夹层板构件在将顶板定位之前的局部平面图；
图3为根据本发明的实施例的方法的流程图；
图4至图7以横截面的形式示出可用于本发明的边条的可替选形式；
图8以平面、截面和详图的形式示出使用不同的用于附接边条的方法实现的船舶甲板上的叠层；以及
图9示出在两个边条的端处连接这两个边条以形成框的方法。
在各图中，相同部件以相同的标号表示。
具体实施方式
在图1和图2中示出的结构夹层板构件包括上部外板和下部外板(面板)11、12，所述外板可由钢或铝制成并且具有例如在0.5至20mm范围内的厚度。在面板11、12之间围绕其外围设有边板或边条，以形成封闭的腔。在面板11、12之间的腔中为由塑料或聚合材料制成的芯13，优选为由结实的热硬化性材料例如聚亚安酯弹性体制成。该芯可具有在15至200mm范围内的厚度；在许多应用中50mm是合适的。
芯13以足够的强度被粘接至面板11、12并且具有足够的机械特性，以在两个面板之间传递在使用中预期产生的剪力。在芯13与面板11、12之间的粘接强度应大于3MPa、优选6MPa，并且芯材料的弹性模量应大于200MPa，特别是若期望在使用中暴露于高温时优选大于250MPa。对于低负荷应用，例如地板板格，典型使用和满载负荷的量级为1.4KPa至7.2KPa，粘接强度可以较低，例如大致0.5MPa。通过芯层，结构夹层板构件具有加强钢板的强度和负荷承载能力，该加强钢板具有实质上更大的板厚度和明显的额外强化。当然，板不必是平的，而是可具有其预期使用所要求任何形状。
在许多情况下，下部面板12可以是添加了结构夹层板构件10用作修补或加强的已有结构(例如船或其他海运船)的一部分。下部面板会被腐蚀、磨损或变形，而不是如所示为平的。应注意，在此使用的术语“下部”和“上部”是指附图中各板的位置，在实际的实施例中，结构夹层板构件10可处于任意角度或方位。
图1和图2示出形成结构夹层板构件10的一部分侧壁的一个边条14。如在图2可最清晰地看到的那样，边条14具有一系列的孔(通孔)19，并且下部面板12具有一系列的螺柱15，所述螺柱投入孔19中。边条14通过焊接点17被焊接至螺柱15，上部面板11a、11b被相互对接焊接，并且通过对接焊缝18被焊接至边条。尽管螺柱15被示为圆柱形，但螺柱15可具有扩大的头部，以有助于焊接至边条。
这里，图3示出根据本发明实施例的用于将结构夹层板构件10制造为叠层的方法。
第一步为S1，准备下部面板12，该下部面板可形成已有结构的板格。确切需要的准备取决于板12的情况，但是可包括：喷丸或喷砂处理，以清除铁锈和/或其他形式的腐蚀；用钢丝刷清理；研磨减少；化学清理；修复或填充裂缝或缺口，以及平整凹部。
接下来，在步骤S2中，在下部板12上将边条14放置在将以芯材料填充的空间周围的所要求的位置。边条具有预先形成的孔19，所述孔可被规律地分隔开或非规律地分隔开，以在选择的位置上提供额外的强度。例如，孔19能够通过钻孔或冲孔形成，并且间距可在0.5至10m的范围内，优选在1至5m的范围内。
一旦边条入位，例如通过焊接将螺柱15穿过孔固定至下部板12。这可通过螺柱电弧焊过程简便地实现，为此，孔19相对于螺柱15尺寸较大，以容纳螺柱焊枪的头部。也可颠倒步骤S2和S3，首先将螺柱固定至下部板然后放置边条，但所示出的方法避免可能的螺柱和/或孔错位的问题。螺柱在被固定入位之后沿着下部板12的高度优选等于边条14的厚度，或与其足够接近，使得能够容易地焊接至边条。在焊接之后，可切下过长的螺柱，但优选避免这样的额外步骤。
步骤S4在于再次例如通过焊接将边条14固定至螺柱15，在该动作之前，可能需要在螺柱四周放置环或圈(未示出)，以至少部分填充螺柱与边条之间的环形空隙。这将边条更精确地保持在位置上，并且减少通过螺柱进入下部金属板的热传导。若边条14被焊接至螺柱，则焊接点17可能需要被磨低至与边条的表面平齐。然后，步骤S5，第二上部面板11a和11b被置于边条上，并被对接焊接在一起，并且被对接焊接至边缘条。相互对接焊接顶面板以及将顶面板焊接至边条可以在两步工序中完成；将第一板角焊至边条，然后角焊第二板并执行盖面焊。再次地，所形成的焊缝18可被磨得与面板11a和11b的表面平齐。
注入芯13是下一所需步骤S7，但在此之前，用于防止面板由于在注入和固化芯材料期间受到的压力而变形的约束梁可以被置放入位(步骤S6)。约束梁可临时被焊在位置上或者通过磁铁或机械夹具被保持在位置上。在注入之后，在步骤S8，允许或使得芯材料固化，并且可实施任何修整步骤，例如去除注入口并且填充通气孔。
与将边条角焊至下部面板12相比，上述方法的优点在于：焊接螺柱所产生的热负荷非常低，特别是若使用螺柱电弧焊接技术。这意味着下部面板12的温度不会上升很高，并且可避免损坏在其下侧的热敏部件，例如绝缘物。这已通过测试得以确认。
应注意，在芯固化之后，面板和边条通过中间层13被粘接在一起，使得在大多数情况下，将边条固定至面板仅需足以承受在注入和固化步骤期间受到的负荷，而不必承受在结构夹层板构件10的使用期间受到的负荷。
为提高腔的密封性，可在边条与面板之间提供衬垫或密封带。在上部面板被置放入位之前，在已有的板格与边条之间的交接处设置密封剂线。在已有的板例如由于腐蚀、磨损或损坏而明显不平的地方，最需要这样的额外密封措施。
应理解的是，将注入芯材料的腔的侧壁可由该结构的已有部分以及边条来限定，并且不是所有边条都需要使用上述工艺来附接。在图4至图7中示出附接边条的各种不同手段。
图4示出了一种已知的附接方法，其中，边条21被沿着一侧或两侧被角焊22至下部面板12，并且上部面板11a、11b在边条的顶部上被对接焊接23在一起。在能够承受热负荷处可使用该方法，并且该方以低成本提供可靠的固定。
图5示出钢边条31，该钢边条通过结构黏合剂(未示出)被粘接至上部面板和下部面板11、12。通过使用被固定至所述板之一的下侧的衬条(backing bar)32，上部面板的两个部分11a、11b沿着偏离边条31的线被对接焊接23在一起。在必须避免将热负荷施加至下部面板但由于难以确保可靠的粘接而使得可能不便于在所有情况下都使用结构黏合剂时，该方法也是有用的。在该方法中，边条可以更宽，以提供更大的用于粘接的区域。
在图6中，边条41是由凝固塑料或聚合物材料制成的条，与芯材料相同或相容，被附接至上部面板和下部面板。提供密封唇42用以确保腔的良好密封。如同如图5所示的布置中那样，通过使用被固定至所述板之一的下侧的衬条32，上部面板的两个部分11a、11b沿着偏离边条41的线被对接焊接23在一起。该方法同样可用于在期望避免对下部面板的施加热负荷的情况下。
图7所示的边条包括由耐热材料(例如矿棉)制成的条，使得在其上所述上部面板11a、11b能够被焊接在一起，而不是偏向一侧。多孔材料，例如矿棉，可沿着其侧面设置有不可渗透的涂层，以防止芯材料进入和/或提高腔的密封性。然而，芯材料进入这样的边条可能并非是不期望存在的，在该情况下，可省略不可渗透层。
因为在黏合剂固化之后边条将被保持在位置中，所以也可使用磁铁(永磁铁或电磁体)以在注入和固化芯期间将边条保持不动。此外，在大的叠层被分成多个部分(例如，为了使得能够可靠地注入并且降低在注入和固化期间的压力)的情况下，可不需要边条来加强最终结构的强度，从而其与板的连接在芯固化之后是不重要的。
在图8中示出包括用于固定边条的不同技术的叠层作业示例，图8包括船舶甲板的平面图以及各种横截面和详图A至F。该甲板属于渔船，其具有在甲板之下的隔热舱，从而在甲板的下侧有隔热材料。隔热会被过量的热量损坏，并且也起阻碍热耗散的作用，使得将边条角焊至甲板上侧存在损坏隔热的风险。
在该作业中，甲板100通过横向延伸的边条114被分成多个部分，所述边条114通过在细节“D”中示出的螺柱115被固定至已有甲板112。上部面板111a、111b在118处被相互对接焊接，并且被对接焊接至边条114。关于在甲板的侧边处的细节“E”，侧条116以传统方法通过角焊被保持至甲板。在甲板的中心部分，在下侧具有隔热材料，并且使用螺柱连接避免损害该隔热材料。在侧边处，没有隔热物，使得能够使用角焊。沿着边条114与已有甲板112之间的所有交接处施加有密封剂122。
在边条相汇处，例如在板构件或叠层部分的拐角处，会存在需要密封的缝隙。这可通过以硬化密封剂、衬垫等来填充缝隙或通过焊接所述边条以形成框来实现。然而，密封剂和衬垫不形成边条之间的结构接头，因此无助于抵抗注入压力或无助于构件的最终强度，同时，如上所述，在一些应用中可能不期望焊接。在图9中示出连接边条的可替选方式，其没有这些缺点。
如图9所示，两个边条61、62以直角(例如)拐角相汇，但该方法也适用于以锐角或钝角或成直线相汇的边条。在边条61、62的相对的侧面，在预定位置切削出预定尺寸的凹口63、64，使得当边条被正确定位时凹口63、64对齐。可以使用适于边条厚度的传统开槽机。当边条61、62入位时，例如通过锤子致使金属片或楔64进入这两个凹口以连接这两个边条。该步骤可在通过上述任何方法将边条固定至下部金属板之前或之后实施。
该方法提供具有相当的强度的接头，至少足以帮助抵抗注入力并且足以允许所得到的框架被定位作为一个单元。该接头还具有防止在注入期间芯材料渗出的密封性。开凹口和金属片的形成能够在工厂环境下实施，以确保所要求的精度，同时现场不需要特殊设备。避免了例如焊接等热加工，并且可通过减少使用材料和劳力以降低成本。
传统地，以及在上文的描述中，使用用于形成结构夹层板构件的叠层和相关技术来加强、修补或复原已有的、磨损损坏的或被腐蚀的结构。为了用结构夹层板构件建造新的船或结构，可使用预制的构件，或者以分隔开的金属板逐部分地构建该结构以形成腔，当每部分完成时以弹性体填充所述腔。然而，可存在可替选的构建方法。在该可替选的方法中，结构或其基本部分由单个金属层构建。在该阶段，该结构的强度可能不足以承受预期的全操作负荷，但其强度足以抵抗重力以及在构建中预期的负荷支撑其自身。然后，在该结构中需要额外支撑以承受操作负荷的部分中，在未使用的结构上实施叠层，即在结构投入使用之前实施叠层。例如，船或艇可被构建成具有甲板和内舱壁但不具有上层结构的单壳船体。所得到的壳体在结构上是自支撑的，但不能够承受上层结构或货物。为使船符合全部规格，将叠层施加至船体、甲板和/或舱壁的内侧或外侧。
应理解，上述描述并非是限制性的，并且其他改进和变化都在本发明的范围内，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.一种制造结构夹层板构件的方法，包括以下步骤：
提供第一金属板；
提供至少一个边条，该边条具有至少一个通孔，与所述第一金属板接触，使得被固定至所述第一金属板的螺柱投入所述通孔中；
将所述边条固定至所述螺柱；
将第二金属板固定至所述边条，使得所述第二金属板与所述第一金属板分隔开，以形成由所述第一金属板和第二金属板以及所述边条限定的腔；
以未固化的塑料或聚合物材料填充所述腔；以及
使得所述塑料或聚合物材料固化，从而以足够的强度将所述外板粘接在一起，以在所述外板之间传递剪力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述提供至少一个边条的步骤包括将所述边条置于所述第一金属板上然后将所述螺柱固定至所述第一金属板的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述螺柱通过螺柱电弧焊被固定至所述第一金属板。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，将所述边条固定至所述螺柱的步骤包括将所述边条焊接至所述螺柱。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，在将所述边条固定至所述螺柱的步骤之前，还包括围绕所述螺柱放置环以至少部分地填充所述螺柱与所述边条之间的环形空间的步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述螺柱或每个螺柱从所述第一金属板凸出的距离大体上等于所述边条的厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将限定所述腔的另一边界的另一边条通过另一方法固定至所述第一金属板的步骤。
8.一种结构夹层板构件，包括第一外层金属板和第二外层金属板以及由塑料或聚合物材料制成的芯，该芯以足够的强度粘接至所述金属板，以在所述金属板之间传递剪力，该构件还包括通过从所述第一金属板凸出的螺柱被固定至所述第一金属板的条状物。
9.一种结构夹层板构件，其大体上如文中参考附图描述的那样构建。
10.一种制造结构夹层板构件的方法，其大体上如文中参考附图描述的那样。
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