本发明涉及螺栓技术领域，具体而言，涉及一种垫圈、采用该垫圈的高强度螺栓连接副及其生产工艺。
背景技术
高强螺栓连接是大型桥梁等钢结构的主要连接方式之一，它的可靠性将直接决定结构安全。近年来，受多种因素影响，部分桥梁存在高强螺栓延迟断裂脱落情况。一方面，如果线路上方的高强螺栓断裂脱落，击打高速列车的风险极大，为降低高强螺栓击打列车后造成的影响，部份桥梁所在区段只能采取限速措施，势必影响运输秩序；另一方面，对钢结构而言，连接破坏是结构破坏的最重要原因，作为连接部位的重要传力部件，高强螺栓的延迟断裂甚至会导致连接接头滑移，最终引起主体结构失稳破坏。为降低高强螺栓延迟断裂的机率，减少对高速行车和结构安全的影响，需尽快找出高强螺栓延迟断裂的原因，针对性提出预防与整治措施。
高强螺栓延迟断裂的诱因总体可以分为内、外两类。内因主要包括高强螺栓材质和制造的缺陷等，外因主要包括温度、湿度、酸碱度等环境因素，以及施工误差等。原材料在冶炼和酸洗过程中残留的有害杂质，最终会成为高强螺栓的初始缺陷，在生产过程中盘条要经过成形、螺纹加工和热处理等主要工序，也有可能产生新的制造缺陷，这些缺陷都会成为日后高强螺栓延迟断裂的内因。根据铁路钢桥高强螺栓连接施工规定(tbj214-92)，铁路钢桥架设过程中采用定扭矩扳手进行施工扭矩控制。该法技术成熟，应用广泛，但限于工具水平和扭矩系数离散，仍存在施工扭矩控制不准，扳前扳后扭矩标定，终拧后扭矩检查复验等复杂施工工序，无法实现预紧力精准控制，一旦出现超拧，必将成为高强螺栓延迟断裂的外因。只有杜绝内、外两方面诱因，才能有效降低高强螺栓延迟断裂的概率。
目前，现有的高强度螺栓主要具有以下缺点：(1)垫圈在连接副中起到增大接触面积、保护螺栓和钢板、防止松动，但是现有垫圈由于结构形式的特点，在安装过程中容易出现垫圈装反现象，且安装完成之后无法被发现，由于制造误差导致的垫圈厚度不足等问题，进而导致螺栓扭矩系数离散，影响螺栓受力性能。(2)p、s等有害元素依据gb/t1231-06所规定的含量(s≤0.04％；p≤0.04％)，含量相对较高，不仅影响螺栓热处理后的机械性能，增大螺栓断裂的风险，更对螺栓提降低延迟断裂能力。(3)螺栓连接副生产过程中未有脱氢工艺，而氢是螺栓延迟断裂的重要诱因。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种垫圈、采用该垫圈的高强度螺栓连接副及其生产工艺，解决了垫圈反装后无法检查、由于制造误差导致的厚度不足、p和s元素含量过高、氢含量高、截面突变部位易断裂的问题。
本发明提供了一种垫圈，所述垫圈应用在高强度螺栓连接副中，包括：
本体，其上设有贯穿螺栓的螺孔；
外倒角，其设在所述本体外圆周上，所述外倒角为直倒角或圆弧倒角。
作为本发明进一步的改进，所述外倒角为45度的直倒角或直径为2.5mm的圆弧倒角。
作为本发明进一步的改进，当螺栓大径为12mm时，所述垫圈内径d1为13～13.43mm，所述垫圈外径d2为23.7～25mm，所述外倒角直径d3为15.23～16.03mm，所述垫圈厚度h为4.5～5.8mm；
当螺栓大径为16mm时，所述垫圈内径d1为17～17.43mm，所述垫圈外径d2为31.4～33mm，所述外倒角直径d3为19.23～20.03mm，所述垫圈厚度h为5.5～6.8mm；
当螺栓大径为20mm时，所述垫圈内径d1为21～21.52mm，所述垫圈外径d2为38.4～40mm，所述外倒角直径d3为24.32～25.12mm，所述垫圈厚度h为5.5～6.8mm；
当螺栓大径为22mm时，所述垫圈内径d1为23～23.52mm，所述垫圈外径d2为40.4～42mm，所述外倒角直径d3为26.32～27.12mm，所述垫圈厚度h为6.5～7.8mm；
当螺栓大径为24mm时，所述垫圈内径d1为25～25.52mm，所述垫圈外径d2为45.4～47mm，所述外倒角直径d3为28.32～29.12mm，所述垫圈厚度h为6.5～7.8mm；
当螺栓大径为27mm时，所述垫圈内径d1为28～28.52mm，所述垫圈外径d2为50.1～52mm，所述外倒角直径d3为32.84～33.64mm，所述垫圈厚度h为6.5～7.8mm；
当螺栓大径为30mm时，所述垫圈内径d1为31～31.62mm，所述垫圈外径d2为54.1～56mm，所述外倒角直径d3为35.84～36.64mm，所述垫圈厚度h为6.5～7.8mm。
本发明还提供了一种高强度螺栓连接副，包括：螺栓、与所述螺栓配套的螺母以及两个如权利要求1-3中任意一项所述的垫圈，所述螺栓的螺杆依次贯穿两个所述垫圈的螺孔以及所述螺母的螺孔；
其中，第一垫圈的外倒角朝向所述螺栓的螺头，第二垫圈的外倒角朝向所述螺母。
作为本发明进一步的改进，所述螺杆的端部为圆弧底，且渐变收尾。
作为本发明进一步的改进，所述螺杆与所述螺头连接处为圆弧型。
作为本发明进一步的改进，所述螺头和所述螺母均为六角头型。
本发明还提供了一种高强度螺栓连接副的生产工艺，包括以下步骤：
步骤1，选取高强度螺栓连接副的生产材料，并保证硫s、磷p的含量均≤0.015％；
步骤2，盘圆退火：将需要处理的生产材料退火，获取均匀细致的盘圆；
步骤3，酸洗：将整个盘圆浸入盐酸中除去线材表面的氧化膜，并用清水清除线材表面的盐酸腐蚀产物；
步骤4，拉丝：将盘圆分别拉至所述螺栓、所述螺母和所述垫圈所需的线径；
步骤5，墩制成型：按照所述螺栓、所述螺母和所述垫圈的形状、长度和厚度，将线材经锻造加工，制成所需的各种零件；
步骤6，将各种零件进行踤火处理；
步骤7，将各种零件进行回火处理；
步骤8，将各种零件进行表面镀锌处理；
步骤9，将各种零件进行去氢处理；
步骤10，检验入库。
作为本发明进一步的改进，步骤9包括：
步骤901，将镀锌处理后的镀件清洗干净；
步骤902，将干净的镀件埋在石英砂里，并在烘箱内进行去氢，温度为200～250℃，时间为2h；
步骤903，将活化后的零件钝化。
作为本发明进一步的改进，步骤902和步骤903之间还包括：将去氢后的零件用10％硫酸活化。
本发明的有益效果为：
1、在垫圈上设置外倒角，解决了垫圈反装后无法检查的问题，一方面便于工人识别安装，另一方面便于后续检查工作；
2、增加了垫圈的厚度，解决了垫圈由于制造误差导致的厚度不足的问题，增大所能承受的轴向压缩荷载；
3、降低了p、s元素含量，减小螺栓断裂的风险；
4、在生产中的关键工序环节增加脱氢工艺，降低螺栓生产过程中氢含量，避免氢脆的发生；
5、在螺栓发生断裂的截面突变部位增加过渡渐变圆弧设计，解决应力集中现象。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种垫圈的主视图，其中，外倒角为圆弧倒角；
图2为本发明实施例所述的一种垫圈的主视图，其中，外倒角为直倒角；
图3为图1的俯视图；
图4为图1的剖视图；
图5为图2的剖视图；
图6为本发明实施例所述的一种高强度螺栓连接副的剖视图。
图中，
1、螺孔；2、外倒角；3、螺栓；3-1、螺杆；4、螺母；5-1、第一垫圈；5-2、第二垫圈；6、端部；7、连接处。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1-5所示，本发明实施例的一种垫圈，垫圈应用在高强度螺栓连接副中，尤其是铁路桥梁用高强度螺栓连接副。包括：本体以及位于本体上的外倒角。本体上设有贯穿螺栓的螺孔1，外倒角2设在本体的外圆周上。
设置外倒角，一方面便于工人识别安装不会产生装反现象，另一方面便于安装后的检查工作。其中，外倒角2可为直倒角或圆弧倒角，对于直倒角，优选为45度的直倒角，但不仅限于此角度；对于圆弧倒角，优选为直径是2.5mm的圆弧倒角，但不仅限于此直径。
其中，垫圈中垫圈内径d1、垫圈外径d2、外倒角直径d3和垫圈厚度h的尺寸如表1所示，现有的垫圈厚度如表2所示。
表1
表2
现有的垫圈由于制造误差经常会导致的厚度不足的问题，进而影响螺栓紧固件连接性能。本发明中对垫圈进行了加厚处理，垫圈的厚度比现有高强度螺栓连接副中的厚，一方面避免垫圈制造误差导致厚度不足问题，另一方面增大厚度后所能承受的轴向压缩荷载增大，能够满足螺栓轴向预紧力要求，保证螺栓服役安全。从表1可以看出，调整垫圈公称厚度，即使由于旨在加工误差存在，也能保证垫圈有足够厚度。
实施例2，一种高强度螺栓连接副，包括：螺栓3、与螺栓3配套的螺母4以及两个垫圈，垫圈为实施例1中的垫圈。如图4所示，螺栓3的螺杆3-1依次贯穿两个垫圈的螺孔1以及螺母4的螺孔，其中，第一垫圈5-1的外倒角朝向螺栓3的螺头，第二垫圈5-2的外倒角朝向螺母4。正是由于垫圈增加了外倒角，使得两个垫圈在与螺栓3和螺母4的安装过程中不会装反。
螺栓发生断裂往往在截面突变部位，如螺头和螺杆结合部、螺杆的光杆和螺纹杆结合部位等。在本实施例中，对这些突变部位进行了设计，将螺杆3-1的端部6设计为圆弧底，且渐变收尾，使螺杆端部的圆角半径增大，减少了端部的应力集中。另外，螺杆3-1与螺头的连接处7为圆弧型，通过这种过渡尺寸的设计，能增强连接处的强度。
螺头和螺母4均为六角头型，并不仅限于此种形状。
实施例3，一种高强度螺栓连接副的生产工艺，包括以下步骤：
步骤1，选取高强度螺栓连接副的生产材料，并保证硫s、磷p的含量均≤0.015％；
步骤2，盘圆退火：将需要处理的生产材料退火，获取均匀细致的盘圆；
步骤3，酸洗：将整个盘圆浸入盐酸中除去线材表面的氧化膜，并用清水清除线材表面的盐酸腐蚀产物；
步骤4，拉丝：将盘圆分别拉至螺栓3、螺母4和垫圈所需的线径；
步骤5，墩制成型：按照螺栓3、螺母4和垫圈的形状、长度和厚度，将线材经锻造加工，制成所需的各种零件；
步骤6，将各种零件进行踤火处理；
步骤7，将各种零件进行回火处理；
步骤8，将各种零件进行表面镀锌处理；
步骤9，将各种零件进行去氢处理；
步骤10，检验入库。
本发明的生产工艺在原材料的选取上对有害元素硫和磷的含量有一个严格的限定标准，比现有技术中的含量降低很多，因为硫磷等有害元素往往是形成氢致微裂纹的诱因，因此，对有害元素的含量进行控制，不仅保障了螺栓热处理后的机械性能，减小螺栓断裂的风险，更对螺栓提高抗延迟断裂能力有益。
对断裂螺栓残件进行氢含量测定，会发现断裂残件断裂部位的氢含量明显高于螺栓其他部位，说明已有较多的氢由螺栓断裂部位渗入螺栓内部。对于高强度螺栓连接副，氢脆敏感值必须严格控制，若螺栓氢含量高于0.0005％范围，就极其危险，很可能引发氢脆现象。现有技术中，高强度螺栓连接副的生产工艺流程为：盘圆退火+酸洗→拉丝→墩制成型→碎火→回火→镀锌→检验入库。其中，酸洗和发黑工艺中材料均会与酸性介质接触，若酸洗时间、温度、酸的浓度等控制不当就会导致氢渗入，另外，螺栓在电镀过程中都可能在镀层和基体金属的晶格中渗氢，造成晶格扭歪，内应力增大，产生脆性，再加上没有后续的去氢处理，就极易导致氢脆的发生。
本发明在螺栓完成镀锌过程后加入了加热去氢处理，使氢逸出。具体步骤为：
步骤901，将镀锌处理后的镀件清洗干净；
步骤902，将干净的镀件埋在石英砂里，并在烘箱内进行去氢，温度为200～250℃，时间为2h；
步骤903，将活化后的零件钝化。
进一步的，去氢后零件钝化有困难，可在钝化前先活化一下，如可用10％硫酸活化。
镀前去应力和镀后去氢以消除氢脆隐患若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大，因此，镀前应进行回火处理，回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量，从而减轻发生氢脆的隐患。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。