CN109946181B - 一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置及方法，包括：用于在待测试金属焊接管件端部产生径向恒定磁场的第一、第二恒定磁场线圈；用于在待测试金属焊接管件端部产生感应涡流的第一、第二脉冲磁场线圈；用于构成恒定磁场磁回路的第一、第二环型磁轭；所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型；所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽；第一、二脉冲磁场线圈的环形通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应；待测试金属焊接管件上半部分的上端位于第一环型磁轭的间隙内；待测试金属焊接管件下半部分的下端位于第二环型磁轭的间隙内。本发明可为待测试金属焊接管件提供均匀的单向拉伸脉冲电磁力；因为不存在夹持点，不存在夹持点应力集中现象；同时通过改变电磁力的脉宽，可实现不同应变率的加载。
Description
技术领域
本发明属于金属材料测试领域，具体涉及一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置及方法，主要用于金属焊接管件接头冲击强度测试。
背景技术
金属焊接管件接头的质量直接影响整个零部件的机械性能，对其进行单向拉伸冲击强度测试可校验其冲击强度。然后，现有单向拉伸测试中，采用机械力加载，存在以下问题：机械夹持施力点存在应力集中，会影响单向拉伸试验结果；加载速度慢，属于准静态加载，无法模拟高应变率下的单向拉伸冲击强度。
中国专利“一种大尺寸金属焊接管件拉伸方法（CN 106424176 A）”公开了一种大尺寸金属焊接管件拉伸方法，采用辅助槽上的圆形槽体使得金属焊接管件两端在敲打和加紧的过程中不易使金属焊接管件的未开设辅助槽的部分变形。然而采用机械加载不可避免的存在夹持点的应力集中。
中国专利“碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件拉伸性能测试方法（CN105403457 B）”公开了一种碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件拉伸性能测试方法，采用胶接连接技术替代机械连接技术制备碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件力学拉伸试验件，并设计转接夹具将拉伸试验件装卡在力学试验机上，然后对拉伸试验件进行加载，最后得到破坏载荷和相应的变形值。该发明解决了现有碳纤维增强树脂基复合材料管材力学性能测试方法不适用于薄壁复合材料管件的问题，通过采用新型拉伸试验件制备方法，避免了机械连接导致的金属接头破坏管件的问题，为碳纤维薄壁复合材料管件提供了一种新的试验方法。然而该方法只适用于碳纤维材料，不适用于金属焊接管件。
中国专利“一种电磁冲击动态拉伸试验方法及装置（CN 102109436 B）”提供了一种电磁冲击动态拉伸试验方法及装置，将拉伸试件穿过电磁脉冲装置的中心孔，电磁脉冲装置激发强脉冲磁场，在靶材和电磁脉冲线圈之间产生电磁力的作用，使安装在靶材和支架间的拉伸试件获得直接的瞬间拉力，完成拉伸试件的动态拉伸试验。然而这一方法不适合金属焊接管件的电磁力施加。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置及方法，可为待测试金属焊接管件提供均匀的单向拉伸脉冲电磁力；因为不存在夹持点，不存在夹持点应力集中现象；同时通过改变电磁力的脉宽，可实现不同应变率的加载。
本发明采取的技术方案为：
一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，包括：
用于在待测试金属焊接管件端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈、第二恒定磁场线圈；
用于在待测试金属焊接管件端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈、第二脉冲磁场线圈；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭、第二环型磁轭；
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭的间隙开设于下边，第二环型磁轭的间隙开设于上边；
所述第一恒定磁场线圈位于第一环型磁轭空腔上部，第二恒定磁场线圈位于第二环型磁轭空腔下部；所述恒定磁场线圈连接直流电源；
所述第一脉冲磁场线圈位于第一环型磁轭空腔下部，第二脉冲磁场线圈位于第二环型磁轭空腔上部；所述脉冲磁场线圈连接脉冲电源；
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽；第一、二脉冲磁场线圈的环形通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应；
待测试金属焊接管件上半部分的上端位于第一环型磁轭的间隙内；待测试金属焊接管件下半部分的下端位于第二环型磁轭的间隙内。
所述第一环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分的内径小0.2-0.5mm，第一环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分的外径大0.2-0.5mm；所述第二环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分的内径小0.2-0.5mm，第二环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分的外径大0.2-0.5mm。
所述第一、二环型磁轭均由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
所述第一脉冲磁场线圈的环形通槽内侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分的内径小0.2-0.5mm，第一脉冲磁场线圈的环形通槽的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分的外径大0.2-0.5mm；所述第二脉冲磁场线圈的环形通槽内侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分的内径小0.2-0.5mm，第二脉冲磁场线圈的环形通槽的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分的外径大0.2-0.5mm。
所述第一脉冲磁场线圈的匝数与第二脉冲磁场线圈的匝数之比，等于待测试金属焊接管件下半部分的内径与待测试金属焊接管件上半部分的内径之比。
一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的方法，
将第一恒定磁场线圈置于第一环型磁轭的空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈置于第二环型磁轭的空腔下部区域；将第一脉冲磁场线圈置于第一环型磁轭内部，且使第一脉冲磁场线圈的环形通槽与第一环型磁轭的间隙对齐；将第二脉冲磁场线圈置于第二环型磁轭的内部，且使第二脉冲磁场线圈的环形通槽与第二环型磁轭的间隙对齐；
将待测试金属焊接管件上半部分的上端置于第一环型磁轭的间隙内，将待测试金属焊接管件下半部分的下端置于第二环型磁轭的间隙内；
所述第一恒定磁场线圈、第一脉冲磁场线圈、待测试金属焊接管件、第二恒定磁场线圈、第二脉冲磁场线圈、第一环型磁轭、第二环型磁轭中心轴重合；
采用直流电源给串联的第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；
采用脉冲电源给串联的第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流和变化的磁场，变化的磁场在待测试金属焊接管件中产生环向感应涡流；
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力；
待测试金属焊接管件上半部分的上端受到向上的轴向电磁力，同一时刻待测试金属焊接管件下半部分的下端受到向下的轴向电磁力，完成焊接接头冲击强度测试。
径向向外的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力；或者径向向内的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力。
径向向外的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力；或者径向向内的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力。
调节脉冲磁场线圈的脉冲电流，能够实现不同电磁力和应变速率的加载。
本发明一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置及方法，优点在于：
1、可为待测试金属焊接管件提供均匀的单向拉伸脉冲电磁力；
2、因为不存在夹持点，不存在夹持点应力集中现象；
3、同时通过改变电磁力的脉宽，可实现不同应变率的加载。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置2/3剖面示意图。
图2为脉冲磁场线圈的脉冲电流示意图。
其中：
1.1-第一恒定磁场线圈，1.2-第二恒定磁场线圈；
2.1-第一脉冲磁场线圈，2.2-第二脉冲磁场线圈；2.3-第一脉冲磁场线圈的环形通槽；2.4-第二脉冲磁场线圈的环形通槽。
3.1-第一环型磁轭，3.2-第二环型磁轭；3.3-间隙；
4-脉冲电源；
5-直流电源；
6.1-待测试金属焊接管件上半部分，6.2-待测试金属焊接管件下半部分，6.3-焊接接头；
7-脉冲磁场线圈的脉冲电流。
具体实施方式
一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，包括：
用于在待测试金属焊接管件端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈1.1、第二恒定磁场线圈1.2；
用于在待测试金属焊接管件端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈2.1、第二脉冲磁场线圈2.2；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭3.1、第二环型磁轭3.2。
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭3.1的间隙开设于下边，第二环型磁轭3.2的间隙开设于上边；
所述第一恒定磁场线圈1.1位于第一环型磁轭3.1空腔上部，第二环型磁轭3.2位于第一环型磁轭3.1空腔下部；所述恒定磁场线圈连接直流电源5；第一、二恒定磁场线圈几何参数一致，且串联由直流电源5提供直流电流。
所述第一脉冲磁场线圈2.1位于第一环型磁轭3.1空腔下部，第二脉冲磁场线圈2.2位于第二环型磁轭3.2空腔上部；所述脉冲磁场线圈连接脉冲电源4。第一、二脉冲磁场线圈串联，由脉冲电源4提供脉冲电流。
第一恒定磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第一脉冲磁场线圈放置在第一环型磁轭3.1的矩形框架型空腔内部为限制。
第二恒定磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第二脉冲磁场线圈放置在第二环型磁轭3.2的矩形框架型空腔内部为限制。
第一脉冲磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第一恒定磁场线圈放置在第一环型磁轭3.1的矩形框架型空腔内部为限制。
第二脉冲磁场线圈是传统的线圈，由铜线绕制而成，几何尺寸以能同时和第二恒定磁场线圈放置在第二环型磁轭3.2的矩形框架型空腔内部为限制。
脉冲电源4 采用脉冲电容器100uF。
直流电源5采用直流蓄电池400V。
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽；第一、二脉冲磁场线圈的环形通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应。
待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端位于第一环型磁轭3.1的间隙内；待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端位于第二环型磁轭3.2的间隙内。
所述环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件的内径小0.2-0.5mm，环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件的外径大0.2-0.5mm。
第一脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽,是为了给待测试金属焊接管件上半部分6.1向上拉伸时预留轴向空间，同时因为环形通槽位于第一脉冲磁场线圈的绕组中部，这样可以尽可能减小径向电磁力；第二脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽是为了给待测试金属焊接管件下半部分6.2向下拉伸时预留轴向空间，同时因为环形通槽位于第二脉冲磁场线圈的绕组中部，这样可以尽可能减小径向电磁力。
待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端位于第一环型磁轭3.1的间隙内；待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端位于第二环型磁轭3.2的间隙内.是为了使其径向恒定磁场足够大，以产生足够的轴向电磁力；“环型磁轭的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件的内径小0.2-0.5mm，环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件的外径大0.2-0.5mm”是为了待测试金属焊接管件在间隙内有足够的移动空间，无接触、无摩擦。
所述第一、二环型磁轭均由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。可使第一、二环型磁轭中没有感应涡流，减少损耗。硅钢片过薄成本增加，过厚则损耗增加。
所述环形通槽内侧环形边缘较待测试金属焊接管件的内径小0.2-0.5mm，环型磁轭的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件的外径大0.2-0.5mm。为了待测试金属焊接管件在间隙内有足够的移动空间，无接触、无摩擦。
为了保证向下的轴向电磁力和向上的轴向电磁力保持大小相等、方向相反而给的约束。所述第一脉冲磁场线圈2.1的匝数与第二脉冲磁场线圈2.2的匝数之比，等于待测试金属焊接管件下半部分6.2的内径与待测试金属焊接管件上半部分6.1的内径之比。
一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的方法，将第一恒定磁场线圈1.1置于第一环型磁轭3.1的空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈1.2置于第二环型磁轭3.2的的空腔下部区域；将第一脉冲磁场线圈2.1置于第一环型磁轭3.1内部，且使其环形通槽与第一环型磁轭3.1的间隙对齐；将第二脉冲磁场线圈2.2置于第二环型磁轭3.2的内部，且使其环形通槽与第二环型磁轭3.2的间隙对齐；
将待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端置于第一环型磁轭3.1的间隙内，将待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端置于第二环型磁轭3.2的间隙内；
所述第一恒定磁场线圈1.1、第一脉冲磁场线圈2.1、待测试金属焊接管件上半部分6.1、焊接接头6.3、、待测试金属焊接管件下半部分6.2、第二脉冲磁场线圈2.2、第一脉冲磁场线圈2.1由上至下依次布置；且它们中心轴重合；
采用直流电源给串联的第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；
采用脉冲电源给串联的第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流和变化的磁场，变化的磁场在待测试金属焊接管件中产生环向感应涡流；
径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用，产生轴向脉冲电磁力；
待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端受到向上的轴向电磁力，同一时刻待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端受到向下的轴向电磁力，完成焊接接头6.3冲击强度测试。
径向向外的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力；或者径向向内的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向上的轴向电磁力。F=J×B，方向由左手定则判断。
径向向外的恒定磁场与逆时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力；或者径向向内的恒定磁场与顺时针方向的环向感应涡流作用产生向下的轴向电磁力。F=J×B，方向由左手定则判断。
调节脉冲磁场线圈的脉冲电流，能够实现不同电磁力和应变速率的加载。F=J×B。待测试金属焊接管件所受到的轴向电磁力大小由径向恒定磁场与环向感应涡流决定。此时，调节脉冲磁场线圈的脉冲电流大小，可改变待测试金属焊接管件受到的轴向电磁力的大小，从而实现不同电磁力的加载；调节脉冲磁场线圈的脉冲电流脉宽，可改变待测试金属焊接管件受到的轴向电磁力的脉宽，从而实现应变速率的加载；
实施例：
按照图1所示，将第一恒定磁场线圈1.1置于第一环型磁轭3.1空腔上部区域，将第二恒定磁场线圈1.2置于第二环型磁轭3.2的空腔下部区域；
将第一脉冲磁场线圈2.1置于第一环型磁轭3.1空腔下部区域，且使其环形通槽与第一环型磁轭3.1的间隙对齐；
将第二脉冲磁场线圈2.2置于第二环型磁轭3.2的内部，且使其环形通槽与第二环型磁轭3.2的间隙对齐；
将待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端置于第一环型磁轭3.1的间隙内，将待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端置于第二环型磁轭3.2的间隙内；
所述第一恒定磁场线圈1.1、第一脉冲磁场线圈2.1、待测试金属焊接管件上半部分6.1、焊接接头6.3、待测试金属焊接管件下半部分6.2、第二脉冲磁场线圈2.2、第一脉冲磁场线圈2.1由上至下依次布置；且它们中心轴重合；
采用直流电源给串联的第一、二恒定磁场线圈供电，在环型磁轭的间隙中产生径向恒定磁场；采用脉冲电源给串联的第一、二脉冲磁场线圈供电，产生脉冲电流7和变化的磁场，变化的磁场在待测试金属焊接管件中产生环向感应涡流；径向恒定磁场与环向感应涡流相互作用产生轴向脉冲电磁力；待测试金属焊接管件上半部分6.1的上端受到向上的轴向电磁力，同一时刻待测试金属焊接管件下半部分6.2的下端受到向下的轴向电磁力，完成焊接接头6.3冲击强度测试。
冲击强度,即待测试金属焊接管件在冲击载荷下能够承受的最大载荷，而待测试金属焊接管件最薄弱的环节即是焊接接头；从而本方法中对待测试金属焊接管件的两端施加脉冲电磁力，观察其焊接接头能够承受的最大电磁力，以确定其冲击强度。
Claims (4)
1.一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，其特征在于包括：
用于在待测试金属焊接管件端部产生径向恒定磁场的第一恒定磁场线圈（1.1）、第二恒定磁场线圈（1.2）；
用于在待测试金属焊接管件端部产生感应涡流的第一脉冲磁场线圈（2.1）、第二脉冲磁场线圈（2.2）；
用于构成恒定磁场磁回路的第一环型磁轭（3.1）、第二环型磁轭（3.2）；
所述第一、二环型磁轭包括一空腔，第一、二环型磁轭的截面呈一带间隙的矩形框架型，第一环型磁轭（3.1）的间隙开设于下边，第二环型磁轭（3.2）的间隙开设于上边；
所述第一恒定磁场线圈（1.1）位于第一环型磁轭（3.1）空腔上部，第二恒定磁场线圈（1.2）位于第二环型磁轭（3.2）空腔下部；所述恒定磁场线圈连接直流电源（5）；
所述第一脉冲磁场线圈（2.1）位于第一环型磁轭（3.1）空腔下部，第二脉冲磁场线圈（2.2）位于第二环型磁轭（3.2）空腔上部；所述脉冲磁场线圈连接脉冲电源（4）；
所述第一、二脉冲磁场线圈中部开设有环形通槽；第一、二脉冲磁场线圈的环形通槽分别与第一、二环型磁轭开设的间隙对应；
待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的上端位于第一环型磁轭（3.1）的间隙内；待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的下端位于第二环型磁轭（3.2）的间隙内；
所述第一脉冲磁场线圈（2.1）的匝数与第二脉冲磁场线圈（2.2）的匝数之比，等于待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的内径与待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的内径之比。
2.根据权利要求1所述一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，其特征在于：所述第一环型磁轭（3.1）的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的内径小0.2-0.5mm，第一环型磁轭（3.1）的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的外径大0.2-0.5mm；所述第二环型磁轭（3.2）的间隙内侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的内径小0.2-0.5mm，第二环型磁轭（3.2）的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的外径大0.2-0.5mm。
3.根据权利要求1所述一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，其特征在于：所述第一、二环型磁轭均由厚度为0.2mm的绝缘硅钢片叠制而成。
4.根据权利要求1所述一种用于测试金属焊接管件接头冲击强度的装置，其特征在于：所述第一脉冲磁场线圈的环形通槽（2.3）内侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的内径小0.2-0.5mm，第一脉冲磁场线圈的环形通槽（2.3）的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件上半部分（6.1）的外径大0.2-0.5mm；所述第二脉冲磁场线圈的环形通槽（2.4）内侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的内径小0.2-0.5mm，第二脉冲磁场线圈的环形通槽（2.4）的间隙外侧环形边缘较待测试金属焊接管件下半部分（6.2）的外径大0.2-0.5mm。
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