CN108760472A - 一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法 - Google Patents

一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法 Download PDF

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朱盼
王江龙
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Abstract

本发明公开了一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法，该装置为截面呈“凸”字型的夹具，其一端为夹持部，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽及焊缝卡槽组合而成，所述焊缝卡槽位于样条卡槽一侧的中部，所述样条卡槽及焊缝卡槽相互连通。所述样条卡槽及焊缝卡槽的组合形状呈旋转90°的“T”字型。本发明的实验装置和实验方法，保证了焊缝受力和实际使用时焊缝力一致，评判试验数据时，通过试验所得数据计算单位长度焊缝，然后再和许用压力条件下管子接口对焊缝单位长度上的承载力要求进行对比，能通过小样试验出的单位长度焊缝承载力去反映整个管子焊缝的承载力，方法简便易行，经多次试验数据证明，该方法测得的数据真实可靠。

Description

一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法。
背景技术
球墨铸铁以其优异的综合力学性能和耐腐蚀性被广泛应用，球墨铸铁中的碳是以细小圆整的球状石墨形式存在于金属集体中，基体可以是单一的铁素体组织、珠光体组织，或者两者的混合组织。由于球状石墨的表面积与体积之比最小，故对基体的割裂最小，因此球墨铸铁具有更高的强度、塑性和韧性，其强度接近于碳钢，同时具有铸铁的耐腐蚀性和缺口不敏感性。
球墨铸铁含C＞2％，焊接性极差，焊接时容易出现白口、淬硬组织和焊接裂纹，同时还要保证焊缝组织、性能与母材相匹配，对工艺和焊材的要求很高。母材靠近焊缝的热影响区，焊接时基体中的基体和球状石墨因高温发生变化，会产生一层珠光体含量很高、石墨球化较差、片状渗碳体组织，这种组织硬而脆，为焊接结构的薄弱位置，受力时极易产生失效破坏。
本专利涉及的焊接结构包含但不局限于图1所示接口形式(图1中，1-插口；2-挡环；3-焊环；4-承口；5-橡胶密封圈)，环形焊缝位于球墨铸铁管的插口端，采用表面堆焊的方法堆焊的环形堆焊焊缝。环形堆焊焊缝作为自锚型接口的一部分，通过挡环作用于承口，起到防止插口拔脱的作用。对于球墨铸铁材料的这种焊接结构，在制定焊接工艺和进行焊接工艺评定实验时存在以下问题，包括：
(1)球墨铸铁管规格较大，无法进行全尺寸实验；
(2)国内外缺乏相关的球墨铸铁环形堆焊焊缝力学性能评定实验方法和标准；
(3)球墨铸铁焊接性差，焊缝根部的热影响区为薄弱区，同时此区域为应力集中区，可能在此处优先开裂破坏；
(4)无法制取标准剪切、拉伸、弯曲试样，并且单纯的材料测试也不能反映焊接结构的承载性能。
因此，有必要设计一种用于评定上述焊接结构中环形堆焊焊缝力学性能的实验装置及实验方法，该方法必须综合考虑服役时的焊缝受力特点、焊接结构及应力集中、热影响区组织和性能特点等因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种焊接结构的力学性能实验装置及实验方法。该方法综合考虑了焊接结构的受力特点、应力集中和热影响区的组织特点，能够科学合理的反映焊接结构和材料特性及其对承载性能的影响。
本发明提供以下技术方案：
一种焊接结构的力学性能实验装置，为截面呈“凸”字型的夹具，其一端为夹持部，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽及焊缝卡槽组合而成，所述焊缝卡槽位于样条卡槽一侧的中部，所述样条卡槽及焊缝卡槽相互连通。
本发明所述的焊接结构的力学性能实验装置，其中，所述样条卡槽及焊缝卡槽的组合形状呈旋转90°的“T”字型。
本发明所述的焊接结构的力学性能实验装置，其中，所述样条卡槽的宽度略大于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述焊缝卡槽的宽度略大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度；所述焊缝卡槽的高度大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的宽度。
本发明所述的力学性能实验装置的试样条，其中，所述试样条呈长方体形状，所述试样条的一侧设有凸块；所述凸块呈长方形；所述试样条的长度大于样条卡槽的长度。
本发明所述的试样条，其中，所述试样条的厚度等于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述凸块的厚度略大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度。
一种焊接结构的力学性能实验方法，包括以下步骤：
(1)实验装置的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作焊接结构的力学性能实验装置；所述力学性能实验装置为截面呈“凸”字型的夹具，其一端为夹持部，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽及焊缝卡槽组合而成，所述焊缝卡槽位于样条卡槽一侧的中部，所述样条卡槽及焊缝卡槽相互连通；
(2)试样条的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作试样条，所述试样条呈长方体形状，所述试样条的一侧设有凸块；所述凸块呈长方形；
(3)拉伸实验：测量试样条的尺寸并记录、输入到电脑，将加工好的试样条置于夹具的卡槽内，试样条和夹具的另一端分别加持在拉伸试验机的两端，进行试样拉伸；
(4)数据分析：拉伸断裂后，分析断裂部位，记录数据，计算单位长度焊缝的承载力；
(5)性能评价：根据单位长度焊缝的受力计算出整个周长上焊缝的抗拉力，然后和接口所要承受的轴向拉力做对比，评价球墨铸铁管是否符合设计要求；
其中，接口所受轴向拉力＝π×(DE/2)2×P压力)。
环形堆焊焊缝的受力特点如图2所示，焊缝的受力以挡块轴向的压力为主，焊缝受力面的根部会产生一个扭矩，呈现多向应力状态；同时焊缝受力面的根部焊接热影响区性能薄弱并且存在应力集中，极易优先破坏失效。因此，评定环形堆焊焊缝的力学性能时，必须将焊缝及其根部附近区域作为一个整体去进行评价。考虑到全尺寸球墨铸铁管进行试验的太复杂和载荷过大，切取圆周方向上宽(B)、长(L)样条进行试验，如图3所示。因为焊缝在圆周方向上受力是均匀的，只要试验圆周上单位长度焊缝的承载力即可表征整个管子焊缝总承载力。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
(1)本发明的实验方法中试验样品的制取综合考虑了焊接结构、应力集中、热影响区组织性能等对承载的影响；考虑到了焊接热影响区材料特性、使用时受力和焊接结构的结构特点，试验试样包含了焊缝及其附近受力复杂且性能薄弱的区域，将其作为一个整体去进行试验。
(2)本发明的实验装置和实验方法，保证了焊缝受力和实际使用时焊缝力一致，评判试验数据时，通过试验所得数据计算单位长度焊缝，然后再和许用压力条件下管子接口对焊缝单位长度上的承载力要求进行对比，能通过小样试验出的单位长度焊缝承载力去反映整个管子焊缝的承载力，方法简便易行，经多次试验数据证明，该方法测得的数据真实可靠。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明的焊接结构的力学性能实验装置及实验方法作进一步说明。
附图说明
图1为球墨铸铁自锚管及附件的示意图；
图2为环形堆焊焊缝受力分析示意图；
图3为本发明的环形堆焊焊缝力学性能试验装置的立体图；
图4为小尺寸力学性能评定试验样条的主视图和俯视图；
图5为本发明的环形堆焊焊缝力学性能试验装置试验中的主视图；
图6为本发明的环形堆焊焊缝力学性能试验装置的主视图；
图7为DN1600球墨铸铁自锚管环形堆焊焊缝拉伸试样照片；
图8为DN1600球墨铸铁自锚管环形堆焊焊缝拉伸试验装置使用中的照片。
具体实施方式
实施例1
如图3-6所示，一种焊接结构的力学性能实验装置，为截面呈“凸”字型的夹具10，其一端为夹持部101，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽102及焊缝卡槽103组合而成，所述焊缝卡槽103位于样条卡槽102一侧的中部，所述样条卡槽102及焊缝卡槽103相互连通。
样条卡槽102及焊缝卡槽103的组合形状呈旋转90°的“T”字型。
样条卡槽102的宽度略大于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述焊缝卡槽103的宽度大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度；所述焊缝卡槽103的高度大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的宽度。
用于上述力学性能实验装置的试样条20呈长方体形状，所述试样条20的一侧设有凸块201；所述凸块201呈长方形；所述试样条的长度大于样条卡槽102的长度。
试样条20的厚度等于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述凸块201的厚度略大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度。
一种焊接结构的力学性能实验方法，包括以下步骤：
(1)实验装置的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作焊接结构的力学性能实验装置；所述力学性能实验装置为截面呈“凸”字型的夹具10，其一端为夹持部101，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽102及焊缝卡槽103组合而成，所述焊缝卡槽103位于样条卡槽102一侧的中部，所述样条卡槽102及焊缝卡槽103相互连通；
(2)试样条的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作试样条，所述试样条20呈长方体形状，所述试样条20的一侧设有凸块201；所述凸块201呈长方形；
(3)拉伸实验：测量试样条20的尺寸并记录、输入到电脑，将加工好的试样条20置于夹具10的卡槽内，试样条20和夹具10的另一端分别加持在拉伸试验机的两端，进行试样拉伸；
(4)数据分析：拉伸断裂后，分析断裂部位，记录数据，计算单位长度焊缝的承载力；
(5)性能评价：根据单位长度焊缝的受力计算出整个周长上焊缝的抗拉力，然后和接口所要承受的轴向拉力做对比，评价球墨铸铁管是否符合设计要求；
其中，接口所受轴向拉力＝π×(DE/2)2×P压力)。
实施例2
采用实施例1的方法对输水用DN1600Xanchor型球墨铸铁自锚管插口端的环形堆焊焊缝进行力学性能试验，评定其堆焊焊接工艺可靠性。球墨铸铁管结构示意如图1所示，其规格尺寸、使用要求详见表1。
表1 DN1600 Xanchor型球墨铸铁自锚管尺寸规格和使用要求
按照前面所述取样方法进行取样，试样宽度B为10mm、长度L为250mm试样如图7所示。同时根据表1中的数据，设计加工拉伸试验所用夹具，如图8所示。
拉伸试验的试验结果及其性能分析如表2所示。
表2 DN1600球墨铸铁自锚管环形堆焊焊缝拉伸试验结果及其分析
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种焊接结构的力学性能实验装置，其特征在于：为截面呈“凸”字型的夹具(10)，其一端为夹持部(101)，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽(102)及焊缝卡槽(103)组合而成，所述焊缝卡槽(103)位于样条卡槽(102)一侧的中部，所述样条卡槽(102)及焊缝卡槽(103)相互连通。
2.根据权利要求1所述的焊接结构的力学性能实验装置，其特征在于：所述样条卡槽(102)及焊缝卡槽(103)的组合形状呈旋转90°的“T”字型。
3.根据权利要求2所述的焊接结构的力学性能实验装置，其特征在于：所述样条卡槽(102)的宽度略大于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述焊缝卡槽(103)的宽度大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度；所述焊缝卡槽(103)的高度大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的宽度。
4.用于权利要求1-3任一所述的力学性能实验装置的试样条，其特征在于：所述试样条(20)呈长方体形状，所述试样条(20)的一侧设有凸块(201)；所述凸块(201)呈长方形；所述试样条的长度大于样条卡槽(102)的长度。
5.根据权利要求4所述的试样条，其特征在于：所述试样条(20)的厚度等于待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚；所述凸块(201)的厚度略大于待模拟试验的球墨铸铁管中环形焊环的高度。
6.一种焊接结构的力学性能实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实验装置的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作焊接结构的力学性能实验装置；所述力学性能实验装置为截面呈“凸”字型的夹具(10)，其一端为夹持部(101)，另一端设有开口的卡槽，所述卡槽由样条卡槽(102)及焊缝卡槽(103)组合而成，所述焊缝卡槽(103)位于样条卡槽(102)一侧的中部，所述样条卡槽(102)及焊缝卡槽(103)相互连通；
(2)试样条的加工：根据待模拟试验的球墨铸铁管的壁厚和环形焊环尺寸，设计制作试样条，所述试样条(20)呈长方体形状，所述试样条(20)的一侧设有凸块(201)；所述凸块(201)呈长方形；
(3)拉伸实验：测量试样条(20)的尺寸并记录、输入到电脑，将加工好的试样条(20)置于夹具(10)的卡槽内，试样条(20)和夹具(10)的另一端分别加持在拉伸试验机的两端，进行试样拉伸；
(4)数据分析：拉伸断裂后，分析断裂部位，记录数据，计算单位长度焊缝的承载力；
(5)性能评价：根据单位长度焊缝的受力计算出整个周长上焊缝的抗拉力，然后和接口所要承受的轴向拉力做对比，评价球墨铸铁管是否符合设计要求；
其中，接口所受轴向拉力＝π×(DE/2)2×P压力)。
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