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CN109281924B - 外包自收口的钢结构接头及其制造方法 - Google Patents

外包自收口的钢结构接头及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外包自收口的钢结构接头及其制造方法，该钢结构接头包括圆柱形基体、被收口包套在内设置有球头的球头杆及固化在圆柱形基体内表面与球头杆相匹配的固化滑膜层；本发明采用与圆柱形基体形状相适应且上端开口且开口处由外及里设置有与轴线分别呈30°、20°和10°斜面的筒状收口工装进行三段式缓冲收口，并在收口前提前在圆柱形基体内表面底部加工有适应变形要求的退刀槽。本发明的钢结构允许原位旋转、防止轴向拉脱、自收口、安装简单、结构稳定。

Description

外包自收口的钢结构接头及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢结构领域，尤其涉及一种外包自收口的钢结构接头及其制造方法。
背景技术
钢结构的连接方式一般有三种，焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。焊接连接因具有对钢材的任何方位、角度和形状都可以直接连接，不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接的刚度大，密封性能好，宜采用自动化作业，生产效率高等优点而被广泛应用。焊接连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成一体。在高温焊接冷却过程中，焊缝附近的钢材因高温作用形成热影响区，由于不均匀的高温和冷却使结构产生残余应力和残余变形而变脆，对钢结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响。
对于需求特殊性能(如多段连杆、头部需旋转便于组装的安全框架)的钢结构而言，需求特殊的要求防轴向拉脱但径向可旋转的接头结构。
而目前在国内已申请的相关专利中，没有专门针对防轴向拉脱但径向可旋转接头结构的现有技术，因而市场上需要一种允许原位旋转、防止轴向拉脱、自收口、安装简单、结构稳定的钢结构接头。
发明内容
本发明旨在提供允许原位旋转、防止轴向拉脱、自收口、安装简单、结构稳定的钢结构接头及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：1、一种外包自收口的钢结构接头的制造方法，包括以下阶段：
1)制造前准备
①原材料准备：准备含碳量不高于0.3％的钢坯、球面硬度不低于50HRC的球头杆、足量固体滑膜涂层材料；
②工装准备：准备与最终设计钢基体形状相适应的上端开口且开口处由外及里设置有分别呈30°、20°和10°锥面的筒状收口工装、准备与最终设计钢基体外圆相适应的高频感应工装、准备与最终设计钢基体内圆弧相适应的膜层涂覆工装；
③设备准备：准备激光熔覆设备、液压装置、烘箱、高频感应装置；
2)钢基体加工
①将阶段1)步骤①准备的钢坯加工成下端圆柱上端倒锥筒且锥面相对于轴线斜度为30°的两段式结构，为初始钢结构；
②以步骤①获得的初始钢结构上端面中心为基点垂直向下钻锥孔，锥孔顶端角度为60°，孔尖钻至下端圆柱面顶端所处水平面时停止，获得中开孔钢结构；
③在步骤②获得的中开孔钢结构的中间锥孔面上，在靠近锥孔面下端位于距端面长度2/3-3/4的位置，以阶段1)步骤①准备的球头杆的球头半径为加工半径、以锥孔面与端面交接处的圆环为垂直截面的圆心，加工出一圈弧形环面，获得预制基体结构；
④以锥孔尖端所在平面为基准，以加工退刀槽的工艺方法加工出深度与剩余锥面长度相等的退刀槽，获得所需钢基体；
3)预处理
①将阶段2)获得的钢基体采用阶段1)步骤②准备的膜层涂覆工装保护并固定好，以阶段1)步骤②准备的固体滑膜涂层材料为原材料，采用激光熔覆设备对阶段2)步骤③获得的弧形环面进行激光涂覆固体滑膜处理，在弧形环面上固化一层厚度0.08mm-0.2mm的固体滑膜层，获得预处理钢基体；
4)收口包套
①将阶段1)步骤①准备的球头杆、阶段3)获得的预处理钢基体、阶段1)步骤②准备的筒状收口工装从上至下同轴固定，采用阶段1)步骤③准备的液压装置持续施加垂直压紧力，至球头杆、预处理钢基体移动至完全收口并固定，获得收口包套钢结构接头；
②将步骤①获得的收口包套钢结构的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至原钢基体变形区域被加热至钢材料的AC3温度以上30℃-50℃，然后停止加热并静置至变形结束，获得稳定化钢结构接头；
③重复步骤①-②2次-3次，获得固化钢结构接头；
5)后处理
①将阶段4)获得的固化钢结构接头的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至钢基体整体被加热至钢材料的AC3温度以上30℃-50℃，然后淬水至温度稳定，采用阶段1)步骤③准备的烘箱将淬水的固化钢结构接头采用200℃-240℃温度、2h-3h时间进行回火处理，获得强化钢结构，该强化钢结构即为所需外包自收口的钢结构接头。
上述的外包自收口的钢结构接头的制造方法中，钢基体采用10#钢制造，球头杆采用GCr6淬火并低温回火后获得。
上述的外包自收口的钢结构接头的制造方法中，钢基体采用20Cr制造，球头杆采用32Cr3MoV表面氮化后获得。
上述的外包自收口的钢结构接头的制造方法中，钢基体采用30CrMnSi制造，球头杆采用12CrNi3表面渗碳、淬火并低温回火后获得。
上述的外包自收口的钢结构接头的制造方法中，固体滑膜涂层材料是银、硫化铁、二硫化钼中的任意一种。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：(1)本发明通过收口并包套，实现了允许原位旋转、防止轴向拉脱的功能性结构，并通过固化滑膜层的设置和圆弧环面的加工加强了这种结构的适用性和实用性，提升了使用寿命并降低了滑阻，同时还提升了接头的紧合程度。(2)本发明的结构设计是十分优秀与合理的，常规的物理收口技术中，是没有办法在内球面上集成完整、连续的固体滑膜的，这是由于常规技术中的收口(实际上应用的也极少)仅仅只是变形上端面外侧的边翼区域，使其向内包套，抓紧力也仅仅依靠小小边翼区域的钢结构支撑，更重要的是这种结构，有很大的内弧球面接近与轴线平行(与水平面垂直)，甚至还会被端得的边翼阻挡，对于直线型的沉积方式(如激光熔覆、超音速火焰喷涂等)，是无法实现的，本发明通过合理的工艺设计，极大地提升了变形区域的体积，使得提供抓紧加的钢结构体积大大增加，抗拉脱力更强，同时使未收口的内弧球面倾角增大，也没有物理阻挡，可以简单实现功能层的熔覆，极大地增强接头处的性能和使用寿命。(3)本发明优选的三种匹配材料都是现有摩擦副研究中较为合理的配对，且都是较低成本的材料，易于处理且易于实现，即使在固体滑膜脱落或失效的情况下，这样合理地配副也能保证本发明在一定时间段内正常运行。(4)本发明后续的热处理也是进一步促使变形区域金相组织稳定、转化完全，最后的低温热处理一方面有去应力的作用，另一方面还能稳定化金相组织(淬火马氏体转变为回火马氏体)，极大地提升了接头处钢基体强度。因此本发明的钢结构接头具有允许原位旋转、防止轴向拉脱、自收口、安装简单、结构稳定的特性。
附图说明
图1是本发明安装完成后的结构示意图；
图2是本发明安装前的结构示意图。
图中：钢基体1、退刀槽2、球头杆3、固体滑膜层4、筒状收口工装5。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2所示的一种外包自收口的钢结构接头的制造方法，包括以下阶段：
1)制造前准备
①原材料准备：准备10#钢钢坯、GCr6淬火并低温回火后获得的球头杆3、足量银粉；
②工装准备：准备与最终设计钢基体形状相适应的上端开口且开口处由外及里设置有分别呈30°、20°和10°锥面的筒状收口工装5、准备与最终设计钢基体外圆相适应的高频感应工装、准备与最终设计钢基体内圆弧相适应的膜层涂覆工装；
③设备准备：准备激光熔覆设备、液压装置、烘箱、高频感应装置；
2)钢基体1加工
①将阶段1)步骤①准备的钢坯加工成下端圆柱上端倒锥筒且锥面相对于轴线斜度为30°的两段式结构，为初始钢结构；
②以步骤①获得的初始钢结构上端面中心为基点垂直向下钻锥孔，锥孔顶端角度为60°，孔尖钻至下端圆柱面顶端所处水平面时停止，获得中开孔钢结构；
③在步骤②获得的中开孔钢结构的中间锥孔面上，在靠近锥孔面下端位于距端面长度3/4的位置，以阶段1)步骤①准备的球头杆3的球头半径为加工半径、以锥孔面与端面交接处的圆环为垂直截面的圆心，加工出一圈弧形环面，获得预制基体结构；
④以锥孔尖端所在平面为基准，以加工退刀槽的工艺方法加工出深度与剩余锥面长度相等的退刀槽2，获得所需钢基体1；
3)预处理
①将阶段2)获得的钢基体1采用阶段1)步骤②准备的膜层涂覆工装保护并固定好，以阶段1)步骤②准备的固体滑膜涂层材料为原材料，采用激光熔覆设备对阶段2)步骤③获得的弧形环面进行激光涂覆固体滑膜处理，在弧形环面上固化一层厚度0.2mm的固体滑膜层4，获得预处理钢基体1；
4)收口包套
①将阶段1)步骤①准备的球头杆3、阶段3)获得的预处理钢基体1、阶段1)步骤②准备的筒状收口工装5从上至下同轴固定，采用阶段1)步骤③准备的液压装置持续施加垂直压紧力，至球头杆3、预处理钢基体1移动至完全收口并固定，获得收口包套钢结构接头；
②将步骤①获得的收口包套钢结构的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至原钢基体1变形区域被加热至钢材料的AC3温度以上50℃，然后停止加热并静置至变形结束，获得稳定化钢结构接头；
③重复步骤①-②3次，获得固化钢结构接头；
5)后处理
①将阶段4)获得的固化钢结构接头的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至钢基体1整体被加热至钢材料的AC3温度以上50℃，然后淬水至温度稳定，采用阶段1)步骤③准备的烘箱将淬水的固化钢结构接头采用240℃温度、3h时间进行回火处理，获得强化钢结构，该强化钢结构即为所需外包自收口的钢结构接头。
实施例2：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
1)制造前准备
①原材料准备：准备20Cr钢坯、32Cr3MoV表面氮化后获得的球头杆3、足量硫化铁粉；
2)钢基体1加工
③在步骤②获得的中开孔钢结构的中间锥孔面上，在靠近锥孔面下端位于距端面长度2/3的位置，以阶段1)步骤①准备的球头杆3的球头半径为加工半径、以锥孔面与端面交接处的圆环为垂直截面的圆心，加工出一圈弧形环面，获得预制基体结构；
3)预处理
①将阶段2)获得的钢基体1采用阶段1)步骤②准备的膜层涂覆工装保护并固定好，以阶段1)步骤②准备的固体滑膜涂层材料为原材料，采用激光熔覆设备对阶段2)步骤③获得的弧形环面进行激光涂覆固体滑膜处理，在弧形环面上固化一层厚度0.08mm的固体滑膜层4，获得预处理钢基体1；
4)收口包套
②将步骤①获得的收口包套钢结构的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至原钢基体1变形区域被加热至钢材料的AC3温度以上30℃，然后停止加热并静置至变形结束，获得稳定化钢结构接头；
③重复步骤①-②2次，获得固化钢结构接头；
5)后处理
①将阶段4)获得的固化钢结构接头的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至钢基体1整体被加热至钢材料的AC3温度以上30℃，然后淬水至温度稳定，采用阶段1)步骤③准备的烘箱将淬水的固化钢结构接头采用200℃温度、2h时间进行回火处理，获得强化钢结构，该强化钢结构即为所需外包自收口的钢结构接头。
实施例3：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
1)制造前准备
①原材料准备：准备30CrMnSi钢坯，12CrNi3表面渗碳、淬火并低温回火后获得的球头杆3、足量二硫化钼粉末；
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种外包自收口的钢结构接头的制造方法，其特征在于包括以下阶段：
1)制造前准备
①原材料准备：准备含碳量不高于0.3％的钢坯、球面硬度不低于50HRC的球头杆(3)、足量固体滑膜涂层材料；
②工装准备：准备与最终设计钢基体形状相适应的上端开口且开口处由外及里设置有分别呈30°、20°和10°锥面的筒状收口工装(5)、准备与最终设计钢基体外圆相适应的高频感应工装、准备与最终设计钢基体内圆弧相适应的膜层涂覆工装；
③设备准备：准备激光熔覆设备、液压装置、烘箱、高频感应装置；
2)钢基体(1)加工
①将阶段1)步骤①准备的钢坯加工成下端圆柱上端倒锥筒且锥面相对于轴线斜度为30°的两段式结构，为初始钢结构；
②以步骤①获得的初始钢结构上端面中心为基点垂直向下钻锥孔，锥孔顶端角度为60°，孔尖钻至下端圆柱面顶端所处水平面时停止，获得中开孔钢结构；
③在步骤②获得的中开孔钢结构的中间锥孔面上，在靠近锥孔面下端位于距端面长度2/3-3/4的位置，以阶段1)步骤①准备的球头杆(3)的球头半径为加工半径、以锥孔面与端面交接处的圆环为垂直截面的圆心，加工出一圈弧形环面，获得预制基体结构；
④以锥孔尖端所在平面为基准，以加工退刀槽的工艺方法加工出深度与剩余锥面长度相等的退刀槽(2)，获得所需钢基体(1)；
3)预处理
①将阶段2)获得的钢基体(1)采用阶段1)步骤②准备的膜层涂覆工装保护并固定好，以阶段1)步骤②准备的固体滑膜涂层材料为原材料，采用激光熔覆设备对阶段2)步骤③获得的弧形环面进行激光涂覆固体滑膜处理，在弧形环面上固化一层厚度0.08mm-0.2mm的固体滑膜层(4)，获得预处理钢基体(1)；
4)收口包套
①将阶段1)步骤①准备的球头杆(3)、阶段3)获得的预处理钢基体(1)、阶段1)步骤②准备的筒状收口工装(5)从上至下同轴固定，采用阶段1)步骤③准备的液压装置持续施加垂直压紧力，至球头杆(3)、预处理钢基体(1)移动至完全收口并固定，获得收口包套钢结构接头；
②将步骤①获得的收口包套钢结构的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至原钢基体(1)变形区域被加热至钢材料的AC3温度以上30℃-50℃，然后停止加热并静置至变形结束，获得稳定化钢结构接头；
③重复步骤①-②2次-3次，获得固化钢结构接头；
5)后处理
①将阶段4)获得的固化钢结构接头的外圆置于高频感应工装中，采用阶段1)步骤③准备的高频感应装置进行感应加热，至钢基体(1)整体被加热至钢材料的AC3温度以上30℃-50℃，然后淬水至温度稳定，采用阶段1)步骤③准备的烘箱将淬水的固化钢结构接头采用200℃-240℃温度、2h-3h时间进行回火处理，获得强化钢结构，该强化钢结构即为所需外包自收口的钢结构接头。
2.根据权利要求1所述的外包自收口的钢结构接头的制造方法，其特征在于：钢基体(1)采用10#钢制造，球头杆(3)采用GCr6淬火并低温回火后获得。
3.根据权利要求1所述的外包自收口的钢结构接头的制造方法，其特征在于：钢基体(1)采用20Cr制造，球头杆(3)采用32Cr3MoV表面氮化后获得。
4.根据权利要求1所述的外包自收口的钢结构接头的制造方法，其特征在于：钢基体(1)采用30CrMnSi制造，球头杆(3)采用12CrNi3表面渗碳、淬火并低温回火后获得。
5.根据权利要求1所述的外包自收口的钢结构接头的制造方法，其特征在于：固体滑膜涂层材料是银、硫化铁、二硫化钼中的任意一种。
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