CN105203453A - 一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，包括底座及底座上连有的4根导柱，导柱自下至上套装有冲孔盘、导向盘和上盘，其中冲孔盘为设有凸台和中心孔的圆盘体，其下平面设有圆锥孔，上平面设有径向凹槽和两块压片；导向盘设有用于穿插冲杆的中心孔，外圆周上对称开有2个缺口；上盘设有与导向盘相对应的中心孔和缺口以及与中心孔同轴线的沉孔；冲杆为上端设有凸缘，下端设有中心盲孔，中部设有径向通孔的圆柱体，通孔中穿装架杆，架杆两端装有下端穿过导向盘缺口与冲孔盘相连，上端伸入上盘缺口的位移传感器；冲杆的凸缘端面上设有力传感器；位移传感器和力传感器通过导线与数据采集系统相连接。本发明还公开了一种微冲剪测试方法。

Description

一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置及方法

技术领域

本发明属于焊接接头微区力学性能测试技术领域，具体涉及一种微冲剪法测试焊接接头微区力学性能的测试装置和测试方法。

背景技术

焊接接头是一种非均质材料，具有组织和力学性能不均匀的特点，因此焊接接头力学性能的准确评价一直受到国内外的广泛关注。对于焊接接头性能的检测，传统方法为机械性能试验方法(例如，拉伸试验、冲击试验和弯曲试验等)和断裂力学试验法，这些试验方法只能得到接头的宏观性能，而对某一区域的具体性能，特别是对于微小的热影响区则难以进行检测。

目前，针对焊接接头微小区域，其力学性能的测试方法主要有：

1)微剪切试验法。该方法可对焊接接头某一狭窄范围内任一点的剪切力学性能进行测试，通过测量焊接接头的“局部参量”来评定焊接接头疲劳性能。但其测试精度很大程度上取决于试片的几何加工精度，测试设备等系统误差对试验的测试误差影响很大，而且不能从试验结果中得到材料的拉伸性能。

2)微拉伸试验法。该方法从焊接接头上截取尺寸较小的试片，然后通过拉伸试验方法获得在任意方向选取的小区域的力学性能，并且可以直接测定应力-应变曲线。但这种方法准备过程和操作过程相当复杂，试片要求很高，且后续处理过程复杂，在实际工程中应用不够理想。

3)小冲杆试验法。该方法是一种利用较小直径的压头冲压微型薄片试片，在试验过程中记录试片在整个加载过程中受力变形的载荷和位移数据，并且由此计算分析得出所需材料力学性能。但是该法较少用于焊接接头的性能评价，在国内应用也较少。因此，针对上述测试方法的不足，本发明提供一种测试焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置与测试方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对以上现有测试方法的不足和问题，提供一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置及方法。

本发明通过在设计微冲剪试验设备和微冲剪试片的基础上，制作数据采集系统，采用万能材料试验机施加载荷，测得的载荷和位移数据经数据采集系统保存在计算机中，经过拟合得到载荷—位移曲线，通过该曲线可以定性和定量地比较不同窄小区域材料的力学性能。本测试方法简单，数据自动采集、拟合，结果精确可靠。

技术方案：为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，包括纵截面为T字形的底座1，所述底座1上平面上均布连接有4根导柱5，所述导柱5自下至上套装有相互隔离的冲孔盘2、导向盘3和上盘4，其中所述冲孔盘2为一设有凸台和中心孔的圆盘体，冲孔盘2的下端平面设有连通中心孔的圆锥孔，上端凸台平面上开设有一安置试片13的径向凹槽，垂直凹槽采用螺栓连接有两块压片10；所述导向盘3设有用于穿插冲杆7的中心孔，外圆周上对称开设有2个弧形缺口；所述上盘4为设有与导向盘3相对应的中心孔和弧形缺口以及大于且与中心孔同轴线的沉孔；所述冲杆7为上端设有与沉孔相接触的凸缘，下端设有安装冲头8的中心盲孔，中部设有一径向通孔的圆柱体，通孔中穿装有架杆9，架杆9两端分别安装有下端穿过所述导向盘3弧形缺口与所述冲孔盘2相连接，上端伸入所述上盘4设有的弧形缺口的位移传感器11；所述冲杆7的凸缘端面上设置有力传感器12；所述位移传感器11和力传感器12通过导线与外置的数据采集系统相连接。

上述所述的数据采集系统，包括相连接的控制电源、数据采集卡和计算机。

上述所述的底座1的下端柱面上还开设有一用于与万能试验机相连接的径向通孔。

上述所述的导柱5的柱面上还套装有用于固定所述冲孔盘2、导向盘3和上盘4相隔距离的套管6。

上述所述的冲杆7与冲头8的连接为螺纹连接，所述的冲头8为不同直径和形状的冲头，冲头的材质为硬质合金。

上述所述的力传感器12为圆柱型或S型压力传感器，载荷为0～3000N，精度为0.3％。

上述所述的位移传感器11为LVDT型位移传感器，其量程为0～10mm，精度为0.05％。

为了达到上述目的，本发明的另一技术方案是：

本发明的一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试方法，包括以下步骤：

1)试片制备：在焊接接头上沿焊缝截面截取包含焊缝区、熔合区、焊接热影响区、母材的矩形试片；切片时在厚度方向预留磨样余量，依次采用200#、400#，600#，800#，1200#砂纸进行磨制光洁且厚度均匀；磨制后进行抛光，并采用腐蚀剂对焊缝区域进行腐蚀，待焊缝轮廓显示后，试片制作完毕；

2)冲孔夹具及试片装配：将微冲剪试验装置底座通过固定装置与万能材料试验机相连，将步骤1)制作好的试片安置在冲孔盘中心凸台上设有的凹槽中，拧紧压片上部的紧固螺钉，保证试片在试验过程中不产生移动；

3)微冲剪试验：通过万能材料试验机进行加载，载荷通过压杆传递载荷至冲头，通过冲头压剪试片，直至试片被完全贯穿为止；利用所设置的位移传感器、载荷传感器测量相应的位移和载荷数据，数据经采集卡转换后输入计算机，经数据处理，曲线拟合后，最终输出待测微区的载荷-位移曲线。

技术效果：本发明的优点和有益效果主要是：

1)本发明夹具结构简单，装配过程简易，装配可靠性较高。

2)本发明设计合理，能保证加载的精度和准确性。

3)本发明信息采集系统精度高，数据采集可靠，数据处理精确。

4)本发明冲头材料采用硬质合金，硬度高，强度和韧性较好，使用寿命较长。

5)本发明可针对不同试件厚度和不同加载速度进行试验，以满足不同参数对照的试验需求。

6)本发明可针对不同焊接方法、不同尺寸的焊接微区进行力学性能的测定。

7)本发明试验制备容易，试验过程简单，综合成本较低。

附图说明

图1为本发明的微冲剪测试装置结构示意图；

图2为微冲剪冲孔夹具示意图；

图3为导柱和套杆示意图；

图4为上盘示意图；

图5为导向盘示意图；

图6为冲孔盘示意图；

图7为底座示意图；

图8为冲杆示意图；

图9和图10分别为不同规格的冲头示意图；

图11为微冲剪试验载荷-位移曲线实例图；

图12(a)和12(b)分别为微冲剪位置照片图和试验结果实例曲线图；

图中的标号分别为：

1、底座，2、冲孔盘，3、导向盘，4、上盘，5、导柱，6、套管，7、冲杆，8、冲头，9、架杆，10、压片，11、位移传感器，12、力传感器，13、试片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图10所示，为本发明的一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，包括纵截面为T字形的底座1，所述底座1上平面上均布连接有4根导柱5，所述导柱5自下至上套装有相互隔离的冲孔盘2、导向盘3和上盘4，其中所述冲孔盘2为一设有凸台和中心孔的圆盘体，冲孔盘2的下端平面设有连通中心孔的圆锥孔，上端凸台平面上开设有一安置试片13的径向凹槽，垂直凹槽采用螺栓连接有两块压片10；所述导向盘3设有用于穿插冲杆7的中心孔，外圆周上对称开设有2个弧形缺口；所述上盘4为设有与导向盘3相对应的中心孔和弧形缺口以及大于且与中心孔同轴线的沉孔；所述冲杆7为上端设有与沉孔相接触的凸缘，下端设有安装冲头8的中心盲孔，中部设有一径向通孔的圆柱体，通孔中穿装有架杆9，架杆9两端分别安装有下端穿过所述导向盘3弧形缺口与所述冲孔盘2相连接，上端伸入所述上盘4设有的弧形缺口的位移传感器11；所述冲杆7的凸缘端面上设置有力传感器12；所述位移传感器11和力传感器12通过导线与外置的数据采集系统相连接。

其中，所述的数据采集系统，包括相连接的控制电源、数据采集卡和计算机。

所述的底座1的下端柱面上还开设有一用于与万能试验机相连接的径向通孔。

所述的导柱5的柱面上还套装有用于固定所述冲孔盘2、导向盘3和上盘4相隔距离的套管6。

所述的冲杆7与冲头8的连接为螺纹连接，所述的冲头8为不同直径和形状的冲头，冲头的材质为硬质合金。

所述的力传感器12为圆柱型或S型压力传感器，载荷为0～3000N，精度为0.3％。

所述的位移传感器11为LVDT型位移传感器，其量程为0～10mm，精度为0.05％。

本发明的一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置的测试方法如下：

在试验前，首先进行试片的制备；试片准备完成之后，安装试验设备并将试片固定在试验设备上，调整万能材料试验机与微冲剪装置良好配合。一切准备就绪之后进行微冲剪试验，试验过程中位移传感器和力传感器将载荷和位移数据通过采集卡在计算机屏幕上以曲线的形式进行显示，同时将数据存储在计算机中。下面以EQ56高强钢试片的微冲剪试验进行说明：

(1)通过线切割加工试片，在焊缝上加工尺寸为80×10×0.5mm的试片。在慢走丝切割条件下试片表面不需要再进一步的打磨；在快走丝切割条件下制取的试片，切割时需要保留加工余量，切割后使用200#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨，保证试片的最终厚度为0.5±0.01mm。

(2)本发明所涉及的微冲剪试验装置如图2至图11所示。将微冲剪装置通过底座1固定在万能材料试验机上，通过底座1下部的圆柱孔，使自制微冲剪设备与试验机之间的相对位移完全消除。底座1与冲孔盘2以及导向盘3和上盘4之间的径向位移通过导柱5(4根)消除，轴向位移通过套管6(8个)消除。安装过程中，将导向盘3和上盘4上预留的缺口对齐，以保证位移传感器11能够垂直于冲孔盘2下部所在的平面放置。将试片13放置在冲孔盘2上部的凹槽中，并通过压片10和紧固螺钉固定，以防止其在试验过程中产生位移，导致试验误差增大。之后将冲杆7和冲头8拧紧，使之成为一体，冲杆7尾部有一放置力传感器12的圆柱平台，平台半径大于冲杆7半径，将冲头8朝下通过上盘4和导向盘3中心的圆孔，轻轻放置在试片上。将位移传感器架杆9(2个)分别从两侧插入冲杆7的径向孔中，并使夹持端与导向盘3和上盘4的缺口对齐；将位移传感器11垂直放置在预留的缺口上，并通过位移传感器架杆9的夹持端进行固定，为了减小试验误差，在试验开始时，应保证位移传感器11产生一定的预压缩量。将力传感器12通过上盘4中部的圆形凹槽放置在冲杆7尾部的平台上。将位移传感器11和力传感器12的输出端分别通过采集控制箱与数据采集卡连接，并使数据采集卡通过数据线与计算机相连接。一切准备就绪后通过万能材料试验机以恒定的速度进行加载；载荷通过力传感器12传递至冲杆7，并通过冲杆7传递至冲头8，冲头8顶端冲剪试片13，直到试片13被完全贯穿为止。数据采集卡采集试验过程中的位移和载荷数据，并在计算机屏幕上以曲线的形式进行显示、保存。由于在采集过程中，传感器的供电电压不可避免地会发生波动，造成采集到的数据杂乱，不便于观察分析，因此需要对原始数据进行拟合；本发明使用TableCurve-2D专业数据拟合软件对原始数据进行拟合，并使用Origin8.5软件绘制出拟合之后的载荷—位移曲线，以便于进一步的观察分析。

微冲剪试验获得的载荷-位移曲线实例如图11所示。图中a点为屈服点，b点为最大载荷点，c点位完全断裂点。b点和c点的确定相对较为简单，分别为载荷—位移曲线的最高点和结束点，但a点的确定较为复杂。由于在微冲剪试验过程中，试片的应力状态比较复杂，包括剪切应力、弯曲应力、拉伸应力等，因此试片在厚度方向上进入屈服状态的时间是不同的。为了能够确定载荷—位移曲线的屈服点，本发明采用的是双直线相交法，即将载荷—位移曲线的o’a段和ab段进行线性拟合，分别得到直线L₁和L₂，假设两直线相交于a’点，从a’点向位移轴引垂线，与载荷—位移曲线的相交点即认为是屈服点a。

图12(b)为沿着图12(a)中所示直线进行微冲剪试验所得到的焊接接头不同区域的结果分布曲线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：包括纵截面为T字形的底座(1)，所述底座(1)上平面上均布连接有4根导柱(5)，所述导柱(5)自下至上套装有相互隔离的冲孔盘(2)、导向盘(3)和上盘(4)，其中所述冲孔盘(2)为一设有凸台和中心孔的圆盘体，冲孔盘(2)的下端平面设有连通中心孔的圆锥孔，上端凸台平面上开设有一安置试片(13)的径向凹槽，垂直凹槽采用螺栓连接有两块压片(10)；所述导向盘(3)设有用于穿插冲杆(7)的中心孔，外圆周上对称开设有2个弧形缺口；所述上盘(4)为设有与导向盘(3)相对应的中心孔和弧形缺口以及大于且与中心孔同轴线的沉孔；所述冲杆(7)为上端设有与沉孔相接触的凸缘，下端设有安装冲头(8)的中心盲孔，中部设有一径向通孔的圆柱体，通孔中穿装有架杆(9)，架杆(9)两端分别安装有下端穿过所述导向盘(3)弧形缺口与所述冲孔盘(2)相连接，位移传感器(11)伸入所述上盘(4)设有的弧形缺位置；所述冲杆(7)的凸缘端面上设置有力传感器(12)；所述位移传感器(11)和力传感器(12)通过导线与外置的数据采集系统相连接。

2.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的数据采集系统，包括相连接的控制电源、数据采集卡和计算机。

3.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的底座(1)的下端柱面上还开设有一用于与万能试验机相连接的径向通孔。

4.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的导柱(5)的柱面上还套装有用于固定所述冲孔盘(2)、导向盘(3)和上盘(4)相隔距离的套管(6)。

5.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的冲杆(7)与冲头(8)的连接为螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的冲头(8)为不同直径和形状的冲头，冲头的材质为硬质合金。

7.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的力传感器(12)为圆柱型或S型压力传感器，载荷为0～3000N，精度为0.3％。

8.根据权利要求1所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置，其特征在于：所述的位移传感器(11)为LVDT型位移传感器，其量程为0～10mm，精度为0.05％。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的焊接接头微区力学性能的微冲剪测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)试片制备：在焊接接头上沿焊缝截面截取包含焊缝区、熔合区、焊接热影响区、母材的矩形试片；切片时在厚度方向预留磨样余量，依次采用200#、400#，600#，800#，1200#砂纸进行磨制光洁且厚度均匀；磨制后进行抛光，并采用腐蚀剂对焊缝区域进行腐蚀，待焊缝轮廓显示后，试片制作完毕；

2)冲孔夹具及试片装配：将微冲剪试验装置底座通过固定装置与万能材料试验机相连，将步骤1)制作好的试片安置在冲孔盘中心凸台上设有的凹槽中，拧紧压片上部的紧固螺钉，保证试片在试验过程中不产生移动；

3)微冲剪试验：通过万能材料试验机进行加载，载荷通过压杆传递载荷至冲头，通过冲头压剪试片，直至试片被完全贯穿为止；利用所设置的位移传感器、载荷传感器测量相应的位移和载荷数据，数据经采集卡转换后输入计算机，经数据处理，曲线拟合后，最终输出待测微区的载荷-位移曲线。