一种超声波智能螺栓的制作方法

技术领域：

本实用新型涉及一种广泛应用的紧固件，特别是涉及一种可测量其内应力的智能紧固件如智能螺栓。

背景技术：
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螺栓紧固广泛应用于机械、化工、风力发电、铁路桥梁和建筑结构等诸多领域，螺栓连接属于可拆卸连接，在使用过程中螺栓所承受的载荷会发生波动，例如螺母松动则回影响结构件的稳定性和安全性，甚至受到较大的外界力的作用使螺栓杆件受损甚至开裂，可能造成重大事故。同时在最初始安装螺栓时，对整个构件的多个重要部位的螺栓连接的紧固度是有要求的，螺栓连接过紧会在螺杆内产生过大的应力，过松或达不到紧固要求，很容易出现螺母松动的现象。现有技术中有一种是在螺栓的螺杆的端部表面经金属表面处理、清洗烘干后，在表面进行半导体材料即换能器材料的电子沉积形成压电材料沉积层，再进行电路的焊接，通过换能器材料产生超声波进入螺栓而测定螺栓的内部的应力，上述的制备成本高昂，完全不适合工业化的大批量生产，且换能器材料直接与螺栓表面结合，很容易因各种原因造成换能器材料的破损、产生裂纹等，也不易进行绝缘。因此，如何测量出螺栓紧固时的紧固力或螺杆内的应力，或者在长期的使用螺栓的过程中，随时对重要部位的螺栓进行应力测量或螺栓对紧急情况作出即时告警，且可大规模的工业化生产，成本较低，对重要的结构件的稳定性和安全性有重要的意义，也是一个急待解决的问题。

技术实现要素：
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本实用新型的发明目的是公开一种结构简单、制备成本低和对螺栓进行全面监测的超声波智能螺栓。

实现本实用新型的技术解决方案如下：包括螺杆、垫片和与螺杆连接的螺母，关键是螺杆的端表面的盲孔内设有超声波探头组件，超声波探头组件与盲孔的底面之间设有过渡层，超声波探头组件与盲孔的侧壁之间有密封绝缘层。

所述的过渡层的密度为0.85～8.0g/cm³。

所述的过渡层的密度为2.7～6.8g/cm³。

所述的超声波探头组件由换能器件和相应的控制电路构成，超声波探头组件有导出的信号线端口或信号输出插口。

所述的超声波探头组件的控制电路还设有电池、高频电路、触发电路、定时电路和信号存储器，超声波探头组件有信号发送器件或信号发送电路。

所述的超声波探头组件的存储器预设智能螺栓标定的标准的应力～传播时间的数据和相应数据处理程序。

本实用新型公开的一种大批量生产的螺栓，在充分考虑生产工序、制备成本、性能稳定的各种要求时，使螺栓的结构设计合理，方便检测螺栓内的应力或张力，且具有告警功能，可应用于高价值的大型结构构件的安全性和稳定性起到至关重要的作用。

附图说明：

图1为本实用新型用于紧固构件时的剖视结构示意图。

具体实施方式：

结合附给出本实用新型的具体实施方式的详细描述，需要说明的是具体实施方式的详细描述是为便于对本实用新型的技术的全面了解，而不应视为是对本实用新型的权利要求保护范围的限制。

请参见图1，本实用新型具体实施例的技术解决方案是：包括螺杆1、垫片2和与螺杆1连接的螺母3，垫片2套设于括螺杆1上，螺母3与螺杆1的螺纹配合，这是现有技术的螺栓的基本构成，关键是螺杆1的端表面的盲孔4内设有发射或/和接收超声波的超声波探头组件5，超声波探头组件5与盲孔4的底面之间有一过渡层6，超声波探头组件5与盲孔4的侧壁之间有密封绝缘层(图中未示出)，超声波探头组件5发出一个超声波进入螺杆1，并随后收到反射的超声波，得到一个超声波经过螺杆1的时间间隔，按现有的声弹性理论的研究，超声波在金属内的传播速度与金属材料的内部应力有关，不同应力对应不同的声波传播速度，因此对应不同材质、不同规格和不同应力情况的螺杆1，有不同的应力-传播时间关系，但对相同材质、相同规格的螺杆1，则可试验得到相应的标准的应力-传播时间的对应关系或曲线；在旋紧上述的智能螺栓时，超声波探头组件5发出并接收超声波，通过测出的传播时间与标准的应力～传播时间关系作比较则可直接得出螺杆1内的应力，即得到旋紧状态的螺杆1的紧固程度，这对重要的大型构架的多个螺栓的紧固统一性至关重要；由于大批量工业生产，螺杆1的端表面的盲孔4的表面与上述的超声波探头组件5的超声发射表面极易产生空气间隙，这极大地影响了超声波的传播和影响测量精度，因此在超声波探头组件5与螺杆1的盲孔4的底面之间有一过渡层6，超声波探头组件5发射出的超声波一是可顺利通过过渡层6进入螺杆1的内部，同时过渡层6的材料密度远远大于空气密度，并且更接近于超声波探头组件5底部材料和螺杆1的密度，可大幅减少界面造成的超声波的损失和超声波的混乱，再者可以增加超声波探头组件5与螺杆1的连接强度，避免长期使用过程中的两者的脱离而使检测失效。同时过渡层6的存在还进一步对超声波探头组件5起到一个减少振动的缓冲的作用，对长期使用具有显著的意义。

所述的过渡层6的密度为0.85～8.0g/cm³，这样可以有效地消除超声波探头组件5与螺杆1端部之间的空气间隙，且与超声波探头组件5的换能器件的密度较为接近，消除两者界面的超声波的反射的干扰；或者所述的过渡层6的密度为2.7g/cm³～6.8g/cm³，这一方面是使过渡层6的密度既接近超声波探头组件5的表面封装材料的密度又进一步接近螺杆1的密度，螺杆1通常使用的是钢材，这可使两个界面对超声波的影响均得到有效的控制，对提高检测的精度有很大的提高。例如上述的过渡层6由高强度胶粘剂构成，或者由高强度胶粘剂与填料按合理比例构成，当确定所需要的过渡层6的密度后，由于高强度胶粘剂和填料的密度是已知的，自然可以计算出混合比例；超声波探头组件5与螺杆1之间的过渡层6为焊料构成，即焊接两者，焊料的密度尽可能接近螺杆1的密度。所述的超声波探头组件5设于螺杆1端面的盲孔4内，超声波探头组件5由带有填料的胶粘剂与盲孔4的底面连接，虽然会增加加工盲孔4的加工成本，但超声波探头组件5得到更好的保护，防水、防晒和防止碰撞，使超声波探头组件5有较长的使用寿命和测量数据的稳定性。

所述的超声波探头组件5由换能器件和相应的控制电路构成，超声波探头组件5有导出的信号线端口或有外露的信号输出插口(图中未示出)；换能器件为现有技术，直接购买或定制即可，换能器件的控制电路同样为现有技术，不再详细描述，工程安装人员可持有超声波检测显示仪与上述的超声波探头组件5的信号线端口或信号输出插口连接，旋动前述的螺母3，适时使超声波探头组件5发射和接收超声波，则可依据该规格的应力～传播时间关系得到实时的螺栓的内应力的大小，直至螺母3的旋紧度达到技术要求停止旋紧操作。上述的测量也可在长期的使用过程中进行，检测螺栓内的内应力是否降低，即螺母3是否松动，这使重要构件的螺栓连接安全可靠，使质量得到保证。

所述的超声波探头组件5的控制电路还设有电池、高频电路、触发电路、定时电路和信号存储器，超声波探头组件5还设有向外界发送信号的信号发送器件或信号发送电路，这样超声波探头组件5接收到外界的指令后，发射或/和接收超声波，或在信号存储器中储存上述数据、或/和向外界的信息中心发送收到超声波的信息，供外界的信息中心进行数据分析、比较和最终决断处理，并且当螺杆1受到较大的作用力时或长期使用过程出现金属疲劳，螺杆1内部会有局部损伤如产生微小裂纹，或螺杆1出现大的损伤如部分断裂或断裂，螺杆1自身会产生较高强度的脉冲式声波，该声波作用于超声波探头组件5的换能器件上会产生相应的电信号，触发电路触发超声波探头组件5记录、存储和向外界发送该电信号，则外界可及时得知螺杆1的实时状态，起到告警的作用。还可定时发出换能器件工作的信号，定期得到螺杆1内的应力数据。上述的信号向外界发送可以是有线形式也可为无线形式，可以在一个大型构件如桥梁、风力发电机设置一个中心式的信息汇集装置与多个智能螺栓连接，对一个智能螺栓群进行控制，可极大地提高对一个大型构件进行全面的检测管理，极大提高安全性；甚至在超声波探头组件5的信号存储器内预设智能螺栓的标准的应力～传播时间关系的数据和数据处理程序，超声波探头组件5接收到超声波信号后经处理直接得出应力值，并显示在工作人员的检测仪上，可进一步提高检测的工作效率。