CN109204684A - 一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法，属于船舶分段建造技术领域和绝缘连接技术领域，该方法可以解决钛合金与船体钢结构的连接问题。具体为：将氯丁橡胶板及聚氯乙烯板粘贴在钢法兰及钛法兰上形成密封的三明治式夹层，然后在所有法兰孔内定向安装钢制螺栓并紧固，得到尺寸稳定整体，最后将结构间的钢制螺栓替换成复合材料模压套筒和不锈钢螺栓组件，得到钢法兰及钛法兰间高绝缘密封软接口结构。本发明制得的软接口结构具有优异的绝缘性能，而且密封性高，可以有效地提升钛合金球鼻艏的使用寿命。

Description

一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法
技术领域
本发明属于船舶建造技术领域和绝缘连接技术领域，具体涉及一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法。
背景技术
球鼻艏作为舰船减少阻力的重要装置，尤其在军用舰船上的应用十分广泛。国内外大部分球鼻艏都是用玻璃钢等复合材料来制作球鼻艏，连接方法较为单一。随着舰船建造高集成的趋势，后期军用舰船的球鼻艏内部将会集成一些声学设备。钛合金具有优异的透波性、机械性能及耐蚀性，是极其适合作为球鼻艏建造材料，钛合金作为新型舰船球鼻艏建造材料已经得到应用，而随着国家对海军投入日益增加，该项技术将会得到更大应用。
而由于钛与钢的物理和结晶化学性能差异巨大，直接连接时接头性能差，且钛合金与船体钢结构之间的连接会产生电化学反应，严重影响钛合金的使用寿命。所以要解决连接后的绝缘问题，必须处理好连接材料定型环节；同时采取螺栓连接形式进行结构间的紧固，以及根据材料特性对工艺的步骤进行更合理的设计。
中国专利号CN101284336A公开了一种钛合金与钢焊接的氩弧焊-钎弧焊复合焊接方法。该发明提出使用Nb作为中间层，利用熔焊和钎焊分别对Nb和钛合金和钢两种母材焊接的办法，阻隔了两种母材中钛和铁的直接接触，避免了钛合金和钢直接焊接时形成脆性相从而造成裂纹。其特征在于采用锰含量20%-30%、镍含量4%-22%、余量为铜的铜锰镍钎料以及锰含量20%-30%、钴含量4%-10%、余量为铜的铜锰钴钎料两种铜锰基钎料，从连接形式来看，该方法很难适用于船舶建造领域。
相比以上专利，本发明所涉及的制作方法，是通过使用高分子复合材料，采用螺栓连接的形式对钛结构和钢结构进行连接。工艺相对简单，已于操作，而且所制作的软接口结构尺寸及性能稳定，钢法兰和钛法兰间的电阻可达到5MΩ以上，可在0.175MPa下保持结构密性，并且具有较高的工艺可设计性，可根据法兰孔尺寸要求进行工艺的相应调整，这样可以使得该法所制作的连接部分能够满足更多船型的使用需要。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法，该方法制作的钛合金结构和钢结构间的软接口具有优异的电绝缘性及密封性。
本发明解决技术问题采取以下技术方案：
本发明提供的船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法，包括以下步骤：
（1）钢法兰与钛法兰间的三明治式夹层结构制作：
将两层4mm厚氯丁橡胶板通过分别粘贴在钢法兰及钛法兰上，再将10mm厚聚氯乙烯板粘贴在钢法兰侧的氯丁橡胶板上，根据法兰孔孔径进行氯丁橡胶板及聚氯乙烯板的冲孔；在聚氯乙烯板上涂覆密封胶1小时内，进行钢结构和钛合金结构的装配，在钛法兰和钢法兰之间形成一个三明治式夹层结构；
（2）高绝缘性及密封性的软接口结构制作：
在完成结构装配后，将每个法兰孔安装钢制螺栓，安装完成后对螺栓进行紧固，静置48小时后，将螺栓进行二次紧固，紧固完成后，静置24小时；然后在干燥条件下，将螺栓进行拆除，在法兰孔的两侧粘贴复合材料模压套筒，最后将不锈钢螺栓从钢法兰侧插入到每个法兰孔内并紧固。
所述的密封胶黏剂可以为单组份有机硅酮密封胶，型号为DC 7091，施工的胶层厚度在1-2mm之间，该密封胶为固态，固化后形成具有挠性的弹体，拥有较高的界面相容性。
本方法可以采用硫化后的氯丁橡胶板，邵氏硬度≥60，拉伸强度≥10MPa，扯断伸长率≥350%。
本方法可以采用硬质聚氯乙烯板，拉伸强度≥40MPa，压缩强度≥70MPa，冲击强度≥8KJ/㎡。
本方法可以采用不饱和聚酯团状模塑料（BMC）成型工艺制作复合材料模压套筒，酚醛树脂、短切玻璃纤维、对甲苯磺酰胺的质量比为（30%-40%）：（45%-60%）：（12%-15%），在洛氏硬度不低于HRC50的模具内以不小于300T的合模力进行模压成型。所制备的复合材料模压套筒弯曲强度≥120MPa，冲击强度≥45MPa，压缩强度≥120MPa，体积电阻率≥1.0×1010Ω·cm。
所述的螺栓在法兰板的紧固顺序是由法兰板中间法兰孔的螺栓向两端紧固，由法兰板外侧法兰孔的螺栓向内侧紧固。
所述的预紧力矩计算公式为：
T=F×L=0.2Qpd
式中，T为预紧力矩，d为螺栓的公称直径，Qp为螺栓的预紧力。
Qp=4σ1πd2
式中，σ1为螺栓预紧力产生的拉应力。
本发明同现有技术相比，具有以下主要的优点和有益效果：
1.首次采用高分子材料作为连接材料来进行钛合金和钢结构的连接，阻绝了钛钢之间发生电化学反应，提升了钛合金的使用寿命；
2.采取分段式制作工艺，根据氯丁橡胶的回弹性和硅酮密封胶的固化时间来精确控制各段施工时间；
3.所制得的钛法兰和钢法兰间的软接口具有优异的优异的电绝缘性（最高达11 MΩ）及密封性（可在0.175MPa下保持结构密性），使其可以在船舶钢结构和钛合金连接领域得到广泛应用。
附图说明
图1为该连接方法的示意图。
图中：101-钢法兰，102 -钛法兰，201-复合材料模压套筒，202-改性氯丁橡胶板，203-聚氯乙烯板，204-硅酮密封胶层，301-不锈钢螺栓，302-垫片，303-螺母。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施实例。
如附图1所示，一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法，包括：复合材料模压套筒、聚氯乙烯板、硫化氯丁橡胶板、钢制螺栓组件、不锈钢螺栓组件以及硅酮密封胶。所述连接部分包括：钢法兰101、钛法兰102、复合材料模压套筒201、改性氯丁橡胶板202、聚氯乙烯板203、硅酮密封胶204、不锈钢螺栓301、垫片302、螺母303等部件。
步骤一：在进行施工时，聚氯乙烯板203按照法兰板大小进行放样下料，每块聚氯乙烯板203预设不小于30mm的加工余量，确定好每个螺栓孔对应在聚氯乙烯板203的位置，用专业钻孔设备进行聚氯乙烯板203的钻孔。改性氯丁橡胶板202按照法兰模板大小进行放样下料，每块改性氯丁橡胶板202预设不小于30mm的加工余量，用硅酮密封胶204将改性氯丁橡胶板202分别粘贴在钛法兰102及钢法兰101上，氯丁橡胶板202粘贴到钛法兰102及钢法兰101上48小时后进行法兰孔冲孔。用硅酮密封胶204将聚氯乙烯板203粘贴在钢法兰101一侧的改性氯丁橡胶板202上，将硅酮密封胶204均匀涂覆在聚氯乙烯板203待连接一侧后，钢结构与钛结构装配。
步骤二：对接完成后，安装钢制螺栓至所有螺栓孔并进行预紧，螺栓预紧力为470N·m。静置48小时后，对螺栓进行二次紧固。继续静置48小时后，用不锈钢螺栓301、垫片302、螺母303及复合材料模压套筒201对钢制螺栓进行置换，置换完毕后将不锈钢螺栓301进行紧固，所使用的螺栓公称直径d为24mm，选用材料屈服强度为410MPa，根据预紧力矩计算公式计算紧固力矩为470N·m。
对上述实例所得产品的电阻率按GB（国标）进行了多点测试，测试结果如表1所示：
表1
测试点 1 2 3 4 5 6
电阻率（MΩ） 7.85 8.21 8.68 7.64 8.87 7.32
对上述实例所得产品的密封性按照水密试验方法进行测试，无任何泄漏点。
以上所描述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种船用钢结构和钛合金的绝缘密封连接方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）钢法兰与钛法兰间的三明治式夹层结构制作：
将两层4mm厚氯丁橡胶板通过分别粘贴在钢法兰及钛法兰上，再将10mm厚聚氯乙烯板粘贴在钢法兰侧的氯丁橡胶板上，根据法兰孔孔径进行氯丁橡胶板及聚氯乙烯板的冲孔；在聚氯乙烯板上涂覆密封胶1小时内，进行钢结构和钛合金结构的装配，在钛法兰和钢法兰之间形成一个三明治式夹层结构；
（2）高绝缘性及密封性的软接口结构制作：
在完成结构装配后，将每个法兰孔安装钢制螺栓，安装完成后对螺栓进行紧固，静置48小时后，将螺栓进行二次紧固，紧固完成后，静置24小时；然后在干燥条件下，将螺栓进行拆除，在法兰孔的两侧粘贴复合材料模压套筒，最后将不锈钢螺栓从钢法兰侧插入到每个法兰孔内并紧固。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于诉述的密封胶黏剂为单组份有机硅酮密封胶，型号为DC 7091。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于密封胶胶层的平均厚度为1～2mm。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于采用硫化后的氯丁橡胶板，邵氏硬度不低于60。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于采用硬质聚氯乙烯板，压缩强度不低于70MPa。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于采用不饱和聚酯团状模塑料（BMC）成型工艺制作复合材料模压套筒，酚醛树脂、短切玻璃纤维、对甲苯磺酰胺的质量比为（30%-40%）：（45%-60%）：（12%-15%），在洛氏硬度不低于HRC50的模具内以不小于300T的合模力进行模压成型。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于螺栓在法兰板的紧固顺序：螺栓的紧固顺序是由法兰板中间法兰孔的螺栓向两端紧固，由法兰板外侧法兰孔的螺栓向内侧紧固。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于螺栓预紧力矩的确定方法：预紧力矩计算公式为：
T=F×L=0.2Qpd
式中，T为预紧力矩，d为螺栓的公称直径，Qp为螺栓的预紧力；
Qp=4σ1πd2
式中，σ1为螺栓预紧力产生的拉应力。
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