CN102759485A - 一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置及测试方法，所述实验装置包括底座、下模、导向压头、压头和压杆；底座的中心设有一个凹台；底座上部设有两个导向柱，两个导向柱之间形成一个凹槽，凹槽与凹台连通；下模安装于凹台中，下模的顶面与凹槽的底部平齐；两个导向柱之间设有一个圆柱孔，导向压头安装于该圆柱孔中；导向压头中心设置有导向孔；压头和压杆安装于所述导向孔中。本发明的微压剪试验装置设计合理，能保证加载的准确性与精度，数据采集可靠，获得接头各区域的载荷-位移曲线准确；通过试验获得焊接接头母材区域的剪切强度和工程剪切应力-应变曲线，可将其扩展至接头的各个区域，从而获得接头的微区非均质力学性能。

Description

一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置及测试方法

【技术领域】

本发明涉及到工程应用领域中熔化焊接微区非均质力学性能测试领域，特别涉及一种测试金属材料熔化焊微区力学性能的微压剪试验方法。

【背景技术】

在金属材料熔化焊接微区存在着力学性能的不均匀现象，导致焊接接头成为整个焊接结构中最脆弱的部位，这对于整个焊接件的寿命都有很大的影响。对金属材料熔化焊接微区（焊缝和热影响区）力学性能的准确评价一直受到广泛关注。由于焊接微区（焊缝和热影响区）的性能具有极大的力学不均匀性，采用传统的试验方法难以得到焊接接头不同区域材料的力学性能，无法对焊接接头的性能优化提供详细的力学性能参数。

目前国外类似试验方法的装置因实验室不同而各不相同，但没有用于焊接微区力学性能试验与评价方法。试验所用的试样尺寸各不相同，但都为圆形薄片试样，一个试样上仅能进行一次试验，同时试验中试样所发生的皆为拉伸变形。日本的Iwao Ikejima等人于2003年发表在Dental Materials上的文章（Shear punch strength and flexuralstrength of model composites with varying filler volume fraction,particlesize and silanation）里试验所用的装置采用了螺纹连接压紧的压头，压头直径为φ3.2mm，所用试样为直径φ9mm，厚度0.5mm的圆形薄片试样；M.B.Toloczko等人在发表在Journal of Nuclear Materials上的文章Shear punch tests performed using a new low compliance testfixture中装置的压头直径φ0.98mm，所用的试样尺寸为直径φ2.8mm，厚度0.25mm。这些试验装置一般造价较高，并且对试样的要求比较严格，试验操作不方便，同时会对试样造成一定的浪费。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，将测得的载荷-位移曲线及数据转化为该接头各个微区的力学性能；本方法操作简便，精确度较高，成本低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，包括底座、下模、导向压头、压头和压杆；底座的中心设有一个凹台；底座上部设有两个导向柱，两个导向柱之间形成一个凹槽，凹槽与凹台连通；下模安装于凹台中，下模的顶面与凹槽的底部平齐；两个导向柱之间设有一个圆柱孔，导向压头安装于该圆柱孔中；导向压头包括直径较大的主体和直径比主体的直径小的头部和尾部，导向压头中心设置有导向孔；压头和压杆安装于所述导向孔中。

本发明进一步的改进在于：所述微压剪实验装置还包括上模，上模的中心孔套设于导向压头的尾部上，上模的外围壳体套设于导向柱外周。

本发明进一步的改进在于：待测试样放置于下模与导向压头的头部之间，导向压头的头部的直径与凹槽的宽度相同。

本发明进一步的改进在于：压头与压杆为分体结构；待测试样的焊缝宽度小于或等于2mm，压头直径为0.5mm；待测试样的焊缝宽度大于2mm，压头直径为2mm。

本发明进一步的改进在于：压头的材质为铬钨锰，压杆的材质为钢。

本发明进一步的改进在于：压头和下模之间的单边冲裁间隙很为0.06mm。

本发明进一步的改进在于：导向孔头部呈锥形，后部为圆柱形。

一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，包括以下步骤：

1）磨制试样：在焊缝上截取矩形试样，试样包括焊缝热影响区和焊缝两侧的母材；然后对试样的表面按照从粗磨到细磨的方式进行打磨，采用水砂纸按照90^#，400^#，800^#，1200^#，1500^#，2000^#的顺序磨制试样，之后进行机械抛光呈镜面，再用腐蚀剂将焊缝轮廓腐蚀出来，形成待测试样；

2）微压剪试验：将微压剪模具底座通过螺栓固定在万能试验机燕尾槽上，通过燕尾槽上的刻度尺进行对中；底座的中心设有一个凹台，底座上部设有两个导向柱，两个导向柱之间形成一个凹槽，凹槽与凹台连通；安装完底座之后，将下模放入底座中，下模中心的落料孔与底座中心的通孔对齐，下模的顶面与凹槽的底部平齐；之后将待测试样放置在下模上，使待测试样所要测量区域与下模的落料孔对中；再然后将导向压头放下，来固定待测试样；导向压头包括直径较大的主体和直径比主体的直径小的头部和尾部；导向压头中心设置有导向孔，该导向孔头部呈锥形，后部为圆柱形；底座的两个导向柱之间设有一个圆柱孔，该圆柱孔的直径与主体的直径相同，导向压头安装于两个导向柱之间的圆柱孔中；头部的直径与凹槽的宽度相同；之后将压头放入导向压头的导向孔中，根据待测焊缝宽度，焊缝宽度小于2mm，压头直径用0.5mm；焊缝宽度大于2mm，压头直径用2mm；然后将压杆放入导向压头的导向孔中，之后将上模盖上；上模的中心孔套设于尾部上，上模的外围壳体套设于导向柱外周；通过万能试验机加载，通过压杆传递载荷到压头，通过压头来压剪试样，直到将试样压穿为止；利用万能试验机的载荷传感器和位移传感器来采集数据，获得焊接微区的载荷-位移曲线。

本发明进一步的改进在于：压头的材质为铬钨锰，压杆的材质为钢。

本发明进一步的改进在于：待测试样为低碳钢时，制备好的待测试样厚度为0.80~2.00mm；待测试样为中碳钢或不锈钢时，制备好的待测试样厚度为0.75~1.60mm；待测试样为高碳钢时，制备好的待测试样厚度为0.50~0.70mm；待测试样为纯铝或黄铜时，制备好的待测试样厚度为1.60~2.40mm；待测试样为铝合金或铝青铜时，制备好的待测试样厚度为1.10~1.70mm。

本发明进一步的改进在于：压头为平头或者半球头。

微型压剪试验设备冲孔夹具部分具有如下特征：

第一，针对不同的焊接方式，本夹具配备压头尺寸不同的压头，其范围在φ0.3mm到φ2.0mm之间。不同焊接方式得到的焊接接头其焊缝和热影响区的宽窄是不同的，尤其是热影响区尺寸较小，对压头进行选择时可以按照热影响区的宽度作为依据，按照试验要求进行选取。表1中列出了集中常见焊接方法热影响区宽度。

表1常见焊接方式的热影响区宽度

第二，压头形状有平头和半球头两种，如图3，这样便能实现对试样的两种不同的作用方式。平头压头与下模配合起来对试样施加剪切作用力，试样的破裂是剪切力造成的；半球头压头在试验时对试样形成了冲压拉深的作用，试样从中心被压破。

第三，能够实现对试样的纯剪切作用，压头和下模之间的冲裁间隙很小，单边间隙仅为0.06mm。在冲裁间隙过小时两者相互作用产生的变形为纯剪切。在国内别的类似的研究中所用的都是间隙较大的设备，不能对试样施加剪切作用。

第四，试验时采用的长方形试样形状简单，制作简单。国内外类似的设备使用的都是尺寸很小的圆形薄片试样，制作较麻烦。另外此长方形试样可以在纵向和横向上移动，在同一片试样上可以压出多个点，很节省试验材料。

第五，对不同强度的材料来说，微压剪试样的厚度也是不同的，经多次试验，将试样的厚度范围总结到如下表2中：

表2 微压剪试验试样厚度范围

在焊接接头力学性能的转化方面，目前研究结果表明，可以先建立焊接接头母材区域的剪切强度和常规拉伸抗拉强度之间的关系，然后将该关系扩展到焊接接头各个区域，从而获得接头各个区域的抗拉强度和工程应力-应变曲线等，对焊接接头微区强度进行定量的描述，并能体现出焊接接头性能的梯度效应。

相对于现有技术，本发明具有如下的积极效果及优点：

本发明的微压剪试验装置设计合理，能保证加载的准确性与精度，数据采集可靠，获得接头各区域的载荷-位移曲线准确。通过试验获得焊接接头母材区域的剪切强度和工程剪切应力-应变曲线，可将其扩展至接头的各个区域，从而获得接头的微区非均质力学性能。在此基础上有希望建立焊接接头各区域的工程剪切应力-应变曲线与常规拉伸真应力-应变曲线的关系，进而得到接头各个区域的本构关系。能够实现对不同焊接方式下所得到的不同尺寸的焊接接头微区力学性能的测定，两种形状的压头也能实现两种不同的作用方式。这种获取接头各微区的力学性能的方法，试样制作简单方便，实验操作也非常方便，成本低。

【附图说明】

图1为试验原理图；

图2a为微压剪夹具示意图；图2b为沿图2a中导向压头主体的剖视图；图2c为沿图2a中导向压头的头部的剖视图；

图3a和图3b为两种压头示意图；

图4为微压剪试验试样图；

图5为压头，试样和下模的作用组合示意图；

图6为微压剪试验所得载荷-位移曲线图；

图7为剪切工程应力-应变图；

图8为焊接接头剪切强度分布图。

【具体实施方式】

在试验前，首先进行试样的磨制。随后是试验设备的安装以及试验机的调整，一切就绪之后才可进行微压剪试验，试验过程中测试系统开始工作，连续输出载荷-位移曲线，同时数据也存储于计算机中。试验完成之后可从计算机中把数据取出，进行处理之后获取需要的力学性能数据及曲线。以核电转子材料20Cr2NiMo埋弧焊焊接接头试验实例进行说明：

1）磨制试样如图4所示在焊缝上截取尺寸为60×10×0.8mm的试样（试样包括焊缝热影响区和焊缝两侧的母材）。然后对试样的表面按照从粗磨到细磨的方式进行打磨，采用水砂纸按照90^#，400^#，800^#，1200^#，1500^#，2000^#的顺序磨制试样，之后进行机械抛光呈镜面，再用腐蚀剂（4%硝酸酒精）将焊缝轮廓腐蚀出来，完成后的试样厚度为0.6mm。

2）微压剪试验整个微压剪试验装置如图2a至图2c所示，将微压剪模具底座10通过螺栓固定在万能试验机燕尾槽上，通过燕尾槽上的刻度尺进行对中；底座10的中心设有一个凹台102，底座10上部设有一个圆柱体，该圆柱体的中心开设有一个凹槽100，凹槽100与凹台102连通；凹槽100的两侧为在圆柱体上加工凹槽100后形成的两个导向柱101。安装完底座10之后，将下模11放入底座10中，下模11中心的落料孔与底座10中心的通孔对齐，下模11的顶面与凹槽100的底部平齐。之后将试样A放置在下模11上，保证所要测量区域与下模落料孔对中。再然后将导向压头12轻轻放下，来固定待测试样；导向压头12包括直径较大的主体122和直径比主体122的直径小的头部121和尾部123；导向压头12中心设置有导向孔，该导向孔头部呈锥形，后部为圆柱形；底座的两个导向柱102之间设有一个圆柱孔，该圆柱孔的直径与主体122的直径相同，导向压头12安装于两个导向柱102之间的圆柱孔中；头部121的直径与凹槽100的宽度相同。根据待测焊缝宽度，选取压头13（压头13的材质可以选择铬钨锰）直径（焊缝宽度小于2mm，压头直径用0.5mm；焊缝宽度大于2mm，压头直径用2mm），由于埋弧焊热影响区较宽，选择直径为φ2.0mm的平面压头。之后将压头13放入导向压头12中，将压杆14（压杆14的材质可以选择为钢材）放入导向压头12中（整个压头，试样和下模的作用组合示意图如图5所示），之后将上模15盖上；上模15的中心孔套设于尾部123上，上模15的外围壳体套设于导向柱101外周。通过万能试验机来加载，通过压杆14传递载荷到压头13，通过压头13来压剪试样，直到将试样压穿为止。利用万能试验机的载荷传感器和位移传感器来采集数据。依次获得距离焊缝中心各焊接微区的载荷-位移曲线（包括焊缝中心位置，然后向两侧每隔1mm进行一次微压剪试验）。

3）微压剪试验数据处理试验时测得的载荷-位移曲线为整个微压剪试验过程中的施加的载荷随位移变化的曲线，如图6所示。应用公式（1）和公式（2）可以将其转化为工程剪切应力-应变曲线，如图7所示。试验时可从载荷-位移曲线中取得最大载荷Pmax，然后根据公式（1）计算得到相应的微型压剪试验剪切强度τsy。将焊接接头各区域的剪切强度绘于图8中，可以看到曲线反应了焊接接头的非均质力学性能。

工程剪切应力 $\mathrm{\τ}=\frac{P}{2\mathrm{\πr\δ}}---\left(1\right)$

工程剪切应变 $l=\frac{d}{\mathrm{\δ}}---\left(2\right)$

式中：P/N-微压剪载荷；δ/mm-试样厚度；r/mm-压头端半径；d/mm-微冲剪位移。

对待测焊缝的母材区域进行标准圆棒拉伸试验，并从试验中获得载荷-位移曲线和抗拉强度等数据。将微压剪试验的剪切强度和常规拉伸试验抗拉强度进行拟合，能够得到一个线性的关系。在此线性关系确定之后，可将其扩展到焊接接头各个区域中去。

Claims (10)

1.一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，包括底座（10）、下模（11）、导向压头（12）、压头（13）和压杆（14）；底座（10）的中心设有一个凹台（102）；底座（10）上部设有两个导向柱（101），两个导向柱（101）之间形成一个凹槽（100），凹槽（100）与凹台（102）连通；下模（11）安装于凹台（102）中，下模（11）的顶面与凹槽（100）的底部平齐；两个导向柱（102）之间设有一个圆柱孔，导向压头（12）安装于该圆柱孔中；导向压头（12）包括直径较大的主体（122）和直径比主体（122）的直径小的头部（121）和尾部（123），导向压头（12）中心设置有导向孔；压头（13）和压杆（14）安装于所述导向孔中。

2.根据权利要求1所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，所述微压剪实验装置还包括上模（15），上模（15）的中心孔套设于导向压头（12）的尾部（123）上，上模（15）的外围壳体套设于导向柱（101）外周。

3.根据权利要求1所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，待测试样放置于下模（11）与导向压头（12）的头部（121）之间，导向压头（12）的头部（121）的直径与凹槽（100）的宽度相同。

4.根据权利要求3所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，压头（13）与压杆（14）为分体结构；待测试样的焊缝宽度小于或等于2mm，压头直径为0.5mm；待测试样的焊缝宽度大于2mm，压头直径为2mm。

5.根据权利要求4所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，压头（13）的材质为铬钨锰，压杆（14）的材质为钢。

6.根据权利要求1所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪实验装置，其特征在于，导向孔头部呈锥形，后部为圆柱形。

7.一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）磨制试样：在焊缝上截取矩形试样，试样包括焊缝热影响区和焊缝两侧的母材；然后对试样的表面按照从粗磨到细磨的方式进行打磨，采用水砂纸按照90^#，400^#，800^#，1200^#，1500^#，2000^#的顺序磨制试样，之后进行机械抛光呈镜面，再用腐蚀剂将焊缝轮廓腐蚀出来，形成待测试样；

2）微压剪试验：将微压剪模具底座（10）通过螺栓固定在万能试验机燕尾槽上，通过燕尾槽上的刻度尺进行对中；底座（10）的中心设有一个凹台（102），底座（10）上部设有两个导向柱（101），两个导向柱（101）之间形成一个凹槽（100），凹槽（100）与凹台（102）连通；安装完底座（10）之后，将下模（11）放入底座（10）中，下模（11）中心的落料孔与底座（10）中心的通孔对齐，下模（11）的顶面与凹槽（100）的底部平齐；之后将待测试样放置在下模（11）上，使待测试样所要测量区域与下模的落料孔对中；再然后将导向压头（12）放下，来固定待测试样；导向压头（12）包括直径较大的主体（122）和直径比主体（122）的直径小的头部（121）和尾部（123）；导向压头（12）中心设置有导向孔，该导向孔头部呈锥形，后部为圆柱形；底座的两个导向柱（102）之间设有一个圆柱孔，该圆柱孔的直径与主体（122）的直径相同，导向压头（12）安装于两个导向柱（102）之间的圆柱孔中；头部（121）的直径与凹槽（100）的宽度相同；之后将压头（13）放入导向压头（12）的导向孔中，根据待测焊缝宽度，焊缝宽度小于2mm，压头直径用0.5mm；焊缝宽度大于2mm，压头直径用2mm；然后将压杆（14）放入导向压头（12）的导向孔中，之后将上模（15）盖上；上模（15）的中心孔套设于尾部（123）上，上模（15）的外围壳体套设于导向柱（101）外周；通过万能试验机加载，通过压杆（14）传递载荷到压头（13），通过压头（13）来压剪试样，直到将试样压穿为止；利用万能试验机的载荷传感器和位移传感器来采集数据，获得焊接微区的载荷-位移曲线。

8.根据权利要求7所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，其特征在于，压头（13）的材质为铬钨锰，压杆（14）的材质为钢。

9.根据权利要求7所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，其特征在于，待测试样为低碳钢时，制备好的待测试样厚度为0.80~2.00mm；待测试样为中碳钢或不锈钢时，制备好的待测试样厚度为0.75~1.60mm；待测试样为高碳钢时，制备好的待测试样厚度为0.50~0.70mm；待测试样为纯铝或黄铜时，制备好的待测试样厚度为1.60~2.40mm；待测试样为铝合金或铝青铜时，制备好的待测试样厚度为1.10~1.70mm。

10.根据权利要求7所述的一种熔化焊接微区力学性能的微压剪测试方法，其特征在于，压头（13）为平头或者半球头。

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