CN107654450A - 一种喉箍式的形状记忆合金紧固件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，包括有至少一个箍圈和连接箍圈两端的固定块，所述箍圈由具有形状记忆效应的材料制成且所述箍圈上不设有卡孔。本发明还进一步提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的制备及其使用方法。本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，借助形状记忆合金超高的可恢复应变、高回复力值和优异的耐腐蚀性，通过预拉伸扩径和热激发紧缩回复两个步骤达到软硬管连接紧固的目的，其不仅安全可靠，而且结构简单，操作方便，同时应用范围极广，适用于任意口径的软硬管连接应用。
Description
技术领域
本发明属于连接件的技术领域，涉及一种形状记忆合金紧固件，具体涉及一种喉箍式的形状记忆合金紧固件及其使用方法。
背景技术
喉箍(胶管卡子)，也称为卡箍，是用于软硬管连接的紧固件，广泛用于汽车、拖拉机、叉车、机车、船舶、矿山、石油、化工、制药、农业等诸多领域，是理想的连接紧固件。传统使用的不锈钢喉箍采用透孔工艺，需要具备适用范围广、抗扭耐压、扭转力矩均衡等特点，达到锁紧牢固，严密的要求。
在软硬管连接应用中，也存在一些不便之处。喉箍通常采用开放式内外圈结构并用螺栓紧固，当喉箍应用于小直径软硬管连接时会出现死角，产生液体和气体的泄漏问题。一般来说，目前市场上的喉箍主要适用于30mm以上的软硬管连接。
此外，高质量的喉箍对材质本身的要求非常高，箍圈材料一般需要具备一定的耐腐蚀性，并设有多个卡孔进行固定，同时要求强度高、弹性好，对于加工也具有很高的要求，不能出现缺口、毛刺，防止在载荷作用下发生应力集中导致断裂；由于采用螺栓式紧固，对于螺母和螺栓的材质耐磨性和加工精度都要求很高。喉箍的结构较为复杂，特别是使用小型喉箍紧固小口径管体的操作过程较为复杂，实际干涉量不易控制，对操作人员提出较高的要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，用于解决现有技术中缺乏无需卡孔、紧固力值高、安全可靠、结构简单、操作方便、应用范围广、适用于任意口径的软硬管连接应用的紧固件的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，包括有至少一个箍圈和连接箍圈两端的固定块，所述箍圈由具有形状记忆效应的材料制成且所述箍圈上不设有卡孔。
优选地，所述箍圈为环状的扁平带圈或线圈。
优选地，所述固定块的材质选自不锈钢或铜合金中的一种。
优选地，所述固定块与箍圈之间的连接方式选自铆接、焊接、扣式固定中的一种。
更优选地，针对标准尺寸的紧固对象，所述固定块与箍圈之间的连接方式选自铆接、焊接中的一种；针对非标准尺寸的紧固对象，所述固定块与箍圈之间的连接方式为扣式固定。
所述铆接为将固定块与箍圈两端通过铆钉连接为一体。所述焊接为将固定块与箍圈两端通过焊接为一体。所述扣式固定为固定块与箍圈一端相连接为一体，固定块与箍圈另一端通过铆接方式进行连接，这种连接方式对一些非标管体的连接固定具有重要价值。
优选地，所述箍圈的直径与紧固对象的外径相匹配。即在实际使用时，针对标准尺寸的紧固对象，选取通过铆接或焊接方式连接为一体的固定块与箍圈，并使箍圈的直径与紧固对象的外径相同，对紧固对象进行固定；针对非标准尺寸的紧固对象，选取通过扣式固定方式连接的固定块与箍圈，根据紧固对象的实际外径，调节箍圈的直径与紧固对象的外径相同，对紧固对象进行固定。
优选地，所述具有形状记忆效应的材料为形状记忆合金。
更优选地，所述形状记忆合金选自钛镍合金(TiNi)、钛镍锆合金(TiNiZr)、钛镍铪合金(TiNiHf)、钛镍铁合金(TiNiFe)、钛镍铜合金(TiNiCu)、铜铝锰合金(CuAlMn)、铜铝镍合金(CuAlNi)、铜锌铝合金(CuZnAl)、铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)、铁镍钴铝合金(FeNiCoAl)、铁锰硅合金(FeMnSi)中一种。
进一步优选地，所述形状记忆合金选自钛镍合金(TiNi)或铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)中的一种。
更进一步优选地，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：
钛 44％；
镍 56％。
更进一步优选地，所述铁镍钴钛合金，按质量百分比计，包括以下组分：
铁 55％；
镍 31％；
钴 10％；
钛 4％。
更优选地，所述形状记忆合金外还包裹有高弹性塑料。所述具有形状记忆效应的材料可为形状记忆合金，也可为由高弹性塑料包裹在形状记忆合金外的复合材料。
进一步优选地，所述高弹性塑料为聚四氟乙烯。
本发明第二方面提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的制备方法，将箍圈与固定块相连接，并对箍圈通过应力时效方式进行处理，从而使箍圈具有形状记忆效应。
优选地，所述应力时效方式的处理条件为：在300～400℃中温时效3～5小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加300～500MPa应力。所述应力时效方式能够使箍圈中的形状记忆合金析出弥散的具有择优取向的Ni4Ti3沉淀相，这种组织赋予形状记忆合金双程形状记忆效应，不但提高材料的强度和箍紧力度，同时方便拆卸，即通过降温至马氏体相变温度以下，箍圈直径会再次放大，达到拆卸的目的。
本发明第三方面提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的使用方法，包括以下步骤：
1)按照所需紧固对象，选择具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈的初始尺寸与紧固对象所需紧固区域的尺寸相同；
2)对所述箍圈进行预拉伸，使箍圈尺寸大于紧固对象所需紧固区域的尺寸，将箍圈套在紧固对象所需紧固区域外，卸载；
3)对箍圈进行加热，通过热激发促使具有形状记忆效应的箍圈回复到初始尺寸，使箍圈固定紧固对象所需紧固区域。
优选地，步骤1)中，所述具有形状记忆效应的箍圈要通过应力时效方式进行处理，所述应力时效方式的处理条件为：在300～400℃中温时效3～5小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加300～500MPa应力。
优选地，步骤2)中，所述预拉伸的拉伸比例为5～9％。更优选地，所述预拉伸的拉伸比例为8％。
优选地，步骤2)中，所述预拉伸为加载荷应力。所述卸载为去除应力载荷。
优选地，步骤3)中，所述加热方式选自热水浇注加热、电阻加热、感应加热中的一种。
更优选地，所述加热方式为热水浇注加热。所述热水浇注加热为将热水浇注在具有形状记忆效应的箍圈上，使箍圈回复到初始尺寸。所述热水浇注加热适用于动作温度低于100度的形状记忆合金材料。
优选地，步骤3)中，所述加热的温度为70～100℃。更优选地，所述加热的温度为70℃。
如上所述，本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，借助形状记忆合金超高的可恢复应变、高回复力值和优异的耐腐蚀性，通过预拉伸扩径和热激发紧缩回复两个步骤达到软硬管连接紧固的目的。具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，结构简单，箍圈不需要的卡孔设计，使用无孔的带材或者线材即可。
(2)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，相比传统喉箍使用螺栓螺母、手工加载荷来紧固管接口，其可以不需使用螺母，仅通过加热利用自身的回复力进行紧固，箍圈两端使用永久固定，不存在传统喉箍螺栓螺母的损耗问题。
(3)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，针对传统喉箍难以用于小尺寸管体紧固的局限，其应用范围广泛，适用于各种型号和环境下的任意口径的软硬管连接紧固。
(4)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，通过加热利用自身的回复力进行紧固，不使用人力加载，操作更加简单，紧固力值高，而且在一定范围内可控，保证连接器件的安全可靠。
(5)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，可使用多圈环绕复合加载方式，其箍圈圈数可以调节，通过调节箍圈圈数可以提高紧固力值，大大提高紧固效果。
(6)本发明提供的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，与其它“形状记忆管接头”相比，预拉伸方式非常简单，不需要特殊设备，操作方便。
附图说明
图1显示为本发明的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的结构的正面示意图。
图2显示为本发明的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的结构的侧面示意图。
图3显示为本发明的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的工作流程示意图3a、3b、3c，其中，图3a为初始状态，图3b为预拉伸状态，图3c为热激发状态。
附图标记
1 箍圈
2 固定块
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1-3所示，本发明提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，包括有至少一个箍圈和连接箍圈两端的固定块，所述箍圈由具有形状记忆效应的材料制成且所述箍圈上不设有卡孔。
在一个优选的实施例中，如图1-3所示，所述箍圈为环状的扁平带圈或线圈。
在一个优选的实施例中，所述固定块的材质选自不锈钢或铜合金中的一种。
在一个优选的实施例中，所述固定块与箍圈之间的连接方式选自铆接、焊接、扣式固定中的一种。所述铆接为将固定块与箍圈两端通过铆钉连接为一体。所述焊接为将固定块与箍圈两端通过焊接为一体。所述扣式固定为固定块与箍圈一端相连接为一体，固定块与箍圈另一端通过铆接方式进行连接，这种连接方式对一些非标管体的连接固定具有重要价值
进一步地，针对标准尺寸的紧固对象，所述固定块与箍圈之间的连接方式选自铆接、焊接中的一种；针对非标准尺寸的紧固对象，所述固定块与箍圈之间的连接方式为扣式固定。
在一个优选的实施例中，所述箍圈的直径与紧固对象的外径相匹配。即在实际使用时，针对标准尺寸的紧固对象，选取通过铆接或焊接方式连接为一体的固定块与箍圈，并使箍圈的直径与紧固对象的外径相同，对紧固对象进行固定；针对非标准尺寸的紧固对象，选取通过扣式固定方式连接的固定块与箍圈，根据紧固对象的实际外径，调节箍圈的直径与紧固对象的外径相同，对紧固对象进行固定。
在一个优选的实施例中，所述具有形状记忆效应的材料为形状记忆合金。
进一步地，所述形状记忆合金选自钛镍合金(TiNi)、钛镍锆合金(TiNiZr)、钛镍铪合金(TiNiHf)、钛镍铁合金(TiNiFe)、钛镍铜合金(TiNiCu)、铜铝锰合金(CuAlMn)、铜铝镍合金(CuAlNi)、铜锌铝合金(CuZnAl)、铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)、铁镍钴铝合金(FeNiCoAl)、铁锰硅合金(FeMnSi)中一种。
更进一步地，所述形状记忆合金选自钛镍合金(TiNi)或铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)中的一种。其中，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：钛44％；镍56％。所述铁镍钴钛合金，按质量百分比计，包括以下组分：铁55％；镍31％；钴10％；钛4％。
进一步地，所述形状记忆合金外还包裹有高弹性塑料。所述具有形状记忆效应的材料可为形状记忆合金，也可为由高弹性塑料包裹在形状记忆合金外的复合材料。所述高弹性塑料为聚四氟乙烯。
如图1-2所示，本发明还提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的制备方法，将箍圈与固定块相连接，并对箍圈通过应力时效方式进行处理，从而使箍圈具有形状记忆效应。
其中，所述应力时效方式的处理条件为：在300～400℃中温时效3～5小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加300～500MPa应力。
如图3所示，本发明还提供一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的使用方法，包括以下步骤：
1)按照所需紧固对象，选择具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈的初始尺寸与紧固对象所需紧固区域的尺寸相同；
2)对所述箍圈进行预拉伸，使箍圈尺寸大于紧固对象所需紧固区域的尺寸，将箍圈套在紧固对象所需紧固区域外，卸载；
3)对箍圈进行加热，通过热激发促使具有形状记忆效应的箍圈回复到初始尺寸，使箍圈固定紧固对象所需紧固区域。
其中，所述预拉伸的拉伸比例为5～9％，优选为8％。所述加热方式选自热水浇注加热、电阻加热、感应加热中的一种。所述加热的温度为70～100℃，优选为70℃。
实施例1
针对所需紧固对象-软硬管，进行实际的使用效果观察。选择的塑料硬管为标准尺寸的紧固对象，其外径为20mm，塑料软管的壁厚为0.8mm。在软管外套上硬管后，软管的壁厚略微降低，软硬管的连接处外径约为21.2mm，其周长约为66.5mm。
选择相匹配的具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈材料选用钛镍合金，其按质量百分比计，钛44％，镍56％，逆相变温度为40℃。将箍圈进行应力时效处理，在350℃中温时效4小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加400MPa应力。箍圈厚度为0.5mm，宽度3mm，初始长度为63mm，与硬管的外圈周长一致。箍圈两端使用铆接方式固定。首先，对箍圈进行预拉伸，拉伸比例为8％，箍圈长度达到为68mm，卸载后，箍圈长度为67.2mm，略大于软硬管的连接处的外径周长。然后，将箍圈套在软硬管的连接处。最后，将70℃的热水浇注在箍圈上，使箍圈回复到初始尺寸，达到软硬管连接处紧固的目的。
对软硬管连接处进行紧固的箍圈进行性能测试，该处紧固力值达到150MPa，远高于喉箍的紧固力值输出，可以保证连接器件的安全可靠。同时，采用形状记忆合金材料制成的箍圈对氢容忍度可达到数百个ppm。
实施例2
针对所需紧固对象-软硬管，进行实际的使用效果观察。选择的塑料硬管为标准尺寸的紧固对象，选择与紧固对象-软硬管相匹配的具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈材料选用钛镍合金，其按质量百分比计，钛44％，镍56％，其逆相变温度为40℃。将箍圈进行应力时效处理，在300℃中温时效5小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加500MPa应力。箍圈两端使用焊接方式固定。首先，对箍圈进行预拉伸，拉伸比例为5％，卸载后，略大于软硬管的连接处的外径周长。然后，将箍圈套在软硬管的连接处。最后，将100℃的热水浇注在箍圈上，使箍圈回复到初始尺寸，达到软硬管连接处紧固的目的。
对软硬管连接处进行紧固的箍圈进行性能测试，该处紧固力值远高于喉箍的紧固力值输出，可以保证连接器件的安全可靠。同时，采用形状记忆合金材料制成的箍圈对氢容忍度可达到数百个ppm。
实施例3
针对所需紧固对象-软硬管，进行实际的使用效果观察。选择的塑料硬管为非标准尺寸的紧固对象，选择与紧固对象-软硬管相匹配的具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈材料选用形状记忆合金与高弹性塑料编制而成的复合材料，高弹性塑料包裹在形状记忆合金外，形状记忆合金为铁镍钴钛合金，其按质量百分比计，铁55％；镍31％；钴10％；钛4％。将箍圈进行应力时效处理，在400℃中温时效3小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加300MPa应力。箍圈通过扣式固定方式固定。首先，对箍圈进行预拉伸，拉伸比例为9％，卸载后，略大于软硬管的连接处的外径周长。然后，将箍圈套在软硬管的连接处。最后，将90℃的热水浇注在箍圈上，使箍圈回复到初始尺寸，达到软硬管连接处紧固的目的。
对软硬管连接处进行紧固的箍圈进行性能测试，该处紧固力值远高于喉箍的紧固力值输出，可以保证连接器件的安全可靠。同时，采用形状记忆合金与高弹性塑料编制而成的复合材料制成的箍圈对氢容忍度可达到数百个ppm。
对比例1
取常规的采用螺栓连接的普通喉箍式紧固件，箍圈采用不锈钢材料加工而成，箍圈上需要有多个卡孔设计，将普通喉箍式紧固件套在大尺寸的管体连接处，通过手工加载荷经螺栓螺母连接，来紧固管接口。普通喉箍式紧固件，能够提供的力值与型号尺寸相关，且只能用于较大尺寸的管体，即常规适用管体外径大于30mm。经过测定，在手工加载荷紧固方式下，普通喉箍式紧固件的紧固力值不超过40MPa。同时，采用不锈钢材料制成的箍圈对氢容忍度不高于2ppm。
将实施例1中使用的喉箍式紧固件，与对比例1中使用的普通喉箍式紧固件进行比较可知，本发明中的采用形状记忆合金作为材料制备的喉箍式紧固件，其紧固力值远远大于普通喉箍式紧固件，加工方式和操作都更加简便、可靠。
此外，对比例1中使用的普通喉箍式紧固件使用不锈钢材料加工而成，能够满足常规环境的使用需求，但是在特殊环境，比如海洋、酸液等富氢环境下工作时，其氢容忍度不高于2ppm，容易受到腐蚀或因氢脆现象而导致破坏。而实施例1中选用形状记忆合金如Ti基作为箍圈材料，其耐腐蚀性能特别优异，可以适应各种环境包括海洋、酸液等富氢环境，其氢容忍度可达到数百个ppm，在舰船、潜艇等应用场景具有非常突出的优势。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，其特征在于，包括有至少一个箍圈和连接箍圈两端的固定块，所述箍圈由具有形状记忆效应的材料制成且所述箍圈上不设有卡孔。
2.根据权利要求1所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，其特征在于，所述固定块与箍圈之间的连接方式选自铆接、焊接、扣式固定中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，其特征在于，所述具有形状记忆效应的材料为形状记忆合金。
4.根据权利要求3所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，其特征在于，所述形状记忆合金选自钛镍合金、钛镍锆合金、钛镍铪合金、钛镍铁合金、钛镍铜合金、铜铝锰合金、铜铝镍合金、铜锌铝合金、铁镍钴钛合金、铁镍钴铝合金、铁锰硅合金中一种。
5.根据权利要求3所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件，其特征在于，所述形状记忆合金外还包裹有高弹性塑料，所述高弹性塑料为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的制备方法，将箍圈与固定块相连接，并对箍圈通过应力时效方式进行处理，从而使箍圈具有形状记忆效应。
7.根据权利要求6所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的制备方法，其特征在于，所述应力时效方式的处理条件为：在300～400℃中温时效3～5小时，时效同时在平行于箍圈环状方向施加300～500MPa应力。
8.根据权利要求1-5任一所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的使用方法，包括以下步骤：
1)按照所需紧固对象，选择具有形状记忆效应的箍圈的紧固件，箍圈的初始尺寸与紧固对象所需紧固区域的尺寸相同；
2)对所述箍圈进行预拉伸，使箍圈尺寸大于紧固对象所需紧固区域的尺寸，将箍圈套在紧固对象所需紧固区域外，卸载；
3)对箍圈进行加热，通过热激发促使具有形状记忆效应的箍圈回复到初始尺寸，使箍圈固定紧固对象所需紧固区域。
9.根据权利要求8所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的使用方法，其特征在于，步骤2)中，所述预拉伸的拉伸比例为5～9％。
10.根据权利要求8所述的一种喉箍式的形状记忆合金紧固件的使用方法，其特征在于，步骤3)中，所述加热方式选自热水浇注加热、电阻加热、感应加热中的一种；所述加热的温度为70～100℃。
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