CN105547837B - 一种钎焊接头断裂韧性测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种钎焊接头断裂韧性测试装置，属于力学性能测试技术领域。包括支撑座（7）、加载装置和数据采集系统，支撑座（7）的上侧设有一圆形凸台（72），圆形凸台（72）的轴线水平设置，试样（1）通过弧形凹槽（11）转动设置在圆形凸台（72）上，加载装置包括一个楔形压头（2），两个母材（13）之间还连接有测量试样（1）张开位移量的位移测量机构，加载装置连接有载荷传感器（4），载荷传感器（4）和位移测量机构均连接至数据采集系统。楔形压头永远垂直于试样加载，保证了加载线与钎缝平行，提高了载荷数据的可靠性。装置稳定、可靠，且易于形成统一的钎焊接头断裂韧性测试标准。
Description
技术领域
一种钎焊接头断裂韧性测试装置，属于力学性能测试技术领域。
背景技术
板翅式换热器因其具有结构紧凑、换热效率高的优点而被广泛应用于石油化工、航空航天、核动力等行业。板翅式换热器的翅片与隔板一般通过真空钎焊工艺连接，因此在板翅结构中含有大量的钎焊接头，钎焊接头是板翅结构最薄弱的地方，板翅结构的失效往往最先起裂于钎缝边缘处，在钎缝处的微裂纹、空洞等缺陷是钎焊接头失效的主要诱导因素。在含钎焊接头结构中，各类缺陷一旦发生，钎焊接头就会发生裂纹扩展直至构件断裂。因此，准确的测量钎焊接头断裂韧性对科学的建立含钎焊接头结构断裂失效准则显得尤为重要。
目前对于钎焊接头的力学性能测试还尚未形成统一的标准，较常见的钎焊接头力学性能测试试样有搭接接头和T型拉伸接头，未有针对钎焊接头的断裂力学性能测试试样。现有常用的断裂韧性标准有紧凑拉伸试样、三点弯曲试样、C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样，这些试样标准主要应用于均质材料，将其应用于钎焊接头的断裂韧性测试有待进一步研究。三点弯曲试样简单，易于加工，但是其安装精度难以达到，加载线难以保证。紧凑拉伸试样要求有专门的夹具，对夹具加工精度要求很高。而C形拉伸试样和圆形紧凑拉伸试样分别适用于管材和棒材的实验，不适合钎焊接头结构。我们在选用断裂韧性测试试样时，应考虑试样在实际结构中的取向以反映材料的各向异性和构件的真实工作状态。对于钎焊接头而言，断裂往往在钎缝处发生脆性撕裂，裂纹沿钎缝扩展。针对目前国内尚未形成针对钎焊接头断裂韧性测试的测试标准，现存的均质材料断裂韧性测试装置复杂、稳定性差、测试精度不高、难以形成统一的测试标准，因此有待于发展一种针对钎焊接头的断裂韧性测试装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、数据测量精度高、装置稳定性好且易于形成统一标准的钎焊接头断裂韧性测试装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：包括支撑座、加载装置和数据采集系统，支撑座的上侧设有一圆形凸台，圆形凸台的轴线水平设置，试样包括两个母材，两个母材相邻竖直边的下部通过钎焊连接，试样在钎缝下端开设有一个与圆形凸台相配合的弧形凹槽，试样通过弧形凹槽转动设置在圆形凸台上，加载装置包括一个楔形压头，楔形压头设置在钎缝上方的两个母材之间，两个母材之间还连接有测量试样张开位移量的位移测量机构，加载装置连接有载荷传感器，载荷传感器和位移测量机构均连接至数据采集系统。加载装置向下施加载荷，并产生使钎缝开裂的水平分力，试样通过弧形凹槽转动设置在圆形凸台上，楔形压头永远垂直于试样加载，保证了加载线与钎缝平行，提高了载荷数据的可靠性。装置稳定、可靠，且易于形成统一的钎焊接头断裂韧性测试标准。
优选的，在钎缝上方的两个母材之间还开设有一个圆形缺口，在圆形缺口的上侧开设有平行坡口，楔形压头设置在平行坡口的上侧。圆形缺口可以防止发生应力集中，提高测试准确率。
优选的，所述平行坡口的宽度为试样横向长度的0.02～0.1倍，如果平行坡口的宽度太小不利于装夹引伸计弹簧片，如果平行坡口的宽度太大，则对试样要求过大，浪费材料。圆形缺口的半径为平行坡口宽度的1.5～2.0倍，如果圆形缺口的半径太小，则对试样缺口张开位移测量的准确性造成影响，如果圆形缺口的半径太大，则会影响裂纹扩展速率。
优选的，在所述平行坡口上端设有V形坡口，楔形压头下端位于V形坡口内，加载装置还包括压杆，楔形压头固定在压杆下端，载荷传感器与压杆连接。楔形压头缓慢向下压入，通过力的传递作用，压杆上的力传递到试样两端，由于楔形压头永远垂直于试样加载，所以压头分配在V形坡口两端面的受力大小一致，保证作用在试样水平方向上的力与试样钎缝垂直，确保了钎焊接头裂纹扩展的外界无干扰性。
优选的，在所述钎缝正上方的两个母材之间开设有V形坡口，楔形压头下端位于V形坡口内。楔形压头缓慢向下压入，通过力的传递作用，压杆上的力传递到试样两端，由于楔形压头永远垂直于试样加载，所以压头分配在V形坡口两端面的受力大小一致，保证作用在试样水平方向上的力与试样钎缝垂直，确保了钎焊接头裂纹扩展的外界无干扰性。
优选的，所述V形坡口的角度为20～40°。经过试验证明，在此角度范围内，对钎焊接头的断裂韧性的测试是最佳的。如果角度小于20°，由楔形压头传递至试样水平方向的载荷过大，载荷变化量过大，不易控制，且楔形压头容易压至中部圆形缺口，对缺口尖端的位移测量造成影响。如果角度大于40°，由楔形压头传递至试样水平方向的载荷过小，增大了断裂韧性测试试验机的载荷容量，并且增大了压头与试样之间的摩擦力，导致楔形压头压入试样困难。
优选的，在所述钎缝的上端开设有一个竖向的预裂纹切口。预裂纹切口减小试样裂纹的起裂时间，提高测试效率。
优选的，所述位移测量机构为引伸计，引伸计包括位移传感器、引伸计弹簧片和引伸计支座，位移传感器通过引伸计支座固定设置，两个引伸计弹簧片分别连接位移传感器，在两个母材相邻的面上开设有方形小凹槽，方向小凹槽位于钎缝上方，两个引伸计弹簧片分别卡接在方形小凹槽内。引伸计弹簧片与试样接触而感受试样平行坡口间距内的伸长，在引伸计弹簧片上下两面分别贴有应变片，通过产生的应变量获得缺口尖端的位移变化，位移传感器放于试验机支撑平台上，载荷传感器和位移传感器通过数据线分别将所测数据传输到数据分析采集仪上，数据分析采集仪将连续记录载荷增加与裂纹扩展情况的载荷-位移曲线。根据曲线上表明裂纹失稳扩展临界状态的载荷及试样断裂后测出的与临界载荷相对应的裂纹长度，代入应力强度因子表达式，从而求出钎焊接头的断裂韧性值。
优选的，所述引伸计有两个，分别设置在试样的两侧。在试样两侧分别接入同规格的引伸计，通过数据线传入数据分析采集仪，在数据分析采集仪中，通过算法设计，取两引伸计获得的位移变化值的平均值作为试样的整体位移变化值。与常规断裂韧性测试装置相比，保证了位移数据的稳定性和可靠性。
优选的，所述支撑座中部具有向上突起的支撑部，支撑部为倒置的V形，圆形凸台固定在支撑部的上端，支撑部两侧面的夹角为90～120°。如果角度小于90°，则支撑座的圆形凸台会对试样底部的弧形圆槽的应力集中造成影响，从而影响钎焊接头的裂纹扩展速率。如果角度大于120°，则对于延展性较好的钎焊接头而言，钎焊接头的两端面有可能在断裂之前贴近支撑座的两面，从而阻碍钎焊接头裂纹的继续扩展。
本发明中所述的楔形压头和支撑座均由高强度高硬度的硬质合金制成。试验力传感器加载装置采用常用的万能材料试验机载荷加载装置。载荷传感器为一钢制圆筒弹性元件，弹性元件上贴有电阻应变片，受载时圆筒变形，由应变片输出载荷讯号。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：加载装置向下施加载荷，并产生使钎缝开裂的水平分力，试样通过弧形凹槽转动设置在圆形凸台上，楔形压头永远垂直于试样加载，保证了加载线与钎缝平行，提高了载荷数据的可靠性。楔形压头能够在待测试样上产生较大的水平力，降低了断裂韧性测试试验机的载荷容量,装置稳定、可靠，且易于形成统一的钎焊接头断裂韧性测试标准。
附图说明
图1为该钎焊接头断裂韧性测试装置的结构示意图。
图2为试样的结构示意图。
图3为本发明的钎焊接头断裂韧性测试装置引伸计安装示意图。
图4为本发明的钎焊接头断裂韧性测试装置支撑座立体示意图。
图5为本发明的钎焊接头断裂韧性测试装置楔形压头受力分析示意图。
其中：1、试样2、楔形压头3、压杆4、载荷传感器5、数据分析采集仪6、引伸计7、支撑座8、螺栓9、试验机支撑平台11、弧形凹槽12、钎缝13、母材14、圆形缺口15、V型坡口16、平行坡口17、方形小凹槽18、预裂纹切口61、位移传感器62、引伸计弹簧片63、引伸计支座71、螺栓槽72、圆形凸台。
具体实施方式
图1～5是该钎焊接头断裂韧性测试装置的最佳实施例，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明。
该钎焊接头断裂韧性测试装置，包括支撑座7、加载装置和数据采集系统，支撑座7的上侧设有一圆形凸台72，圆形凸台72的轴线水平设置，试样1包括两个母材13，两个母材13相邻竖直边的下部通过钎焊连接，试样1在钎缝12下端开设有一个与圆形凸台72相配合的弧形凹槽11，试样1通过弧形凹槽11转动设置在圆形凸台72上，加载装置包括一个楔形压头2，楔形压头2设置在钎缝12上方的两个母材13之间，两个母材13之间还连接有测量试样1张开位移量的位移测量机构，加载装置连接有载荷传感器4，载荷传感器4和位移测量机构均连接至数据采集系统。加载装置向下施加载荷，并产生使钎缝12开裂的水平分力，试样1通过弧形凹槽11转动设置在圆形凸台72上，楔形压头2永远垂直于试样1加载，保证了加载线与钎缝12平行，提高了载荷数据的可靠性。装置稳定、可靠，且易于形成统一的钎焊接头断裂韧性测试标准。在本实施例中弧形凹槽11为半圆形，圆形凸台72半径与试样1底部的弧形凹槽11半径相等。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本申请的保护范围。
参照图1～2，为便于测试，在平行于钎缝12的方向上加工一系列的缺口，在试样1的中部开设一个圆形缺口14，圆形缺口14设置为圆形，以致不会形成应力集中，在中部圆形缺口14底部开有宽度为2mm的预裂纹切口18，用于促进裂纹的扩展和降低裂纹起裂时间，在圆形缺口14上部设有一个方形小凹槽17，用于固定位移测量机构，测量裂纹尖端张开位移。在圆形缺口14上部依次为平行坡口16和V型坡口15，V型坡口15角度与楔形压头2的角度相同，用于支撑楔形压头2，平行坡口16用于限制楔形压头2的尖端继续向下移动以致于阻碍裂纹尖端位移的测量，楔形压头2缓慢向下压入，通过力的传递作用，压杆3上的力传递到试样1两端，由于楔形压头2永远垂直于试样1加载，所以压头分配在V形坡口两端面的受力大小一致，保证作用在试样1水平方向上的力与试样1钎缝垂直，确保了钎焊接头裂纹扩展的外界无干扰性。
较佳的，平行坡口16的宽度为试样1横向长度的0.02～0.1倍，如果平行坡口16的宽度太小不利于装夹引伸计弹簧片62，如果平行坡口16的宽度太大，则对试样1要求过大，浪费材料。圆形缺口14的半径为平行坡口16宽度的1.5～2.0倍，如果圆形缺口14的半径太小，则对试样缺口张开位移测量的准确性造成影响，如果圆形缺口14的半径太大，则会影响裂纹扩展速率。V形坡口的角度为20～40°。经过试验证明，在此角度范围内，对钎焊接头的断裂韧性的测试是最佳的。如果角度小于20°，由楔形压头2传递至试样1水平方向的载荷过大，载荷变化量过大，不易控制，且楔形压头2容易压至中部圆形缺口14，对缺口尖端的位移测量造成影响。如果角度大于40°，由楔形压头2传递至试样1水平方向的载荷过小，增大了断裂韧性测试试验机的载荷容量，并且增大了压头与试样1之间的摩擦力，导致楔形压头2压入试样1困难。
参照图3，本实施例中的位移测量机构为引伸计6，且为双工夹式引伸计，引伸计6包括位移传感器61、引伸计弹簧片62和引伸计支座63，位移传感器61通过引伸计支座63固定设置，两个引伸计弹簧片62分别连接位移传感器61，在两个母材13相邻的面上开设有方形小凹槽17，方向小凹槽位于钎缝12上方，两个引伸计弹簧片62分别卡接在方形小凹槽17内，待引伸计弹簧片62安装好以后，将引伸计6支撑杆63固定在试验机支撑平台9上，保持位移传感器61在测试过程中不发生位置变化。
两个引伸计6分别设置在试样1的两侧，在试样1两侧分别接入同规格的引伸计6，通过数据线传入数据分析采集仪5，在数据分析采集仪5中，通过算法设计，取两引伸计6获得的位移变化值的平均值作为试样1的整体位移变化值。与常规断裂韧性测试装置相比，保证了位移数据的稳定性和可靠性。
参照图4，支撑座7为山形支座，在支撑座7两端及试验机支撑平台9上分别设有螺栓槽71，将螺栓8插入支撑座7和试验机支撑平台9的螺栓槽71中，固定好支撑座7和试验机支撑平台9。支撑座7中部具有向上突起的支撑部，支撑部为倒置的V形，圆形凸台72固定在支撑部的上端，支撑部两侧面的夹角为90～120°。如果角度小于90°，则支撑座7的圆形凸台72会对试样1底部的弧形圆槽的应力集中造成影响，从而影响钎焊接头的裂纹扩展速率。如果角度大于120°，则对于延展性较好的钎焊接头而言，钎焊接头的两端面有可能在断裂之前贴近支撑座7的两面，从而阻碍钎焊接头裂纹的继续扩展。
参照图5，本装置的楔形压头2的两斜面角度与试样1的V型坡口15的角度一致，加载力通过压杆3传到楔形压头2。载荷传感器4所记录的载荷是楔形压头2的载荷变化量，而不是作用在试样1的水平方向的载荷，这需要通过换算将压头的载荷转换为作用试样1水平方向的载荷。楔形压头2角度用θ表示，设楔形压头2载荷为Pv，楔形压头2两面与V形坡口紧密贴合，设楔形压头2在贴合面上受到的来自试样1的压力为N、摩擦力为Pf，假设楔形压头2和试样1贴合面间的摩擦系数为μ，根据受力分析，得到试样1受到的来自压头的水平方向的载荷为Pk，Pk计算公式如下：
由于摩擦系数μ和楔形角θ均较小，μtanθ及tanθ一项可忽略不计，因此上式可以表示为：
由上式可以看出，当θ为10～20°时，作用在试样1水平方向的载荷Pk为楔形压头2的载荷的1.374～2.833倍，可以看出，受到较小的楔形压头2的载荷能够在试样1上产生较大的水平力，从而降低了断裂韧性测试试验机的载荷容量。
本发明装置的具体工作过程描述如下：
(1)通过螺栓8将支撑座7安装在试验机支撑平台9上。
(2)将载荷传感器4和引伸计6的接线分别接入数据分析采集仪5。
(3)在加工好的试样1放于支撑座7上。
(4)将引伸计6的引伸计弹簧片62卡入试样1的方形小凹槽17内，调节引伸计支座63，保证引伸计弹簧片62与试样1平行。
(5)移动压杆3，使楔形压头2处于试样1V型坡口15上方，并且保证楔形压头2与试样1对正，即使楔形压头2中心线与支撑座7中心线重合。
(6)检查接线完好无误。
(7)开动装置，使装置楔形压头2缓缓下降，对试样1缓慢而均匀地加载。
(8)压断试样1，从数据分析采集仪5上取下记录载荷位移曲线。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：包括支撑座（7）、加载装置和数据采集系统，支撑座（7）的上侧设有一圆形凸台（72），圆形凸台（72）的轴线水平设置，试样（1）包括两个母材（13），两个母材（13）相邻竖直边的下部通过钎焊连接，试样（1）在钎缝（12）下端开设有一个与圆形凸台（72）相配合的弧形凹槽（11），试样（1）通过弧形凹槽（11）转动设置在圆形凸台（72）上，加载装置包括一个楔形压头（2），楔形压头（2）设置在钎缝（12）上方的两个母材（13）之间，两个母材（13）之间还连接有测量试样（1）张开位移量的位移测量机构，加载装置连接有载荷传感器（4），载荷传感器（4）和位移测量机构均连接至数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：在钎缝（12）上方的两个母材（13）之间还开设有一个圆形缺口（14），在圆形缺口（14）的上侧开设有平行坡口（16），楔形压头（2）设置在平行坡口（16）的上侧。
3.根据权利要求2所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：所述平行坡口（16）的宽度为试样（1）横向长度的0.02~0.1倍，圆形缺口（14）的半径为平行坡口（16）宽度的1.5~2.0倍。
4.根据权利要求2所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：在所述平行坡口（16）上端设有V形坡口，楔形压头（2）下端位于V形坡口内，加载装置还包括压杆（3），楔形压头（2）固定在压杆（3）下端，载荷传感器（4）与压杆（3）连接。
5.根据权利要求1所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：在所述钎缝（12）正上方的两个母材（13）之间开设有V形坡口，楔形压头（2）下端位于V形坡口内。
6.根据权利要求4或5所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：所述V形坡口的角度为20~40°。
7.根据权利要求1所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：所述位移测量机构为引伸计（6），引伸计（6）包括位移传感器（61）、引伸计弹簧片（62）和引伸计支座（63），位移传感器（61）通过引伸计支座（63）固定设置，两个引伸计弹簧片（62）分别连接位移传感器（61），在两个母材（13）相邻的面上开设有方形小凹槽（17），方向小凹槽位于钎缝（12）上方，两个引伸计弹簧片（62）分别卡接在方形小凹槽（17）内。
8.根据权利要求7所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：所述引伸计（6）有两个，分别设置在试样（1）的两侧。
9.根据权利要求1所述的钎焊接头断裂韧性测试装置，其特征在于：所述支撑座（7）中部具有向上突起的支撑部，支撑部为倒置的V形，圆形凸台（72）固定在支撑部的上端，支撑部两侧面的夹角为90~120°。
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