CN110787984B - 具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途，所述具有超声波换能器的紧固件包括紧固件，在紧固件的一端或两端上设有超声波换能器原件，其结构由内到外依次设置压电层、保护层和电极层，所述设有超声波换能器原件的紧固件端面为凹槽结构，所述凹槽侧面倾斜，所述压电层和所述保护层位于凹槽内。本发明创造可以有效地将压电层与外界腐蚀环境隔离，大幅度延长了换能器紧固件的使用寿命，提高了其检测精度。

Description

具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途
技术领域
本发明创造属于连接部件领域，尤其是涉及一种具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途。
背景技术
目前，通过在外螺纹紧固件上制备换能器，利用换能器激发的超声波信号来测量外螺纹紧固件预紧力的技术具有较好的应用前景。
在最初技术中，换能器通过粘贴或焊接的方式与紧固件表面结合。这种结合方式下，换能器易受外界环境的影响，尤其是高温、高湿以及高腐蚀环境下，最终导致换能器功能失效，无法使用，极大地限制了其使用范围。
为了克服上述缺点，现有技术采用真空离子镀的方式在紧固件端部沉积钝化层，以达到保护压电层的目的。此种方式需要沉积多层钝化层，加工工艺复杂，效率低，成本高。
如图1、2所示，现有技术采用在紧固件端部4’加工一凹槽，将换能器存储于凹槽内，并通过在压电层1’表面沉积一层保护层2’的方式来提高换能器的使用寿命，保护层2’的上方沉积电极层3’。虽然采用凹槽的方式在一定程度上可以减轻换能器受外界环境的影响，但由于批量加工精度及一致性的影响，以及换能器各膜层沉积质量的影响，现有凹槽的结构设计很难完全避免腐蚀介质通过凹槽侧壁缝隙5’渗入到压电层上，从而造成压电层的损坏，最终影响换能器的正常工作。
此外，还有现有技术采用在换能器表面涂覆绝缘层的方式隔断周围环境有害物质对换能器结构污染和预防其它损害，此方式亦存在诸多问题，如对绝缘层涂覆工艺及涂覆质量要求较高，绝缘层的存在会影响负载承受件的使用，绝缘层存在脱落风险等等。
针对以上问题，本发明改进了换能器紧固件端部凹槽结构，通过对紧固件端部凹槽结构的设计，使压电层靠近凹槽的边缘完全被保护层及电极化层遮蔽，不仅易于制造，成本较低，而且完全避免了现有结构存在缝隙的可能性，可减轻甚至消除因外界环境而造成压电层的腐蚀破坏，大大提升换能器结构的稳定性及检测可靠性。通过在紧固件表面加工本发明所述结构的凹槽，可以有效地将压电层保护起来，成功地解决了压电层易受外界腐蚀介质侵蚀的问题，具有较强的实用性和可行性。
此外，用户还可以根据换能器紧固件的使用环境和其它特殊功能需求，选择使用不同功能的保护层及电极层，利用此凹槽结构，亦可充分利用保护层及电极层的特殊功能，提升换能器紧固件的工作环境温度、抗氧化性、抗酸碱性、抗辐射性等等。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途，以利用高效、低成本的手段解决现有换能器紧固件凹槽的结构设计不能避免腐蚀介质通过凹槽侧壁缝隙渗入至压电层，导致压电层易受外界腐蚀介质侵蚀，从而造成压电层的损坏，最终影响换能器的正常工作的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种具有超声波换能器的紧固件，包括紧固件，在紧固件的一端或两端上设有超声波换能器原件，其结构由内到外依次设置压电层、保护层和电极层，设有超声波换能器原件的紧固件端面为凹槽结构，凹槽侧面倾斜，压电层和保护层位于凹槽内，压电层、保护层和电极层所形成的层结构总高度可以大于、小于或等于凹槽总高度。
进一步的，凹槽由内到外设置第一凹槽部和第二凹槽部，第一凹槽部侧面与水平面之间的角度等于、大于或小于第二凹槽部侧面与水平面之间的角度。
进一步的，压电层厚度小于第一凹槽部高度，保护层完全覆盖压电层，保护层与压电层的厚度之和大于第一凹槽部高度。
进一步的，第一凹槽部侧壁与水平面之间的角度为90°，第二凹槽部侧壁与水平面之间的角度为20°～45°。
进一步的，压电层厚度小于或等于第一凹槽部高度的2/3。
进一步的，凹槽侧面还可以是弧形或曲面。
进一步的，压电层的厚度为20～50μm，保护层厚度为20～50μm，电极层厚度为25～80μm，超声波换能器原件的整体厚度不超过凹槽的总高度。
本发明还提供上述具有超声波换能器的紧固件的制造工艺：
在紧固件端面加工侧面倾斜的凹槽结构；
在凹槽底部沉积压电层；
在压电层表面沉积保护层；
在保护层表面沉积电极层。
进一步的，所述沉积方法包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、真空磁控溅射工艺、真空离子镀膜工艺、热喷涂工艺、电化学或化学沉积工艺等。
进一步的，电极层沉积在保护层的四周部位及中心部位，位于四周部位的电极层形成环形，位于四周部位与位于中心部位的电极层之间露出保护层。
进一步的，压电层材料为氧化锌、氮化铝、锆钛酸、氧化硅、钛酸钡、铌酸锂或镓磷酸盐；保护层材料为氮化硅、氮化钛、二氧化硅、氮化钛硅、钛氮化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅；电极层材料为钛、碳化硅、钛氮化铝、氮化钛、氮化钛硅或碳氮化硅。
本发明还提供了上述具有超声波换能器的紧固件的用途：用于暴露于腐蚀介质环境的紧固件，尤其适合用于接触水或水溶液的紧固件、接触液压油的紧固件、处于潮湿环境下的紧固件或者处于高温环境下的紧固件。
进一步的，所述具有超声波换能器的紧固件可以是螺钉、空心钉、螺栓、双头螺栓、铆钉、销、发动机零件或者用于航空航天的零件。
相对于现有技术，本发明创造所述的具有超声波换能器的紧固件及制造工艺和用途具有以下优势：
(1)本发明可实现具有超声波换能器的紧固件的长寿命使用。本发明所述的凹槽结构可在不改变原有换能器紧固件加工工艺的基础上，充分利用保护层及电极层的防护作用，有效地将压电层与外界腐蚀环境完全隔离，减缓甚至可阻止腐蚀介质的侵蚀，大幅度提升换能器紧固件的使用寿命及测量精度。同时可通过改变保护层以及电极层的种类，利用保护层、电极层的耐高温、抗辐射以及其它功能特性，可进一步扩大换能器紧固件的使用领域。
(2)本发明凹槽的结构设计可最大限度地利于保护层完全覆盖压电层，不会存在因保护层沉积质量差而导致的凹槽四壁处存在缝隙，导致外界腐蚀介质通过缝隙侵蚀压电膜层的情况发生。此外，能够通过改变电极层的结构布局，在不影响功能的前提下，可充分利用电极层的保护作用，起到双重保护压电层的作用。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。
在附图中：
图1为现有技术中具有超声波换能器的端部凹槽示意图
图2为图1中A部的放大图
图3为本发明创造实施例1所述的具有超声波换能器的紧固件示意图
图4为图3的B部放大图
图5为图3的俯视图
图6为图3中展示换能器各层厚度的B部放大图
图7、图8、图9、图10是具有超声波换能器的几种不同形状的凹槽结构示意图
图11为本发明各实施例中使用的预紧力超声波测量仪组装结构示意图
图12为本发明各实施中使用的预紧力超声波测量仪的超声探头结构示意图
附图标记说明：
1’-压电层；2’-保护层；3’-电极层；4’-紧固件端部；5’-缝隙；1-压电层；2-保护层；3-电极层；4-紧固件端部；h-第一凹槽部高度；H-第一凹槽部与第二凹槽部的高度和；α-第二凹槽部侧壁与水平面之间的角度；β-第一凹槽部侧壁与水平面之间的角度；h1-压电层厚度；h2-保护层高出第一凹槽部的厚度；h3-电极层厚度；5-超声探头；6-触头；7-吸铁；8-绝缘胶；9-外壳
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
图3、图4、图5、图6展示了具体实施例1所涉及的具有超声波换能器的紧固件，该紧固件为M14六角头螺纹紧固件，该紧固件在使用过程中，长期浸泡于航空液压油中，为防止因液压油的侵蚀而破坏换能器的功能，延长换能器紧固件的使用寿命及提高其检测精度，具体结构设计如下：在紧固件端部4设有超声波换能器原件，该超声波换能器原件的结构由内到外依次设置压电层1、保护层2和电极层3。设有超声波换能器原件的紧固件端部4为凹槽结构，凹槽侧面倾斜，压电层1、保护层2和电极层3所形成的层结构位于凹槽内。凹槽由内到外设置第一凹槽部和第二凹槽部，第一凹槽部侧壁与水平面之间的角度为90°，第二凹槽部侧壁与水平面之间的角度α为30°，压电层厚度h1小于第一凹槽部高度h，保护层2完全覆盖压电层1，保护层2与压电层1的厚度之和大于第一凹槽部高度h，图6中h2为保护层高出第一凹槽部的厚度，为10μm，第一凹槽部与第二凹槽部的高度和H为100μm。电极层3沉积在保护层2的四周部位及中心部位，位于四周部位的电极层3形成环形，位于四周部位与位于中心部位的电极层3之间露出保护层2。
基于具体实施例1的结构，第二凹槽部侧壁与水平面之间的角度α还可以为20°～45°，压电层厚度h1可以为20～50μm，保护层厚度可以为20～50μm，电极层厚度h3可以为25～80μm，超声波换能器原件的整体厚度不超过凹槽的总高度H，压电层厚度h1小于或等于第一凹槽部高度h的2/3，。展示具体实施例1、具体实施例2和具体实施例3的相关数据，如下表所示：
对实施例1所述的紧固件，将该批次紧固件在长春仟邦测试设备有限公司QBN200-L120摩擦系数测试仪上模拟实际装配。施加80N·m的扭矩，扭拉实验机(即QBN200-L120摩擦系数测试仪)上读取的预紧力数据为23.48kN。而采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.04kN，二者相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例1所述的紧固件按GJB715.1《紧固件试验方法(盐雾)》的试验条件，放置1000小时后，目视观察换能器区域并未发生腐蚀迹象，同时采用上述预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.18kN，与上述扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例1所述的紧固件放置于70℃的YH-15航空液压油中1000小时，采用上述预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.35kN，与上述扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例1所述的紧固件放入500℃烘箱中1000小时后，目视观察换能器外表面并无明显氧化及腐蚀现象，同时采用上述预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.57kN，与上述扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
以下实施例2～8所用扭拉实验机以及预紧力超声波测量仪与实施例1相同。
对实施例2所述的紧固件，将该批次紧固件在扭拉实验机上模拟实际装配。施加80N·m的扭矩，扭拉实验机上读取的预紧力数据为24.37kN。而采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.56kN，二者相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例2所述的紧固件按GJB715.1《紧固件试验方法(盐雾)》的试验条件，放置1000小时后，目视观察换能器区域并未发生腐蚀迹象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.92kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例2所述的紧固件放置于70℃的YH-15航空液压油中1000小时，采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.12kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例2所述的紧固件放入500℃烘箱中1000小时后，目视观察换能器外表面并无明显氧化及腐蚀现象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.14kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例3所述的紧固件，将该批次紧固件在扭拉实验机上模拟实际装配。施加80N·m的扭矩，扭拉实验机上读取的预紧力数据为24.98kN。而采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.13kN，二者相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例3所述的紧固件按GJB715.1《紧固件试验方法(盐雾)》的试验条件，放置1000小时后，目视观察换能器区域并未发生腐蚀迹象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.34kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例3所述的紧固件放置于70℃的YH-15航空液压油中1000小时，采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.47kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例3所述的紧固件放入500℃烘箱中1000小时后，目视观察换能器外表面并无明显氧化及腐蚀现象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为25.68kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例4所述的紧固件，将该批次紧固件在扭拉实验机上模拟实际装配。施加80N·m的扭矩，扭拉实验机上读取的预紧力数据为23.17kN。而采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为23.98kN，二者相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例4所述的紧固件按GJB715.1《紧固件试验方法(盐雾)》的试验条件，放置1000小时后，目视观察换能器区域并未发生腐蚀迹象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.02kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例4所述的紧固件放置于70℃的YH-15航空液压油中1000小时，采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为23.76kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
对实施例4所述的紧固件放入500℃烘箱中1000小时后，目视观察换能器外表面并无明显氧化及腐蚀现象，同时采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据为24.09kN，与扭拉实验机上读取的预紧力数据相差不足5％，满足实际使用需求。
超声波换能器原件及其对应的凹槽结构可以设置在紧固件的头部或尾部，或者既设置在紧固件的头部又设置在尾部。
第一凹槽部侧面与水平面之间的角度等于、大于或小于第二凹槽部侧面与水平面之间的角度α。具体实施例1展示的是第一凹槽部侧面与水平面之间的角度大于第二凹槽部侧面与水平面之间的角度的情况；如图7所示的实施例5，第一凹槽部的侧面与水平面之间的角度等于第二凹槽部侧面与水平面之间的角度α；如图8所示的实施例6，第一凹槽部侧面与水平面之间的角度β小于第二凹槽部侧面与水平面之间的角度α；如图9、图10所示的实施例7、8，凹槽侧面还可以为任意形状的弧形或曲面。将图7～图10所示的实施例5～8，按照压电层的厚度为20～50μm，保护层厚度为20～50μm，电极层厚度为25～80μm制得的具有超声波换能器的紧固件，在与实施例1相同的各种实验条件下，测得在扭拉实验机上读取的预紧力数据与采用预紧力超声波测量仪检测的预紧力数据相差均不足5％，均满足实际使用需求。
本发明各实施例中检测使用的预紧力超声波测量仪采用美国矩阵科技公司生产的DPR型高频超声脉冲发生接收器和RP-L2型前置放大器，配合上位机实现波形采集，采用基于Labview的数据分析软件(美国国家仪器公司提供的软件)，组成超声测量系统。如图11所示，超声探头与前置放大器连接；前置放大器与高频超声脉冲发生接收器连接；高频超声脉冲发生接收器通过上位机PCI卡槽(PCI总线具有国际统一的通讯协议，对应的PCI卡槽是标准接口)与上位机连接；上位机接收信号后，采用基于Labview的数据分析软件进行上位机软件运算；最终实现波形采集，将检测结果显示于显示模块。上述上位机和显示模块普通电脑即可实现；上述超声探头采用中芯铜制触头和环状辅助接触结构(触头结构与各实施例中的紧固件端部环形电极结构相对应)，形成测试回路，超声探头采用中芯传播方式，超声探头的导线采用双芯屏蔽线。
上述触头可进行弹性收缩，超声探头外壳由磁性材质组成，可以牢固吸附在待测紧固件上，检测时不需要其他辅助安装，超声探头的结构如图12所示。超声探头5包括触头6、吸铁7、绝缘胶8和外壳9，吸铁7为空心圆柱结构，其内部安装触头6，外部依次套接绝缘胶8和外壳9，触头6外部套接弹簧，外壳9的材质为磁性材质。
本发明各实施例中检测使用的预紧力超声波测量仪的超声时间测量精度可达到0.5纳秒，具备500MHz的带宽频率。
上述具有超声波换能器的紧固件的制造工艺如下：
通过机械加工的方式在目标紧固件头部或/和尾部加工侧面倾斜的凹槽结构；
在凹槽底部沉积压电层1；
在压电层1表面沉积保护层2；
在保护层2表面沉积电极层3，电极层3沉积在保护层2的四周部位及中心部位，四周部位的电极层3形成环形，四周部位和中心部位的电极层3之间露出保护层2，形成两个相互隔离的电极。
上述各层的沉积方法包括物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺、真空磁控溅射工艺、真空离子镀膜工艺、热喷涂工艺、电化学或化学沉积工艺等。
压电层1材料为氧化锌、氮化铝、锆钛酸、氧化硅、钛酸钡、铌酸锂或镓磷酸盐；保护层2材料为氮化硅、氮化钛、二氧化硅、氮化钛硅、钛氮化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅；电极层3材料为钛、碳化硅、钛氮化铝、氮化钛、氮化钛硅或碳氮化硅。
上述具有超声波换能器的紧固件用于暴露于腐蚀介质环境的紧固件，尤其适合用于接触水或水溶液的紧固件、接触液压油的紧固件、处于潮湿环境下的紧固件或者处于高温环境下的紧固件。
上述具有超声波换能器的紧固件可以是螺钉、空心钉、螺栓、双头螺栓、铆钉、销、发动机零件或者用于航空航天的零件等。
本发明所述超声波换能器的紧固件，其倾斜凹槽、换能器原件的层结构及其制造工艺，可以实现换能器紧固件的长寿命使用，其充分利用了保护层2和电极层3的防护作用，有效地将压电层1与外界腐蚀环境完全隔离，减缓甚至可以阻止腐蚀介质的侵蚀，大幅度延长了换能器紧固件的使用寿命，提高了其检测精度，同时可以通过改变保护层2和电极层3的种类，利用保护层2和电极层3耐高温、抗辐射以及其他功能特性，可以进一步扩大上述换能器紧固件的应用领域。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有超声波换能器的紧固件，包括紧固件，在紧固件的一端或两端上设有超声波换能器原件，其结构由内到外依次设置压电层、保护层和电极层，其特征在于：所述设有超声波换能器原件的紧固件端面为凹槽结构，所述凹槽侧面倾斜，所述压电层和所述保护层位于凹槽内，所述凹槽由内到外设置第一凹槽部和第二凹槽部，所述第一凹槽部侧面与水平面之间的角度等于、大于或小于所述第二凹槽部侧面与水平面之间的角度，所述压电层厚度小于所述第一凹槽部高度，所述保护层完全覆盖所述压电层，所述保护层与所述压电层的厚度之和大于所述第一凹槽部高度，所述第一凹槽部侧壁与水平面之间的角度为90°，所述第二凹槽部侧壁与水平面之间的角度为20°～45°，所述压电层厚度小于或等于所述第一凹槽部高度的2/3。
2.根据权利要求1所述的具有超声波换能器的紧固件，其特征在于：所述凹槽侧面为弧形或曲面。
3.根据权利要求1或2所述的具有超声波换能器的紧固件，其特征在于：所述压电层的厚度为20～50μm，所述保护层厚度为20～
50μm，所述电极层厚度为25～80μm，所述超声波换能器原件的整体厚度不超过凹槽的总高度。
4.根据权利要求1或2所述的具有超声波换能器的紧固件的制造工艺，其特征在于：
在所述紧固件端面加工侧面倾斜的所述凹槽结构；
在所述凹槽底部沉积所述压电层；
在所述压电层表面沉积所述保护层；
在所述保护层表面沉积所述电极层。
5.根据权利要求4所述的具有超声波换能器的紧固件的制造工艺，其特征在于：所述电极层沉积在所述保护层的四周部位及中心部位，位于所述四周部位的电极层形成环形，所述位于四周部位与位于中心部位的电极层之间露出所述保护层。
6.根据权利要求1或2所述的具有超声波换能器的紧固件的用途，其特征在于：用于暴露于腐蚀介质环境的紧固件。
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