专利名称：改进结构的夹层板构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及结构夹层板构件，该构件包含两块外层板和以足够的强度粘结到外层板的塑料或聚合物芯层，以便充分地促进该构件的结构强度。
背景技术：
US5,778,813和US6,050,208描述了结构夹层板构件，这些文献在此作为参考被引用，并且该构件包括与中间的弹性体芯层，例如由非发泡聚氨酯构成，粘合在一起的外层金属，如钢，板。这些夹层板系统可以用于许多型式的建筑物中来取代硬质钢板、型钢板、钢筋混凝土或复合钢筋-混凝土结构并且极大地简化了所形成的结构，在减轻重量的同时改进了强度和结构性能(如刚性、阻尼特性)。这些结构夹层板构件的进一步发展在WO01/32414中被描述，在此也作为参考被引用。其中描述了可以在芯层里结合泡沫型材以减轻重量，并且可以加入横向金属剪切板来改善刚性。
根据WO01/32414的教导，泡沫型材可以是空心的或者是实心的。空心型材产生更大的减轻重量，因而有许多优势。在这篇文献中描述的型材不限于由轻量泡沫材料制成，并且还能够用其它的材料，例如木材或钢箱、塑料挤出型材和空心塑料球体制成。
这样的结构夹层板构件的独特优点是剪切力通过芯层和它的自然粘附力转移到外层板。充足的粘结通过芯层材料的铸造获得，以致于不需要特定的装置来连接芯层和外层板(节省适当的表面预处理)，这样就使得板材的制造是快速和经济的。对于特定的环境或操作负荷和条件一如温度在-20℃以下；在注射后在焊缝可能降低粘合强度的地方配件的连接；或者在应用了超过局部键合强度的直接张力负荷的地方—必须用机械方法来提高芯层和金属面板之间的粘接强度。
发明内容
本发明的目的就是提供改进了芯层和外层板之间连接的结构夹层板构件。
根据本发明，提供了一种结构夹层板构件，其包含第一和第二外层金属板；塑料或聚合物材料的芯层，该芯层以足以转移它们之间的剪切力的强度粘接到所述的外层板上；和至少一个机械连接器，该连接器焊接在至少一块外层板上，该连接器包括一个圆柱形金属体，该金属体通常垂直于所述的一块外层板伸入到所述的芯层。
机械连接器可以是栓柱，连接器可以是在芯层材料的铸造之前或者是芯层固态化后被应用。在任一情形中，连接器通过机械联锁装置在剪切和张力中提供了一种在芯层和外层板之间改进的连接。由于该连接器焊接到外层板，因而在破坏性事件中能够防止局部的层离，例如，如果巨大的张力负荷被施加到一块外层板中的，或者如果该外层板遭受极低的温度。该连接器可以焊接到两块外层板，以提供两块外层板之间转移力的直接通道来减轻层离。
在芯层材料铸造之前，连接器能够通过电弧柱焊或者该技术的变化方式来连接。柱焊“枪”的使用使得连接器能非常快速和自动地被连接。该连接器优选有一个扩大的头部以便和芯层材料在多个方向提供一个机械联锁装置，并且可以伸入到仅芯层厚度的一部分或芯层厚度的全部。在后一种情况下，在芯层注入以前栓柱可以作为外层板的隔板，不必焊接到另一块外层板。栓柱能够施加到一块或两块外层板，优选设置在需要提高局部粘合强度的区域。
在结构夹层板构件制造之后，栓柱的附着通过钻孔穿过一块外层板进入芯层，然后在孔中摩擦焊接该栓柱。外层板中的孔优选被成为沉孔并且栓柱配备有一个扩大的头部和配匹的斜面。如果栓柱横越芯层的整个宽度，钻孔步骤就应该深入到另一块(远端的)外层板。栓柱从斜面的底部到顶部的长度优选比沉孔的底部与另一块外层板之间的距离稍长。然后，当形成摩擦焊接时，在栓柱的末端和远端外层板之间首先形成焊接溶池，并且当栓柱沉入时，栓柱的头部斜面接触到最接近的外层板的沉孔，在那里形成焊接。焊接成形加工后，留在最接近的外层板以上的扩大头部的部分可以被磨削与外层板平齐或者用来作为固定点。
本发明所述的结构夹层板构件的外层板的材料、尺寸和一般生质可以根据结构夹层板构件的期望的特殊用途来选择，在US-5,778,813和US-6,050,208中大体上已经被描述。通常使用0.5-20mm厚度的钢或不锈钢，以及在期望轻量的场合也可以使用铝。同样地，塑料或聚合物芯层可以是任何合适的材料，例如，如US-5,778,813和US-6,050,208描述的像聚氨酯之类的弹性体。栓柱的材料应当与外层金属板的材料是一样的或者焊接相容的，栓柱的尺寸将根据使用中期望的负荷来选择。在全部厚度的栓柱焊接到不同金属的外层板的情况下，可以使用两要素的栓柱。
毫无疑问，栓柱可以作为新的成形加工在结构夹层板构件中和现有建筑物的外层或内层中使用，与国际申请WO02/20341和PCT/GB2003/004628里描述的一样，这些文献在这里作为参考被引用。
更进一步地，本发明提供了一种制造结构夹层板构件的方法，其包括如下步骤提供第一和第二外层金属板，焊接至少一个栓柱到至少一块所述外层板上；以彼此隔开的关系用所述的至少一个栓柱伸入到所述外层板之间限定的空间来设置所述的外层板；注入未固化的塑料或聚合物材料来填充所述外层板之间限定的所述空间；并且允许所述的塑料或聚合物材料固化以足以转移它们之间的剪切力的强度将所述的外层板粘合在一起。
更进一步地，本发明提供一种将剪切栓柱安装到结构夹层板构件的方法，该栓柱包括第一和第二外层板和塑料或聚合物材料的芯层，该芯层以足以转移它们之间的剪切力的强度粘接到所述的外层板上，该方法包括如下步骤钻一个孔通过所述结构夹层板构件的外层板的第一块，在其中进入芯层；提供一个栓柱；插入所述的栓柱到所述的孔中，然后焊接所述的栓柱到所述的第一外层板。
下面将参考示例性技术方案和所附的示意图来描述本发明，其中
图1是根据本发明的第一个技术方案的结构夹层板构件的横截面视图；图2是根据本发明的第二个技术方案的结构夹层板构件的横截面视图；和图3是在栓柱插入之前根据本发明的第二个实施例的结构夹层板构件和栓柱的横截面视图；并且在不同的视图中，同样的参考数字表示同样的部件。
具体实施例方式
图1所示的结构夹层板构件包括上、下外层板(面板)11、12，该外层板可以是钢或铝质的，且有一定的厚度，例如，在0.5-20mm的范围内。护边板在面板11、12之间沿着它们的外周边焊接以形成一个封闭的空腔。在面板11、12之间的空腔是塑料或聚合物材料的芯层13，优选是一种紧密的热固性物质，例如聚氨酯弹性体。该芯层可以有15-200mm范围的厚度；在本申请中50mm是适当的。芯层13以足够的强度粘合到面板11、12上并且具有有足够的机械性能来转移使用中在两块面板之间预期的剪切力。芯层13与面板11、12之间的粘合强度应当大于3MPa，优选6MPa，并且芯层材料的弹性模量应当大于200MPa，特别是如果期望暴露在高温下使用，优选大于250MPa。对于低加载应用，例如地板面板，在这种典型的使用和居住期间，负荷大约是1.4-7.2kPa，粘合强度可以更低点，例如，大约0.5MPa。由于芯层，该结构夹层板构件有硬钢板一样的强度和负荷能力，该钢板有坚实的更大的板厚度和显著的额外加强。当然，外层板不必是平的，可以采用为了它的目标用途需要的任何型式。
为了改进芯层和外层板之间的连接，在外层板的一块或两块内表面上提供了许多伸入芯层中的机械连接器，在该技术方案中栓柱14、16。栓柱可以伸入芯层厚度的一部分，如栓柱14，或者芯层的全部厚度，如栓柱16。
栓柱是由与它们配装在一起的外层板一样的材料或者由焊接相容的材料制成的，该栓柱通过焊接15连接。所述全部厚度的栓柱不必都焊接到两块外层板。
扩大的头部14a优选提供于栓柱来改进与芯层材料的锁上(机械联锁)。栓柱可以是为了应用而特别设计的或者是从很多供应商那里可以得到的“现成的”标准栓柱。
为了制造结构夹层板构件10，根据需要将栓柱焊接到一块或两块外层板的内表面。优选通过电弧焊接工艺过程完成，常规型式的柱焊“枪”能够用来容易且非常迅速地附着栓柱。然后沿着较低的面板11的外围对护边板进行焊接。在这个阶段，芯层的任何预浇铸部件，以及任何型式的剪切板材或其它的可能期期望的配件，都可以放在适当的位置任然后，上层面板12焊接到护边板或周边栅或连接元件上，以便形成一个封闭的空腔，并且塑料或聚合物材料注入其中形成芯层13。然后对注入的材料进行固化，磨掉注入步骤中使用的注入口，连同排气孔一起密封。这些步骤可以在工厂条件的原地或偏远的地点完成，完成后的嵌板运输到安装地点。
在剪力栓柱被用在作为现有结构的覆盖层所形成的结构夹层板的情况下，程序是基本上相同的。栓柱可以焊接到现有金属板或新的覆盖板或这两者上，并且相对于现有金属板可以作为隔板来安置和/或支持新的覆盖板。
本发明的第二个技术方案在图2表示。根据本发明的第二个技术方案的结构夹层板构件20与第一个技术方案相似，但是如在下面描述的那样，机械连接器(栓柱)是在金属板的制造加工后应用的。
在第二个技术方案中，栓柱17是在结构夹层板构件完成加工后从外侧安装的。栓柱17穿过第一块金属板，也就是外层板中最接近的一块，接着延伸通过芯层的全部厚度直到第二块金属板，也就是远端的外层板。摩擦焊缝18成形加工在栓柱17的扩大头部17b上的斜面17a与最接近的外层板11的沉孔之间以及在栓柱17的末端端部17c与末端外层板12的内表面形成的凹口12a之间。端部17c可以像图示中一样是平的，或者是倾斜的。另外，头部17b可以是平的，而不是倾斜的，以便提供一个纵向接头到顶板上。
安装剪切栓柱到预先制造好的结构夹层板构件的方法如下所述。首先，钻一个孔穿过最接近的金属板11，芯层13并且深入到末端的金属板12。将从最接近的金属板11的内表面测量的孔的深度，控制在标称深度d1的规定公差以内。然后将最接近的金属板11中的孔19成为沉孔到预定的尺寸。栓柱17的柄有比深度d1稍微长点的标称长度d2，该标称长度d2是从斜面17a的底部到栓柱的端部。d1和d2之间的公差必须是使得d2总是比d1长并且在与摩擦焊接有关的标准公差以内。栓柱的长度公差也必须在连接器的末端17c与焊接点12a之间以及在斜面17a与沉孔19之间提供足够的焊接熔合。
然后将栓柱17插入孔中，并且在被压入孔中的同时以高速旋转-这可以通过常规的摩擦柱头焊接装置完成。如果夹层板构件是不牢固的，或者通过电磁或真空夹钳，特别是如果层状板构件已经安装在建筑物中，所需的压力使用一块坚固的后板获得。起初，栓柱的末端17c将接触远端金属板的凹口12a，但是当在那里形成焊接熔池的时侯，该栓柱将进一步运动直到斜面17a与沉孔19接触并且在那里形成焊接熔池。。当栓柱的旋转停止时，焊接熔池将固化，栓柱的每端都被焊接。层状板构件的芯层厚度必须是与栓柱一样的公差，以确保栓柱熔合到两块面板上，这是值得赞赏的。焊接质量可以通过标准的破坏性试验方法如超声波或X射线检查法来检验。
当栓柱在适当的位置焊接好以后，突出的头部和任何烧化轴环都可以被磨掉。作为选择，该头部可以作为用于安装的连接点，因此可以装备有露出的螺纹。在特别重负荷的情况下，许多栓柱可以以紧邻的方式安装；它们的紧密度的唯一限制是顶层金属板里沉孔互不妨碍的要求和任何焊接机头强加的要求。栓柱可以方便地和容易地安装在金属板的两侧或任意一侧，特别是如果金属板已经安装在建筑物里。
通过对栓柱和穿孔的尺寸和间距的合理选择，上层板能够充分地连接到下层板以抑制在注射期间经受的压力，因而避免需要外部限制物。依据本申请，栓柱不需要对完成的结构夹层板的强度有显著地贡献，但是，如果希望的话，可以通过选择栓柱的尺寸和间距来提供附加强度。穿孔11a应该制造得尽可能小，同时还允许定位焊接容易成形加工，而扩大的头部20a应该被制造得足够大以确保，如果容许穿孔和栓柱的位置公差，开孔完全在栓柱的头部区域里，并且与芯层空腔之间没有漏缝。
应该认识到上述描述并不是打算本发明进行限制，并且其它的更改或变形都落入本发明的范围内，本发明的保护范围通过附加的权利要求来限定。
权利要求
1.一种结构夹层板构件，其包括第一和第二外层金属板；塑料或聚合物材料的芯层，该芯层以足以转移它们之间的剪切力的强度粘接到所述的外层板上；和至少一个机械连接器，该连接器焊接在至少一块外层板上，该连接器包括一个圆柱形金属体，金属体通常垂直于所述的一块外层板伸入到所述的芯层中。
2.根据权利要求1所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器在所述的芯层成型之前，通过电弧柱焊焊接到所述的外层板中的一块。
3.根据权利要求2所述的结构夹层板构件，其中提供了许多机械连接器，至少一个连接器焊接到所述的外层板的每块。
4.根据权利要求1、2或3所述的结构夹层板构件，其中该机械连接器或每个机械连接器有一个扩大的头部。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的结构夹层板构件，其中该机械连接器或每个机械连接器伸长到所述芯层的仅仅一部分厚度。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的结构夹层板构件，其中该机械连接器或每个机械连接器伸长到所述芯层的全部厚度。
7.根据权利要求1所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器伸长穿过在所述的第一块外层板里的孔，并在所述的芯层成型后被摩擦焊接到所述的第一外层板上。
8.根据权利要求7所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器伸长穿过所述芯层的全部厚度，并被摩擦焊接到所述的另一块外层板上。
9.根据权利要求7或8所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器被磨削与所述的第一外层板的外表面平齐。
10.根据权利要求7或8所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器有一个从所述第一外层板的外表面凸出的头部。
11.根据权利要求10所述的结构夹层板构件，其中所述的头部有露出的螺纹。
12.根据权利要求7至11任一项所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器有一个扩大的头部、柄和将所述头部连接到所述柄的斜面；并且所述的孔被成为沉孔以与所述斜面匹配。
13.根据权利要求1所述的结构夹层板构件，其中所述的机械连接器伸长到所述芯层的全部厚度，并且它的远端部通过在所述的另一外层板中的穿孔被焊接到所述的另一块外层板上。
14.一种制造结构夹层板构件的方法，其包括如下步骤提供第一和第二外层金属板；将至少一个栓柱焊接到至少一块所述的外层板上；以彼此隔开的关系用所述的至少一个栓柱伸入到所述外层板之间限定的空间来设置所述的外层板；注入未固化的塑料或聚合物材料来填充所述外层板之间限定的所述空间；和允许所述的塑料或聚合物材料固化，使所述的外层板以足以转移它们之间的剪切力的强度粘合到一起。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的焊接步骤通过电弧柱焊完成。
16.一种将剪切栓柱附着到结构夹层板构件的方法，其包括第一和第二外层金属板和塑料或聚合物材料的芯层，该芯层以足以转移它们之间的剪切力的强度粘接到所述的外层板上，该方法包括如下步骤钻一个孔通过所述结构夹层板构件的第一块外层板的，并且进入它的芯层；提供一个栓柱；插入所述的栓柱到所述的孔中，然后焊接所述的栓柱到所述的第一块外层板。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述的栓柱有一个扩大的头部、柄和连接所述头部到所述柄的斜面；并且包括使所述孔成为沉孔来与所述斜面匹配的另一个步骤。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述的钻孔步骤包括钻一个芯层全部厚度的孔；所述的栓柱足够的长以到达另一块所述的外层板并且所述的焊接步骤进一步包括焊接所述的栓柱到所述的另一外层板。
19.根据权利要求16、17或18所述的方法，其中所述的焊接步骤是通过摩擦焊接进行的。
20.一种根据附图基本上如上文中描述的那样建造的结构夹层板构件。
21.一种根据附图1或4基本上如上文中描述的那样制造结构夹层板构件的方法。
22.一种根据附图2或3基本上如上文中描述的安装栓柱到结构夹层板构件的方法。
全文摘要
一种结构夹层板构件具有至少一个栓柱，该栓柱焊接到一块或两块外层板上并且伸入到芯层里。该栓柱可以在芯层成型加工之前通过电弧柱焊到外层板。作为选择，栓柱可以在芯层成型之后通过在一块外层板中钻一个孔安装，然后将栓柱摩擦焊接到一块或两块外层板上。
文档编号B32B15/08GK1984774SQ200580016016
公开日2007年6月20日 申请日期2005年5月18日 优先权日2004年5月21日
发明者S·J·肯尼迪, H·M·威尔逊 申请人:智能工程(巴哈马)有限公司