CN103061333A - 一种分体式螺旋地桩及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分体式螺旋地桩及其
焊接方法
，包括分体设置的桩体和钻地尖头，钻地尖头包括尖端部和圆台形尾部；钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口；桩体与钻地尖头在环形焊接坡口处焊接成整体结构。
分体式螺旋地桩的焊接方法，按以下步骤进行：1)接头对接；2)焊前清理；3）预热；4）焊接：选择镍基焊丝ERNiCrMo-3，采用手工钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充、盖面；5）焊后热处理。本发明实现了Q235B桩体与12Cr1MoV钻地尖头的有效焊接，接头之间的对接简单可靠，提高工作效率，增加有效焊接面积，提高焊缝强度，降低加工及生产成本
。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋地桩，具体涉及一种分体式螺旋地桩及其焊接方法。
背景技术
工程建设中地桩的应用范围较大，其广泛应用于太阳能光伏、风能等建筑类行业当中。地桩是建筑和钢架结构行业普遍采用的用于连接地面的连接主体结构。现有的螺旋地桩都采用一体化结构，桩体为管状结构，桩体***连接有螺旋叶片，桩体前端为尖形结构。整个螺旋地桩只能适用于单一特性的土壤，遇到到其他特性土壤时，此类螺旋地桩就失去了使用价值，一方面限制了地桩的使用范围，另一方面当采用现有的螺旋地桩对硬度很高的冻土地质进行施工时，需要螺旋地桩整体采用超硬材料，存在成本高和浪费资源的问题。如中国专利申请号“201110194483.X”公开了一种旋转钻进预制复合桩及其施工方法，包括桩体和桩尖,所述桩尖为锥形,所述桩体外表面上设置有与其水平横断面成锐角的叶片,所述叶片至少为一片,所述叶片为螺旋状、扇叶形或犁刀形,其在桩体外表面沿其轴向连续或断续分布,所述桩体外表面上间隔设置螺旋板,所述螺旋板连续或断续设置在桩体外表面360度范围内，桩体通过法兰盘或焊缝连接与桩尖连接。但是该螺旋地桩采用常规的焊接方法，对硬度很高的冻土地质进行施工时，需要整体采用超硬材料（如12Cr1MoV），存在成本高和浪费资源的问题。
为了解决上述问题，发明人首次提出将材质为Q235碳钢的桩体和材质为12Cr1MoV钢的桩尖进行焊接，以达到降低成本的目的。但是，由于常规的焊接接头的坡口形式一般为V型或U型坡口，需要对桩体和桩尖都进行坡口加工，存在加工和对接麻烦、有效焊接面积小、焊缝强度差及焊接工作效率低的缺点。同时， 12Cr1MoV钢属于珠光体耐热钢，由于含碳量及合金元素较多，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，使塑性、韧性降低，焊接性变差，当焊件刚度及接头应力较大时，容易产生裂纹。由于12Cr1MoV钢与Q235B碳钢的化学成分差异很大，因此它们的焊接属于异种钢焊接，要在熔焊的条件下获得可靠的焊接接头，存在许多问题：1、由于两者的热导率和比热容的差异，使两者的熔化不同步，熔池形成和金属结合不良，导致焊缝结晶条件变坏，焊缝性能和成形不良。2、两者线膨胀系数不同，造成它们在形成焊接连接之后的冷却过程中，焊缝两侧的收缩量不同，导致焊接接头出现复杂的高应力状态，进而加速裂纹的产生。3、存在焊缝稀释和形成过渡层的问题。
综上可以看出，采用传统的焊接接头的结构和焊接工艺对这两种异种钢进行焊接并不能实现这两种异种钢之间的有效焊接，因此需要对焊接接头的结构和焊接工艺进行改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是为了提供一种分体式螺旋地桩，该螺旋地桩由Q235B碳钢桩体和12Cr1MoV耐热钢钻地尖头焊接成整体结构，焊接时接头之间的对接简单可靠，提高工作效率，增加有效焊接面积，提高焊接后的焊缝强度，能够实现这两种异种钢之间的有效焊接，降低加工及生产成本。
本发明的第二个目的是为了提供一种分体式螺旋地桩的焊接方法，该焊接方法能够防止焊缝处裂纹的产生；减少了碳的扩散；减轻了晶间腐蚀，实现了Q235B碳钢桩体和12Cr1MoV耐热钢钻地尖头之间的有效焊接。
为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：
一种分体式螺旋地桩，包括分体设置的管状桩体和圆锥形钻地尖头，所述桩体***套设有呈螺旋带状体的螺旋叶片；其特征在于：所述钻地尖头包括尖端部和圆台形尾部；所述圆台形尾部包括与桩体内壁面配合的插接部和直径大于所述插接部的斜面部；所述钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形；所述桩体与钻地尖头在环形焊接坡口处焊接成整体结构。
所述桩体为采用Q235B碳钢材质的桩体，Q235B碳钢的化学成分（%）：C：0.12～0.20，Si：≤0.30，Mn：0.30～0.70，S：≤0.045，P：≤0.045，Cr：允许残余含量≤0.030，Ni：允许残余含量≤0.030， Cu：允许残余含量≤0.030。
所述钻地尖头为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头，12Cr1MoV耐候钢的化学成分（%）：C：0.07～0.15 ，Si：0.18～0.37 ，Mn：0.41～0.70 ，Cr：0.90～1.20 ，Mo：0.25～0.35 ，V：0.15～0.30。
实现本发明的一种实施方式是：所述环形焊接坡口的截面面积大于等于8mm2。
实现本发明的一种实施方式是：所述桩体末端设有用于与外部主体结构固定的法兰结构或紧定螺栓结构。
实现本发明的一种实施方式是：所述桩体后端部设有弧形加强板和贯穿加强板和桩体的通孔。
实现本发明的一种实施方式是：所述尖端部包括前端的破口式尖锥和两侧的切割刃。
实现本发明的一种实施方式是：所述尖端部上还设有圆形排水孔。
实现本发明的一种实施方式是：所述螺旋叶片为连续螺旋叶片或分段螺旋叶片。
为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：
一种分体式螺旋地桩的焊接方法，其特征在于按以下步骤进行：
1)接头对接：将钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形；其中，所述桩体为采用Q235B碳钢材质的桩体，所述钻地尖头为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头；
2)焊前清理: 桩体与钻地尖头对焊部分的表面的油污和不洁物清除；
3）预热：将桩体与钻地尖头的对焊接部位预热至150～180℃；预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施，预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。由于 12Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高，所以选择预热温度150～180℃；
4）焊接：将桩体与钻地尖头处于水平转动位进行焊接，选择镍基焊丝ERNiCrMo-3，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充、盖面；层间温度控制在180～200℃；在整个焊接过程中，应保持层间温度不低于预热温度；
4-1) 手工钨极氩弧焊（TIG）打底：采用质量百分含量分别为80%的Ar和20%的He作为保护气，控制气体流量为8 L/Min；电源极性为：直流正接，电流为100A，电压为12V；
4-2）手工电弧焊填充：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
4-3）手工电弧焊盖面：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
5）焊后热处理：焊接结束后，立即采用保温材料对焊缝和靠近焊缝区进行覆盖保温,使接头缓慢冷却。随后,再将焊件整体加热至760℃，恒温30分钟后,冷却至室温。焊后进行消除应力热处理，可以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。
本发明的有益效果在于：
1、本发明对焊接接头的结构进行了改进，将钻地尖头设有圆台形尾部；将钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，可以使得钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，接头之间的对接简单可靠，提高工作效率；由于所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形，与传统的坡口形式相比，能够增加有效焊接面积，提高焊接后的焊缝强度，能够实现这两种异种钢之间的有效焊接。同时，本发明只需要对钻地尖头部分进行坡口加工，从而降低加工及生产成本。
2、本发明对焊接工艺进行了改进，首先，本发明将桩体与钻地尖头的对焊接部位预热至150～180℃，可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。其次，本发明选择镍基焊丝ERNiCrMo-3，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充、盖面，采用氩-氦混合气体GTAW打底焊，即产品焊缝使用80%Ar+20%He，利用Ar气电弧稳定柔和，He气电弧发热量大而集中，增加熔深的特点，消除该异种钢产品焊缝焊接中的层间未熔合缺陷的产生。最后本发明进行了焊后热处理，可以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。
综上所述，本发明通过对焊接接头的结构和焊接工艺进行改进，能够防止焊缝处裂纹的产生；减少了碳的扩散；减轻了晶间腐蚀，实现了Q235B碳钢桩体和12Cr1MoV耐热钢钻地尖头之间的有效焊接，接头的断裂强度高达735 MPa，焊缝接头区域的力学性能优于母材；金相组织观察显示，接头组织致密，晶粒细小；接头断口SEM观察表明，断裂区韧窝大而深，呈韧性断裂特征，接头中未见有夹杂、气孔和微裂纹等缺陷。同时，本发明还具有焊接时接头之间的对接简单可靠，提高了工作效率，增加了有效焊接面积，提高了焊接后的焊缝强度，降低了加工及生产成本的优点。
附图说明
图1为本发明一种分体式螺旋地桩的结构示意图。
图2为本发明的桩体和钻地尖头采用焊接连接方式时的结构示意图。
图3为图2中焊接处A的局部放大图。
具体实施方式
具体实施例：
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
参照图1-图3，本实施例所述的分体式螺旋地桩，包括分体设置的管状桩体2和圆锥形钻地尖头1，所述桩体2的管体201的外表面套设有呈螺旋带状体的螺旋叶片202；所述钻地尖头1包括尖端部102和圆台形尾部101；所述圆台形尾部101包括与桩体2内壁面配合的插接部101a和直径大于所述插接部的斜面部101b；所述钻地尖头的插接部101a穿插于桩体2的套接孔中，使钻地尖头1的斜面部101b与桩体2的开口端面203之间形成环形焊接坡口3，所述环形焊接坡口3的轴向截面为直角三角形或直角梯形；所述桩体与钻地尖头在环形焊接坡口处焊接成整体结构。
本实施例中：
所述桩体2为采用Q235B碳钢材质的桩体，Q235B碳钢的化学成分（%）：C：0.12～0.20，Si：≤0.30，Mn：0.30～0.70，S：≤0.045，P：≤0.045，Cr：允许残余含量≤0.030，Ni：允许残余含量≤0.030， Cu：允许残余含量≤0.030。
所述钻地尖头1为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头，12Cr1MoV耐候钢的化学成分（%）：C：0.07～0.15 ，Si：0.18～0.37 ，Mn：0.41～0.70 ，Cr：0.90～1.20 ，Mo：0.25～0.35 ，V：0.15～0.30。
所述环形焊接坡口3的截面面积大于等于8mm2。所述桩体2末端设有用于与外部主体结构固定的法兰结构或紧定螺栓结构204。所述桩体后端部设有弧形加强板和贯穿加强板和桩体的通孔。所述尖端部包括前端的破口式尖锥和两侧的切割刃。所述尖端部102上还设有圆形排水孔102a。所述螺旋叶片为连续螺旋叶片或分段螺旋叶片。
一种分体式螺旋地桩的焊接方法，按以下步骤进行：
1)接头对接：将钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形；其中，所述桩体为采用Q235B碳钢材质的桩体，所述钻地尖头为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头；
2)焊前清理: 桩体与钻地尖头对焊部分的表面的油污和不洁物清除；
3）预热：将桩体与钻地尖头的对焊接部位预热至150～180℃；预热是珠光体耐热钢焊接的重要措施，预热可以减慢焊缝及热影响区的冷却速度，有利于避免产生淬硬组织，有助于焊接区的氢的逸出，防止产生焊接裂纹。由于 12Cr1MoV钢的碳含量及合金元素的含量较高，所以选择预热温度150～180℃；
4）焊接：将桩体与钻地尖头处于水平转动位进行焊接，选择镍基焊丝ERNiCrMo-3，采用手工钨极氩弧焊（TIG）打底，手工电弧焊（SMAW）填充、盖面；层间温度控制在180～200℃；在整个焊接过程中，应保持层间温度不低于预热温度；
4-1) 手工钨极氩弧焊（TIG）打底：采用质量百分含量分别为80%的Ar和20%的He作为保护气，控制气体流量为8 L/Min；电源极性为：直流正接，电流为100A，电压为12V；
4-2）手工电弧焊填充：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
4-3）手工电弧焊盖面：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
5）焊后热处理：焊接结束后，立即采用保温材料对焊缝和靠近焊缝区进行覆盖保温,使接头缓慢冷却.随后,再将焊件整体加热至760℃，恒温30分钟后,冷却至室温。焊后进行消除应力热处理，可以消除或减少影响区出现的淬硬组织，增加塑性和韧性，有效地减少焊接残余应力，同时有利于扩散氢的逸出，从而减少冷裂纹倾向。
依照上述焊接工艺进行试件焊接，试件经外观检查、磁粉探伤和X射线探伤合格后，在试件上截取力学性能试样、金相检验试样进行检验。检验结果见表1和表2。
表1 接头力学性能
表2 金相组织
结果表明，拉伸断裂区域发生在母材侧，接头的断裂强度高达735 MPa，焊缝接头区域的力学性能优于母材；金相组织观察显示，接头组织致密，晶粒细小；接头断口SEM观察表明，断裂区韧窝大而深，呈韧性断裂特征，接头中未见有夹杂、气孔和微裂纹等缺陷。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分体式螺旋地桩，包括分体设置的管状桩体和圆锥形钻地尖头，所述桩体***套设有呈螺旋带状体的螺旋叶片；其特征是：所述钻地尖头包括尖端部和圆台形尾部；所述圆台形尾部包括与桩体内壁面配合的插接部和直径大于所述插接部的斜面部；所述钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形；所述桩体与钻地尖头在环形焊接坡口处焊接成整体结构。
2.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述桩体为采用Q235B碳钢材质的桩体。
3.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述钻地尖头为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头。
4.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述环形焊接坡口的截面面积大于等于8mm2。
5.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述桩体末端设有用于与外部主体结构固定的法兰结构或紧定螺栓结构。
6.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述桩体后端部设有弧形加强板以及贯穿加强板和桩体的通孔。
7.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述尖端部包括前端的破口式尖锥和两侧的切割刃。
8.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述尖端部上还设有圆形排水孔。
9.根据权利要求1所述的一种分体式螺旋地桩，其特征是：所述螺旋叶片为连续螺旋叶片或分段螺旋叶片。
10.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种分体式螺旋地桩的焊接方法，其特征在于按以下步骤进行：
1)接头对接：将钻地尖头的插接部穿插于桩体的套接孔中，使钻地尖头的斜面部与桩体的开口端面之间形成环形焊接坡口，所述环形焊接坡口的轴向截面为直角三角形或直角梯形；其中，所述桩体为采用Q235B碳钢材质的桩体，所述钻地尖头为采用12Cr1MoV耐候钢材质的钻地尖头；
2)焊前清理: 桩体与钻地尖头对焊部分的表面的油污和不洁物清除；
3）预热：将桩体与钻地尖头的对焊接部位预热至150～180℃；
4）焊接：将桩体与钻地尖头处于水平转动位进行焊接，选择镍基焊丝ERNiCrMo-3，采用手工钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充、盖面；层间温度控制在180～200℃；
4-1) 手工钨极氩弧焊打底：采用质量百分含量分别为80%的Ar和20%的He作为保护气，控制气体流量为8 L/Min；电源极性为：直流正接，电流为100A，电压为12V；
4-2）手工电弧焊填充：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
4-3）手工电弧焊盖面：电源极性为：直流正接，电流为120A，电压为15V；
5）焊后热处理：焊接结束后，立即采用保温材料对焊缝和靠近焊缝区进行覆盖保温,使接头缓慢冷却；随后,再将焊件整体加热至760℃，恒温30分钟后,冷却至室温。
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