CN112122771A - 一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法，涉及材料加工工程技术领域，所述方法包括以下步骤：步骤一、组装所述哑铃状试样：将待测的所述金属管与两个轴对称的所述阶梯状塞头以对接形式装配，组合成哑铃状试样；所述阶梯状塞头的外径被加工成螺纹状，用于与力学试验机加载头上的螺纹相连接；步骤二、将所述哑铃状试样安装于所述三向夹持装置内，并固定；步骤三、将激光焊枪置于所述三向夹持装置的上端，并把激光光斑移动到所述焊缝处，设定激光焊接参数、电机转轴角速度，以及向焊接熔池添加金属粉末的送粉速度；步骤四、打开保护气，启动所述电机及所述同轴送粉装置，启动激光焊接系统，实施试样焊接制造。

Description

一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法

技术领域

本发明涉及材料加工工程技术领域，尤其涉及一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法，还涉及一种三向夹持旋转焊接工装。

背景技术

金属管的力学性能常需要通过轴向加载力学试验进行评估，例如拉伸试验、蠕变试验及持久试验。在力学试验中，试样需要夹持在力学试验机的夹头上，将力学试验机的加载力传递到试样上，以诱发材料变形并检测变形过程中力和位移等参量，用于评估试样的力学性能。为防止试样与夹头连接部分夹持段的变形及断裂影响材料力学行为评估的准确性，需要将试样夹持部分的刚度加强，使试样中间段先于夹持段发生断裂，所以试样夹头段材料尺寸往往要大于试样中间段。对于圆棒及板状试样可采用哑铃状试样，而对于管状试样，尤其是薄壁管状试样，难以通过试样自身尺寸变化(直径)的方式实现增大夹持段刚度的作用。这时，焊接是一种有效试样制备方法，可以在金属管两端装配大尺寸的塞头，再通过焊接与金属管连成一体，形成哑铃状力学试样，再通过塞头上的螺纹与力学试验机夹头连接，开展力学试验。

焊接是常用的金属材料连接方法。通过焊接热源的加热作用，将金属熔化，使不同部分的材料熔合在一起，随后冷却凝固形成连接。因此，采用焊接方法制备管状轴向加载力学试样是可行的。但是，在焊接过程中，焊接热量的输入将不可避免地在试样中产生焊接应力，导致试样变形，包括偏心、弯曲等现象，严重影响轴向加载条件，引起力学评估结果误差增大。此外，焊接热量的输入，会导致焊接材料组织及性能的变化，尤其是焊缝及热影响区部分的材料组织及性能，这将使接头部分力学性能低于未焊材料的性能，导致接头在试验中先于试样中间段评估材料断裂，造成评估实验的失败。能否克服这些不利的影响直接关系到管状试样在力学性能测试中所获数据的正确性和准确性，是焊接法制备力学试样的关键与难点。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种精密焊接制备方法，制备哑铃状力学试样，用于金属管状轴向加载力学试验。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何改进现有的金属焊接连接方法，克服现有技术中存在的焊接热量的输入所导致的焊接应力，从而导致试样变形，以及焊接热量的输入所导致的焊接材料组织及性能的变化。

为实现上述目的，本发明提供了一种三向夹持旋转焊接工装，用于夹持哑铃状试样，所述哑铃状试样包括位于中间的金属管以及位于所述金属管两端的阶梯状塞头，所述阶梯状塞头包括螺纹区和非螺纹区，所述工装包括：

电机驱动装置，所述电机驱动装置位于所述金属管的一端，包括电机、联轴器、传动轴，所述电机通过所述联轴器与所述传动轴进行联结，所述传动轴通过端部键与位于所述金属管一端的所述阶梯状塞头的端部的键槽进行配合，将扭矩从所述传动轴传递到所述哑铃状试样，并通过控制装置调节所述电机的转动轴转速；

三向夹持装置，所述三向夹持装置包括压辊装置和支承辊装置，所述压辊装置设置于所述哑铃状试样的上方，包括双头压辊和单头压辊，所述双头压辊与所述金属管相切，所述单头压辊与所述阶梯状塞头的所述非螺纹区相切，所述支承辊装置设置于所述哑铃状试样的下方，包括双头支承辊和单头支承辊，所述双头支承辊设置于所述金属管的另一侧，与所述双头压辊相对，用于支承所述金属管，所述单头支承辊设置于所述阶梯状塞头的所述非螺纹区的另一侧，与所述单头压辊相对，用于支承所述阶梯状塞头；

顶针尾座，所述顶针尾座位于所述金属管的另一端，与所述三向夹持装置和所述电机驱动装置串列分布，所述顶针尾座包括顶针，所述顶针与所述电机驱动装置、所述阶梯状塞头沿所述金属管串列分布，所述顶针与所述阶梯状塞头的端部接触，以限制转动过程中所述阶梯状塞头和所述金属管的滑动；所述顶针尾座的中心线、所述哑铃状试样的中心线与所述电机的所述转动轴的中心线重合。

进一步地，还包括：

若干快速压紧钳；

若干第一基座，所述第一基座与所述快速压紧钳一对一配套设置，并通过基座槽及紧固螺杆与所述快速压紧钳装配连接。

进一步地，所述双头压辊通过轴承与所述快速压紧钳装配连接；

所述单头压辊通过轴承与所述快速压紧钳装配连接。

进一步地，所述顶针尾座通过紧固螺杆与所述快速压紧钳装配连接。

进一步地，所述三向夹持装置沿所述哑铃状试样的轴向共设有四处夹持区，两处所述夹持区位于所述哑铃状试样的待焊的所述阶梯状塞头的所述非螺纹区，另两处所述夹持区则分别位于所述哑铃状试样的焊缝边缘。

进一步地，所述双头支承辊通过轴承与滑动基座装配连接；

靠近所述顶针尾座一侧的所述单头支承辊通过轴承与固定基座装配连接；

靠近所述电机驱动装置一侧的所述单头支承辊通过轴承与滑动基座装配连接。

进一步地，还包括：

激光热源，所述激光热源的中心线与所述焊缝上的激光光斑所在点的法线重合；

同轴送粉装置，所述同轴送粉装置包括同轴送粉喷头，所述同轴送粉喷头的中心线与所述激光热源的中心线重合；

粉末束流，所述粉末束流被设置为经所述同轴送粉喷头送出并聚焦至所述焊缝处。

进一步地，还包括：

工作台，所述固定基座固定设置于所述工作台的一侧；

滑动导轨，所述滑动导轨与所述工作台固定连接，在所述滑动导轨上设置有可以滑动的若干所述滑动基座。

进一步地，还包括：

电机滑动基座，所述电机滑动基座可沿着所述滑动导轨滑动，所述电机设置于所述电机滑动基座上。

本发明还提供了一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法，使用权利要求9中所述的三向夹持旋转焊接工装，所述方法包括以下步骤：

步骤一、组装所述哑铃状试样：将待测的所述金属管与两个轴对称的所述阶梯状塞头以对接形式装配，组合成哑铃状试样；所述阶梯状塞头的外径被加工成螺纹状，用于与力学试验机加载头上的螺纹相连接；

步骤二、将所述哑铃状试样安装于所述三向夹持装置内，并固定；

步骤三、将激光焊枪置于所述三向夹持装置的上端，并把激光光斑移动到所述焊缝处，设定激光焊接参数、电机转轴角速度，以及向焊接熔池添加金属粉末的送粉速度，所述激光焊接参数包括激光离焦量、激光功率、激光焊接时间；

步骤四、打开保护气，启动所述电机及所述同轴送粉装置，启动激光焊接系统，实施试样焊接制造。

本发明所提供的金属管轴向加载力学试样精密制备方法至少具有以下优点：

1、本发明采用焊接的方法将测试管与塞头连接，形成哑铃状试样，用于力学试验，相较于采用过盈配合将测试管与塞头直接夹持的方法，可从根本上解决夹持不紧、打滑现象，具有更好的可靠性；

2、本发明采用激光焊接配合微量送粉工艺，焊接哑铃状试样，试样中焊接接头具有一定余高，焊缝成形饱满且焊接变形小，有利于提高接头部分的力学性能；

3、本发明采用三向夹持装置，保证测试管与塞头同心，且抑制焊接热输入导致的偏心变形，提高试样的同心度，保障了金属管力学测试轴向加载的准确性。

本发明所提供的三向夹持旋转焊接工装、同步送粉激光焊接工艺，可实现低热输入量、低应力精密焊接，制备低变形量、高同心度和高质量的哑铃状试样，用于金属管状试样的轴向加载力学试验；本发明所制备的哑铃状试样，具有低应力、低变形、高同心度、狭窄焊缝及热影响区的特点，保证哑铃状试样在轴向加载力学试验过程中所产生的应变集中在试样中部均匀段，以保障金属管力学性能测试的准确性及可靠性。哑铃状试样的塞头部分可与力学试验机夹头通过螺纹方式连接，用于轴向加载。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三向夹持旋转焊接工装的三维示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的三向夹持旋转焊接工装的正面示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的哑铃状试样装配示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的拉伸试样的剖视图。

其中，1-激光热源、2-同轴送粉喷头、3-粉末束流、4-快速压紧钳、5-双头压辊、6-单头压辊、7-顶针、8-紧固螺杆、9-传动轴、10-联轴器、11-电机、12-电机滑动基座、13-旋转轴、14-固定基座、15-阶梯状塞头、16-金属管、17-双头支承辊、18-滑动基座、19-单头支承辊、20-紧固螺栓、21-滑动导轨、22-工作台。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图2所示，为本发明提供的三向夹持旋转焊接工装，用于夹持哑铃状试样。图3为哑铃状试样的装配示意图，哑铃状试样包括位于中间的金属管16以及位于金属管16两端的阶梯状塞头15，一端为阶梯状塞头15-1，另一端为阶梯状塞头15-2，阶梯状塞头15-1和阶梯状塞头15-2都包括螺纹区和非螺纹区。

本发明提供的三向夹持旋转焊接工装包括：激光热源1、同轴送粉喷头2、粉末束流3、电机驱动装置、三向夹持装置和顶针尾座。

其中，电机驱动装置位于金属管16的一端，包括传动轴9、联轴器10和电机11。电机11通过联轴器10与传动轴9进行联结，传动轴9通过端部键与位于金属管16一端的阶梯状塞头15-1的端部的键槽进行配合，将扭矩从传动轴9传递到哑铃状试样，并通过控制装置调节电机11的转动轴转速。

其中，三向夹持装置包括压辊装置和支承辊装置，压辊装置设置于哑铃状试样的上方，包括双头压辊5和单头压辊6。双头压辊5与金属管16相切，双头压辊5包括双头压辊5-1和双头压辊5-2，分别与金属管16相接触。单头压辊6与阶梯状塞头15的非螺纹区相切。在金属管16的一端为阶梯状塞头15-1，另一端为阶梯状塞头15-2，单头压辊6有两个，分别为单头压辊6-1和单头压辊6-2，分别与阶梯状塞头15-1和阶梯状塞头15-2的非螺纹区相切。支承辊装置设置于哑铃状试样的下方，包括双头支承辊17和单头支承辊19。双头支承辊17设置于金属管16的另一侧，与双头压辊5相对，用于支承金属管16，包括双头支承辊17-1和双头支承辊17-2。单头支承辊19设置于阶梯状塞头15的非螺纹区的另一侧，与单头压辊6相对，用于支承阶梯状塞头15，包括单头支承辊19-1和单头支承辊19-2。单头支承辊19-1和单头支承辊19-2都分别设置有一个旋转轴13，用于对单头支承辊19进行调节。

其中，顶针尾座位于金属管16的另一端，与三向夹持装置和电机驱动装置串列分布，顶针尾座包括顶针7，顶针7与电机驱动装置、阶梯状塞头15沿金属管16串列分布，顶针7与阶梯状塞头15的端部接触，以限制转动过程中阶梯状塞头15和金属管16的滑动；顶针尾座的中心线、哑铃状试样的中心线与电机11的转动轴的中心线重合。

本发明提供的三向夹持旋转焊接工装还包括：

若干快速压紧钳4；

以及若干第一基座，第一基座与快速压紧钳4一对一配套设置，并通过基座槽及紧固螺杆与快速压紧钳4装配连接。

在图1和图2中，快速压紧钳4的数量为4个，具体为快速压紧钳4-1，快速压紧钳4-2，快速压紧钳4-3和快速压紧钳4-4。

其中，双头压辊5通过轴承和紧固螺杆8-2与快速压紧钳4-2装配连接。

单头压辊6-1通过轴承和紧固螺杆8-1与快速压紧钳4-1装配连接。

单头压辊6-2通过轴承和紧固螺杆8-3与快速压紧钳4-3装配连接。

顶针尾座通过轴承和紧固螺杆8-4与快速压紧钳4-4装配连接。

三向夹持装置沿哑铃状试样的轴向共设有四处夹持区，两处夹持区位于哑铃状试样的待焊的阶梯状塞头15的非螺纹区，另两处夹持区则分别位于哑铃状试样的焊缝边缘。

双头支承辊17通过轴承与滑动基座18装配连接。

靠近顶针尾座一侧的单头支承辊19-2通过轴承与固定基座14装配连接；

靠近电机驱动装置一侧的单头支承辊19-1通过轴承与另一个滑动基座18装配连接。

其中，激光热源1的中心线与焊缝上的激光光斑所在点的法线重合；

同轴送粉喷头2的中心线与激光热源1的中心线重合；

粉末束流3，粉末束流3被设置为经同轴送粉喷头2送出并聚焦至焊缝处。

本发明提供的三向夹持旋转焊接工装还包括：

工作台22，固定基座14固定设置于工作台22的一侧；

滑动导轨21，滑动导轨21与工作台22固定连接，在滑动导轨21上设置有可以滑动的若干滑动基座18。滑动基座18与滑动导轨21之间的固定是通过紧固螺栓20来实现。

本发明提供的三向夹持旋转焊接工装还包括：

电机滑动基座12，电机滑动基座12可沿着滑动导轨21滑动，电机11设置于电机滑动基座12上。

利用上述三向夹持旋转焊接工装进行焊接的具体步骤如下：

(1)将阶梯状塞头15与金属管16的配合截面处打磨至光滑平整，进行化学清洗以去除氧化物及油污；

(2)将阶梯状塞头15、金属管16对接装配并置于双头支承辊17上；通过阶梯状塞头15-1端部的键槽与传动轴9端部的键进行配合；调整顶针7使传动轴9与阶梯状塞头15-2、金属管16配合严密以限制阶梯状塞头15与金属管16的滑动；调整双头压辊5，使双头压辊5-1、5-2与金属管16相切；调整单头压辊6，使单头压辊6-1与阶梯状塞头15-1的非螺纹区相切，使单头压辊6-2与阶梯状塞头15-2的非螺纹区相切；

(3)调整激光热源1、同轴送粉喷头2的喷嘴，使其中心线与环形焊缝上激光光斑所在位置的法线重合。进一步调整同轴送粉喷头2，使送粉装置送出的粉末束流3聚焦至焊接位置；

(4)设置激光热源1的离焦量(离焦量为+0mm～+10mm)、激光热源1的功率(以可获得焊接熔深达到测试管壁厚为度)，激光焊接时间(以焊接时间大于试样旋转一周时间为度)。设置同轴送粉喷头2的送粉速度(以使送粉焊接在焊缝上出现0mm～0.2mm的余高为度)，并设置电机转轴角速度(以使粉末能在焊缝上有效铺展为度)；

(5)打开保护气阀门，启动工装旋转电机及同步送粉装置，启动激光焊接系统，实施试样焊接制造。

在下面的一种具体实施案例中：

(1)准备壁厚为0.5mm、外径6mm的金属管16和阶梯状塞头15作为待焊工件，用砂纸对阶梯状塞头15与金属管16的配合面进行打磨至平整光滑，对打磨好的配合面进行化学清洗，以去除表面残留的氧化物与油污等；

(2)将阶梯状塞头15、金属管16对接装配并置于双头支承辊17上；通过阶梯状塞头15-1端部的键槽与传动轴9端部的键进行配合；调整顶针7使传动轴9与阶梯状塞头15-1、金属管16配合严密以限制阶梯状塞头15与金属管16的滑动；调整双头压辊5，使双头压辊5-1、5-2与金属管16相切；调整单头压辊6，使单头压辊6-1与阶梯状塞头15-1的非螺纹区相切，使单头压辊6-2与阶梯状塞头15-2的非螺纹区相切；

(3)调整激光热源1、同轴送粉喷头2的喷嘴，使其中心线与环形焊缝上激光光斑所在位置的法线重合。进一步调整同轴送粉喷头2的喷嘴，使送粉装置送出的粉末束流3聚焦至焊接位置；

(4)设置激光热源1的激光功率为0.5Kw，离焦量为+2mm，焊接时间为6s，同轴送粉喷头2的送粉速度为2g/min，设置传动轴9角速度为10r/min；

(5)打开保护气阀门，然后启动工装旋转电机与同步送粉装置，启动激光焊接系统，完成金属管状轴向加载力学试样激光焊接过程。

本实施方案描述的是金属管状轴向加载力学试样三向夹持旋转焊接、同轴送粉制造过程。阶梯状塞头15与金属管16相连接形成哑铃状力学试样，可同力学试验机夹头通过螺纹方式连接，用于轴向加载力学试验，如图4所示。三向夹持装置抑制了管状试样径向变形，电机驱动实现了转速控制、焊接速度的控制。合金粉末的对焊接熔池的填充，产生微量余高。三向夹持装置所制备的试样，具有低应力、低变形、高同心度的特点，保证试样在拉伸试验过程中所产生的应变集中在试样中部均匀段，保障了金属管力学性能测试的准确性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三向夹持旋转焊接工装，用于夹持哑铃状试样，所述哑铃状试样包括位于中间的金属管以及位于所述金属管两端的阶梯状塞头，所述阶梯状塞头包括螺纹区和非螺纹区，其特征在于，所述工装包括：

电机驱动装置，所述电机驱动装置位于所述金属管的一端，包括电机、联轴器、传动轴，所述电机通过所述联轴器与所述传动轴进行联结，所述传动轴通过端部键与位于所述金属管一端的所述阶梯状塞头的端部的键槽进行配合，将扭矩从所述传动轴传递到所述哑铃状试样，并通过控制装置调节所述电机的转动轴转速；

三向夹持装置，所述三向夹持装置包括压辊装置和支承辊装置，所述压辊装置设置于所述哑铃状试样的上方，包括双头压辊和单头压辊，所述双头压辊与所述金属管相切，所述单头压辊与所述阶梯状塞头的所述非螺纹区相切，所述支承辊装置设置于所述哑铃状试样的下方，包括双头支承辊和单头支承辊，所述双头支承辊设置于所述金属管的另一侧，与所述双头压辊相对，用于支承所述金属管，所述单头支承辊设置于所述阶梯状塞头的所述非螺纹区的另一侧，与所述单头压辊相对，用于支承所述阶梯状塞头；

顶针尾座，所述顶针尾座位于所述金属管的另一端，与所述三向夹持装置和所述电机驱动装置串列分布，所述顶针尾座包括顶针，所述顶针与所述电机驱动装置、所述阶梯状塞头沿所述金属管串列分布，所述顶针与所述阶梯状塞头的端部接触，以限制转动过程中所述阶梯状塞头和所述金属管的滑动；所述顶针尾座的中心线、所述哑铃状试样的中心线与所述电机的所述转动轴的中心线重合。

2.如权利要求1所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于，还包括：

若干快速压紧钳；

若干第一基座，所述第一基座与所述快速压紧钳一对一配套设置，并通过基座槽及紧固螺杆与所述快速压紧钳装配连接。

3.如权利要求2所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于：

所述双头压辊通过轴承与所述快速压紧钳装配连接；

所述单头压辊通过轴承与所述快速压紧钳装配连接。

4.如权利要求3所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于：

所述顶针尾座通过紧固螺杆与所述快速压紧钳装配连接。

5.如权利要求4所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于：

所述三向夹持装置沿所述哑铃状试样的轴向共设有四处夹持区，两处所述夹持区位于所述哑铃状试样的待焊的所述阶梯状塞头的所述非螺纹区，另两处所述夹持区则分别位于所述哑铃状试样的焊缝边缘。

6.如权利要求5所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于：

所述双头支承辊通过轴承与滑动基座装配连接；

靠近所述顶针尾座一侧的所述单头支承辊通过轴承与固定基座装配连接；

靠近所述电机驱动装置一侧的所述单头支承辊通过轴承与所述滑动基座装配连接。

7.如权利要求6所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于，还包括：

激光热源，所述激光热源的中心线与所述焊缝上的激光光斑所在点的法线重合；

同轴送粉装置，所述同轴送粉装置包括同轴送粉喷头，所述同轴送粉喷头的中心线与所述激光热源的中心线重合；

粉末束流，所述粉末束流被设置为经所述同轴送粉喷头送出并聚焦至所述焊缝处。

8.如权利要求7所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于，还包括：

工作台，所述固定基座固定设置于所述工作台的一侧；

滑动导轨，所述滑动导轨与所述工作台固定连接，在所述滑动导轨上设置有可以滑动的若干所述滑动基座。

9.如权利要求8所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于，还包括：

电机滑动基座，所述电机滑动基座可沿着所述滑动导轨滑动，所述电机设置于所述电机滑动基座上。

10.一种金属管轴向加载力学试样精密制备方法，使用权利要求9中所述的三向夹持旋转焊接工装，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、组装所述哑铃状试样：将待测的所述金属管与两个轴对称的所述阶梯状塞头以对接形式装配，组合成哑铃状试样；所述阶梯状塞头的外径被加工成螺纹状，用于与力学试验机加载头上的螺纹相连接；

步骤二、将所述哑铃状试样安装于所述三向夹持装置内，并固定；

步骤三、将激光焊枪置于所述三向夹持装置的上端，并把激光光斑移动到所述焊缝处，设定激光焊接参数、电机转轴角速度，以及向焊接熔池添加金属粉末的送粉速度，所述激光焊接参数包括激光离焦量、激光功率、激光焊接时间；

步骤四、打开保护气，启动所述电机及所述同轴送粉装置，启动激光焊接系统，实施试样焊接制造。

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