CN101936855B - 用于异种材料焊接与连接的接头弯曲性能测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种用于异种材料焊接与连接的接头弯曲性能测试装置与方法，解决了万能试验机试验作业时试件焊缝中心不能始终与压头按试验要求保持在同一铅垂面的难题。其技术方案是在装置的两支辊上对称分布两翼板，支撑异种金属试件，防止试件在弯曲过程中左右移动，同时也有缠绕导向的作用弯曲过程中使试件缠向压头的边缘，支撑翼板在试验过程中可沿试件一起沿支撑板末端轴做弧线运动。在两支撑板及其紧固系统的作用下试件可始终保持跟压头在同一轴线上。在该方法与装置的帮助下物理性能相差很大的异种材料也能用现有万能力学试验机完成试验。很大程度上提高了万能试验机在对异种材料焊接与连接接头弯曲力学性能的测试，大大节约时间和经济成本。

Description

用于异种材料焊接与连接的接头弯曲性能测试装置与方法

技术领域：

本发明属于材料力学测试领域，尤其涉及用于异种材料焊接与连接的接头弯曲性能测试装置与方法。

背景技术：

在焊接金属材料力学性能测试及研究中，有一个非常重要的力学性能测试试验——弯曲性能测试试验通过试验测出弯曲角、抗弯强度、得出相应断裂指标，这在国内外都规定了相应的技术标准。

检索国内外相关文献在欧专局EPO专利检索数据库中有两位日本学者FUKUDA TOSHIHIKO、KUMAGAL MASAKALI对焊接搭接接头弯曲性能进行了研究，但其采用仍然是固定一端的缠绕式弯曲试验方法与装置。目前，很少有文献记载有关异种材料焊接接头弯曲测试这个领域的技术创新，现在基本都采用国际标准中提供的装置进行试验。尤其是关于异种材料焊接接头弯曲性能测试报道的文献，在对美国专利数据库USPTO Patent Full-Text and Image Database、DII数据库，CIPO′SCanadian Patent Database等外国专利数据库及核心期刊检索中，都没有发现关于异种材料焊接接头弯曲性能测试方面的文献报道。

现在国内外常用于材料焊接接头弯曲性能测试的方法有三点弯曲试验法，采用三点弯曲装置。该装置主要包括加力头和相对于加力头施力方向所在铅垂面左右对称布置的两个支辊，还有导轨底座三大部分组成。加力头下部的凹槽内安装有圆柱形的压头，所加施力点就在该圆柱面与试件水平切面的交线处，压力头亦位于两个支辊的对称面上。试样放置于两个支辊所形成的水平支承面上，压头位于焊缝中间的正上面，压头下压时始终应保持与焊缝中心线在同一铅垂面上。工程实践中运用此装置测试异种材料焊接接头弯曲试验时，常常会因为在弯曲试验过程中试件滑动，焊缝中心线不能始终与压头在同一铅垂面上，从而导致试验结果无效或者误差很大。

另外当两种母材或焊缝和母材的物理弯曲性能有显著差异时很难在现有条件下用上述方法完成测试试验。鉴此国内外标准中也提到了用缠绕式导向弯曲试验方法，该方法主要是采用对试样一端固定加紧在具有两个平行辊筒的试验装置内，通过半径为R的外辊沿以内辊轴线为中心的圆弧转动，向试样施加集中载荷，使试样缓慢连续的弯曲。

该试验装置目前都是单独一套试验设备，由于所需空间较大很难应用在电子万能力学试验机，同时目前国内外厂商也还没有生产能融合以上两种方法对焊接弯曲接头性能测试的试验科学仪器，试验中由于这些试验设备与方法这些因素对异种材料焊接接头弯曲性能测试工作带来很多问题，即在现有万能试验机上因异种材料焊接接头试验过程中焊缝中心线不能始终与压头在同一铅垂面上，试验经常失败或者误差很大的。不仅费时费力同时还增加了大量经济成本。

发明内容：

本发明的目的是，设计一种新型的用于异种材料焊接弯曲性能测试装置，通过现有的万能力学试验机加载系统，控制及数据输出系统能简便、准确地完成弯曲性能测试试验。

本发明所用于异种材料焊接弯曲性能测试装置其组成结构如下：

在该装置的导轨底座上固定有左右对称布置的两支辊，在两支辊的中部设有支辊定位轴，支辊的上端面为圆柱体，在支辊上端圆柱体与两左右对称分布的动态同步固定翼板连接；在两动态同步固定翼板上同时装有试件紧固螺栓，对其承载的焊接接头试件实行动态紧固定位作用，并能使试件焊接接头始终保持跟上部加力头在同一轴心线上；加力头本体下部为滚动压头，试验时压头为主要着力点。

所述两个相对支辊，支撑点位置为滚动圆柱体与试件相切的交线，可在圆柱体四分一之处开有键槽，翼板通过键槽与圆柱体连接。

支辊上两动态同步固定翼板与支辊的链接可以采用加工精度高的键槽连接，并且翼板采用硬度高的高强钢制成以保证其在弯曲过程中不变形，从而很好的完成支撑和导向作用。

本发明提出了一种用于测试异种材料焊接与连接接头弯曲性能测试方法，具体方法步骤如下：

1.首先制备圆形、方形、长方形或多边形横截面焊接接头试样，可搭接或对接。弯曲表面不得有划痕，方形和长方形试样的棱边应锉圆，试样拉伸面棱角应加工成圆角。

2.表面处理：试样加工应采用机加工或磨削，避免材料的表面变形硬化或过热。

3.在试样非测试区打上固定孔，通常选用小直径孔5mm-16mm根据具体板厚而定。

4.接下来选择试验参数，试验温度10～35℃；压头加载速度通常选择2mm/min(具体材料试件试验参照相关标准执行)；跨距不能大于d(压头厚度)+3a(试件厚度)；

5.启动加载系统，压力头开始移动，两支辊上的动态翼板同步移动并沿着支辊顶端的轴做圆周运动，试件在支辊上部的圆柱体的切线部位同步下移，此时试件开始发生弯曲变形。

6.在试件受力弯曲变形过程中，支撑翼板可与弯曲试件未受压区域(非1长度区域)形成固定连接，防止弯曲过程试件移动，始终保持焊缝中心与压头不在同一铅垂面上，同时支撑翼板可以与试件一起沿滚动轴做弧线运动，保证试验顺利进行。

7.当控制显示系统显示到达相应弯曲角或弯曲率要求时，试验机停止加载，试验完成。

本发明的有益效果是：

1、接接头弯曲性能测试的装置与方法，通过现有的万能力学试验机非常简便地完成异种材料焊接与连接接头弯曲性能测试试验，不影响弯曲性能指标，完全保证试验质量的情况下。

2、解决了在现有万能试验机上因异种材料焊接接头试验过程中焊缝中心线不能始终与压头在同一铅垂面上，试验失败或者误差很大的难题。

3、一套装置两大用途具备既能完成同种材料弯曲性能各指标的测试测量，又可以测试测量异种材料的弯曲性能指标。

4、以装置替代整机，节省80％成本不需购买新的一整套缠绕式弯曲测试设备，只需将我们的装置用我们的方法安装在测试机构现有的控制系统上就能实现测试功能，大大节省成本。

5、提高测量效率，减少占用空间，采用该产品可以节省50％的时间，提高了效率；由于只需购买一台装置，不用一整套的试验设备，大大减少了设备占地面积。

附图说明：

图1是本发明装置主视图

图2是已有技术万能试验机配备三点弯曲装置简单示意图。

图3是已有技术三点弯曲法试验示意图

图4是已有技术异种材料缠绕式导向弯曲法试验示意图。

1-导轨底座    2-支辊    3-支辊滚动圆柱体    4-动态同步固定翼板    5-异种材料焊接接头试件    6-试件紧固螺栓7-加力头    8-滚动压头    9-支辊定位轴

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明所用于异种材料焊接弯曲性能测试装置其组成结构如下：

如图1所示，在导轨底座1上固定有左右对称布置的两支辊2，支辊下方的底座上分布有底座固定螺栓，支辊固定螺栓。在两支辊的中部设有一支辊定位轴9，以防止在做弯曲实验时两支辊跨距发生变化。支辊的上端面为圆柱体3，在支辊上端通过圆柱体与左右对称两动态同步固定翼板4连接，在两动态同步固定翼板4上同时装有试件紧固螺栓6，对其上部承载的焊接接头试件5实行动态紧固定位作用，防止试件5在做弯曲实验过程中左右移动，试件紧固螺栓6在实验中受剪切应力。动态同步固定翼板4在试验过程中可沿试件一起沿支撑板末端轴做圆周运动，同时也有缠绕导向的作用让试件缠向压头7的边缘，并能使试件5跟其上部做弯曲实验时施加压力的加力头7始终保持在同一轴心线上，加力头本体下部为试验的主要着力点滚动压头8，滚动压头8通过线接触与试件发生作用，压头可以自由滚动。

试验过程中加力头移动时两支辊上的动态翼板同步移动并沿着支辊顶端的轴做圆周运动，试件与支辊上部的圆柱体的切线部位同步下移，此时试件开始发生弯曲变形。

本发明提出了一种用于测试异种材料焊接与连接接头弯曲性能测试方法，具体由以下试验步骤完成。

1.首先制备圆形、方形、长方形或多边形横截面焊接接头试样5，可搭接或对接。弯曲表面不得有划痕，方形和长方形试样的棱边应锉圆，试样拉伸面棱角应加工成圆角。

2.表面处理：试样加工的最后工序应采用机加工或磨削，其目的是为了避免材料的表面变形硬化或过热。在试验的长度范围内，试样表面应没有横向划痕或切痕，试样表面应进行机加工，超出的焊缝金属除去。

3.试样非测试区打上固定孔，通常选用小直径孔5mm-16mm根据具体板厚而定。

4.接下来选择试验参数，试验温度10～35℃；压头加载速度通常选择2mm/min(具体材料试件试验参照相关标准执行)；跨距不能大于d(压头厚度)+3a(试件厚度)；

5.启动横梁加载系统，压力头7开始移动两支辊上的动态翼板5同步移动并沿着支辊顶端的轴做圆周运动，试件5与支辊上部的圆柱体3的切线部位同步下移，此时试件开始发生弯曲变形。

6.期间在两对称支辊2之间的试件5不发生左右偏移保证焊接试件的焊缝中心线与加力头7在同一铅垂面上，弯曲试验得以顺利进行。

7.当控制显示系统显示到达相应弯曲角或弯曲率要求时，试验机停止加载，试验完成。

8.对试验结果进行评定：

A1完好：试样弯曲处的外表面金属基体上无肉眼可见因弯曲变形产生的缺陷时称为完好；

A2微裂纹：试样弯曲外表面金属基体上出现的细小裂纹，其长度不大于2mm，宽度不大于0.2mm时称为微裂纹。

A3裂纹：试样弯曲外表面金.属基体上出现开裂，其长度大于2mm，而小于等于5mm，宽度大于0.2mm，而小于等于0.5mm时称为裂纹。

A4裂缝：试样弯曲外表面金属基体上出现明显开裂，其长度大于5mm，宽度大于。-5mm时称为裂缝。

A5裂断：试样弯曲外表面出现沿宽度贯穿的开裂，其深度超过试样厚度的三分之一时称为裂断。

通过以上装置与方法物理性能相差很大的异种材料焊接接头也能在现有万能力学性能试验机上利用加载系统，控制输出系统完成试验。工程实践中对于不同板厚的材料应选用不同压力头直径的压头和支辊来完成试验，具体匹配标注这里不多赘述，相应标准中有。

具体测试案例

紫铜与45号钢的薄板焊接件：

紫铜与45号钢的薄板焊接件分两组试验试样完成试验，试样宽度均为15.000，厚度均为3.000，试验装置跨度均选择22.000mm，A组采用已有技术和装置在万能试验机上进行试验；B组采用本发明装置与方法在万能试验机上进行试验。

试样非测试区域转紧固孔，孔径为5mm，然后进行试件表面处理后，再将试样装夹在试样台上，压头加载速度选用2mm/min，在加载装置、控制输出系统以及测试装置下完成试样。

最后得出以下试验结果：

A组未使用本发明的试验结果报告：

名称          跨距(mm)          宽度(mm)           高度(mm)

参数          22.000            15.000             3.000

            最大弯曲力Fbb     抗弯强度σbb         弯曲结果

单位          N                 N/mm^2

1             438.6             146.2          全铜测弯曲，试验无效

2             543.6             181.2          全铜测弯曲，试验无效

3             592.2             197.4          全铜测弯曲，试验无效

4             604.5             201.5          全铜测弯曲，试验无效

B组使用本发明试验情况结果报告：

名称          跨距(mm)        宽度(mm)           高度(mm)

参数          22.000          15.000             3.000

            最大弯曲力Fbb   抗弯强度σbb         弯曲结果

单位          N               N/mm^2

1             4265.7          1042.7             焊缝完好

2             2262.3          553.0              焊缝完好

通过以上两组对比的试验数据结果可以看出，使用本发明试验后，异种材料焊接与连接接头弯曲性能指标误差大大减小，精确程度达到理论设计要求，符合标准GB2653-89要求。该发明提高了万能力学性能试验机在对异种材料焊接与连接件弯曲力学性能的测试范围，大大节约时间和经济成本，解决了在万能力学试验机现有有试验条件下试件焊缝中心不能始终与压头在同一铅垂面的难题。

Claims (5)

1.一种用于异种材料焊接与连接的接头弯曲性能测试装置，包括导轨底座、支辊、加力头，其特征在于：在导轨底座(1)上固定有左右对称布置的两支辊(2)，在两支辊的中部设有一支辊定位轴(9)，两支辊的上端面分别设有滚动圆柱体(3)，两支辊上端的两滚动圆柱体分别与左右对称的两动态同步固定翼板(4)连接，在两动态同步固定翼板上同时装有试件紧固螺栓(6)，对其上部承载的焊接接头试件(5)实行动态紧固定位作用，试件紧固螺栓在实验中受剪切应力，动态同步固定翼板(4)在试验过程中可与试件一起沿支辊上端的圆柱体(3)做圆周运动，同时也有缠绕导向的作用让试件缠向加力头(7)的边缘，使试件(5)的焊缝中心跟其上部做弯曲实验时施加压力的加力头(7)始终保持在同一轴心线上，加力头本体下部为试验的主要着力点即滚动压头(8)。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述的左右对称布置的两支辊，其支撑点位置为滚动圆柱体与试件相切的交线，在圆柱体上开有键槽，翼板通过键槽与圆柱体连接。

3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于：动态同步固定翼板可以采用硬度高的高强钢制成以保证其在弯曲过程中不变形，从而很好的完成支撑和导向作用。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：在试验过程中加力头对试件施加压力时，动态同步固定翼板同步移动并沿着支辊上端的圆柱体做圆周运动，试件与支辊上端的圆柱体的切线部位同步下移，此时试件开始发生弯曲变形。

5.一种利用如权利要求1、2、3或4所述的测试装置进行异种材料焊接与连接的接头弯曲性能的测试方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

1)首先制备圆形、方形、长方形或多边形横截面焊接接头试样，可搭接或对接，弯曲表面不得有划痕，方形和长方形试样的棱边应锉圆，试样拉伸面棱角应加工成圆角；

2)表面处理：试样加工应采用磨削，避免材料的表面变形硬化或过热；

3)在试样非测试区打上固定孔，直径为5mm-16mm；

4)接下来选择试验参数，试验温度10～35℃；压头加载速度通常选择2mm/min；跨距不能大于压头厚度d加上三倍试件厚度a即d+3a；

5)施加压力的压力头向试件开始移动，动态同步固定翼板随之做同步移动并沿着支辊上端的滚动圆柱体做圆周运动，在支辊上部的圆柱体的切线部位同步下移，此时试件开始发生弯曲变形；

6)在试件受力弯曲变形过程中，动态同步固定翼板可与弯曲试件未受压区域形成固定连接，防止弯曲过程试件移动，始终保持焊缝中心与压头在同一铅垂面上，同时动态同步固定翼板可以与试件一起沿滚动轴做弧线运动，保证试验顺利进行；

7)当控制显示系统显示到达相应弯曲角或弯曲率要求时，试验机停止加载，试验完成。

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