基于可調剛性拘束的焊接接頭冷裂傾向試驗裝置及其應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于焊接技術領域，更加具體的說，涉及基于可調剛性拘束的焊接接頭冷裂傾/熱裂紋傾向試驗裝置，特別是涉及一種基于可調剛性拘束，針對焊接接頭冷裂/熱裂傾向試驗裝置。
【背景技術】
[0002]裂紋是焊接接頭中最常見的缺陷，許多大型工程結構中焊接接頭開裂是由焊接冷裂紋或熱裂紋引起。對于海洋工程結構，海上平臺導管架、粧腿等焊接接頭中也時有發生冷裂/熱裂紋發生，造成巨大的經濟損失。目前，大量新型高強度鋼在海洋工程結構中應用，焊接施工中裂紋問題越來越突出，而焊接裂紋的滯后性使其危害性尤為嚴重。因此，如何定量地確定鋼材的開裂傾向，一直是焊接工作者面臨的一個難題。出于試驗簡單易操作、成本低的目的，我國應用斜Y坡口拘束試驗和插銷試驗較多，這兩種方法都曾被制定為我國國家標準。然而，這兩種試驗方法不能模擬實際結構焊接時的真正拘束度，該局限性導致試驗結果不能反映鋼材真正的開裂傾向，因此我國關于這兩種試驗的標準均已被廢止，目前國內沒有制定相關的新標準。
[0003]實際上，國際上已經提出了能考慮實際拘束度的焊接冷裂試驗方法，即荷蘭學者A.T.Fikker s于1974年提出的剛性拘束裂紋試驗方法，簡稱RRC試驗。RRC試驗可模擬焊件在冷卻過程中所產生的拘束反作用力，比較真實地反映焊接接頭的受力狀態，因此能夠定量地確定被試鋼材產生裂紋的臨界拘束應力或臨界拘束度，用來判斷實際焊接接頭的冷裂傾向。但是該試驗方法僅能用于焊接冷裂紋試驗，且剛性拘束的調節必須通過改變試樣的尺寸解決。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于可調剛性拘束的焊接接頭裂紋傾向試驗裝置，在焊接接頭冷卻過程中，以靠自身收縮產生的應力為基礎，模擬焊接接頭承受的外部拘束條件。試驗過程中焊接試件保持固定的拘束長度，就像焊接接頭兩端被剛性固定一樣，因此成為剛性拘束裂紋(RRC)試驗。該RRC試驗方法的核心是通過RRC試驗獲得鋼材發生冷裂紋時的臨界拘束應力然后用實際結構實測或計算得到的拘束應力0比較。若σ，則不產生裂紋;若?^ σ，則產生裂紋。
[0005]本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現:
[0006]基于可調剛性拘束的焊接接頭冷裂傾向試驗裝置，包括底座，移動夾具，固定夾具，第一支撐板，油缸，導向柱，第二支撐板，載荷傳感器，滑塊，第一位移傳感器和第二位移傳感器，其中:
[0007]在底座上設置第一支撐板和第二支撐板，第一支撐板和第二支撐板之間連接有沿水平方向設置的導向柱;在導向柱上設置有滑塊，可沿著導向柱進行移動，在滑塊上設置移動夾具，伴隨著滑塊沿著導向柱進行移動;在底座上設置油缸，且油缸輸出軸與滑塊的中央位置相連，以使油缸能夠通過輸出軸帶動滑塊在導向柱的方向上進行移動;在第二支撐板上設置載荷傳感器，且固定夾具與第二支撐板固定相連，當油缸通過輸出軸帶動滑塊在導向柱的方向上進行移動時，移動夾具產生相對于固定夾具的靠近或者遠離的運動，試樣之間產生壓縮或者拉伸的載荷，由于固定夾具與第二支撐板固定相連，恰由載荷傳感器予以采集;固定夾具和移動夾具相對設置，兩者的大小一致且與導向柱的距離一致，以使固定夾具和移動夾具分別固定的兩塊試樣之間的焊縫穩定在一個垂直于導向柱的平面內；
[0008]第一位移傳感器通過第一位移傳感器支架分別與兩塊試樣相連，且第一位移傳感器支架橫跨兩個試樣和焊縫，以使第一位移傳感器能夠采集因為焊縫焊接造成的兩塊試樣的形變;第二位移傳感器通過第二位移傳感器支架分別與兩塊試樣相連，且第二位移傳感器支架橫跨兩個試樣和焊縫，以使第二位移傳感器能夠采集因為焊縫焊接造成的兩塊試樣的形變；
[0009]載荷傳感器，第一位移傳感器和第二位移傳感器分別與數據采集卡相連，數據采集卡與控制器相連，控制器與油缸相連，以控制油缸輸出軸的動作。
[0010]在上述技術方案中，控制器為計算機。
[0011]在上述技術方案中，油缸設置在第一支撐板的外側。
[0012]在上述技術方案中，采用伺服油栗與油缸相連，伺服油栗打出的高壓油經過精濾油器進入油缸的配流座，進入配流座的油一方面經伺服閥用于對系統施加試驗力(由輸出軸帶動滑塊運動)；另一方面進入到儲能器，用以減少系統油壓的波動;伺服油栗的控制系統是全數字式控制器，該控制器采用PIDS控制模式。
[0013]本發明的裝置在剛性拘束冷裂試驗中的應用，利用該試驗裝置進行試驗時，位移傳感器選擇長春浩園試驗機有限公司生產，控制精度為0.005mm，將兩塊試樣分別固定在移動夾具和固定夾具上，同時選取不同的拘束距離;在選定的一個拘束距離進行試驗時，由于焊縫處的焊接會產生拉伸或者壓縮，兩個位移傳感器會分別采集信號通過數據采集卡，傳遞給控制器，控制器會判斷兩塊試樣是否因為焊接產生位移，如果兩塊試樣相互接近，則控制器發出信號，以使油缸輸出軸帶動滑塊和移動夾具向遠離固定夾具的方向移動，以使位移傳感器采集形變信號為零，同時載荷傳感器采集測試過程的載荷數據，通過數據采集卡傳遞給控制器。
[0014]在上述技術方案中，根據試驗的試樣，選擇該試樣在服役施工現場使用的焊材及焊接工藝對試件施焊(例如單道)，結合位移傳感給出的信號，按拘束距離不變原則施加截荷并予以保持，如未發生開裂(通過觀察表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率來判斷，若三者均為O認定為未發生開裂)，再降低拘束距離，直至得出開裂與不開裂的拘束距離，即臨界拘束距離，與臨界拘束距離相對應的拘束力和拘束度即為臨界拘束應力(Ir)、臨界拘束度(R。!.)為止。
[0015]本發明的裝置在焊接熱裂紋試驗中的應用，利用該試驗裝置進行試驗時，對試樣進行焊接，焊接的同時對焊接接頭進行拉伸，即油缸輸出軸拉動滑塊和移動夾具向遠離固定夾具的方向進行運動，以使焊縫金屬在冷卻結晶過程中受到外力拉伸，直至焊接完成。隨后觀察斷口，檢驗焊縫金屬是否有熱裂紋特征。焊接熱裂紋的測試實驗，通過拉伸速率來進行控制，不需要位移傳感器，即采用不同拉伸速率對焊接接頭進行拉伸，判斷不同拉伸速率對焊接接頭的影響。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果如下:(1)使用本發明可獲得鋼材在焊接材料及焊接工藝條件下(冷卻速度、擴散氫含量等)的拘束性能，避免產生裂紋的臨界拘束應力或臨界拘束度，以判斷實際焊接接頭的冷裂傾向；(2)除了焊接冷裂紋以外，本發明也可進行焊接熱裂紋試驗，通過改變拉伸速率使得焊接冷卻過程中焊縫區發生塑性變形，從而增加發生熱裂紋的幾率，通過測得焊縫金屬抵抗冷裂紋的最大拉伸速率來評價母材、焊材及焊接工藝組合條件下的熱裂紋傾向；(3)不僅適用于板材，也適用于管材及板角焊縫；(4)本發明具有剛性拘束的可調節功能，所有試樣統一尺寸，通過調整位移傳感器來改變剛性拘束水平。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構示意圖(I)，其中I為底座，2-1為移動夾具，2-2為固定夾具，3為第一支撐板，4為油缸，4-1為油缸輸出軸，5為導向柱，6為第二支撐板，7為載荷傳感器，8為滑塊，9為第一位移傳感器，9-1為第一位移傳感器支架。
[0018]圖2是本發明的結構示意圖(2)，其中2-1為移動夾具，2-2為固定夾具，7為載荷傳感器，9為第一位移傳感器，10為第二位移傳感器，11-1為第一試樣，11-2為第二試樣，12為焊縫。
[0019]圖3是本發明的信號連接示意圖，其中4為油缸，7為載荷傳感器，9為第一位移傳感器，1為第二位移傳感器，13為數據采集卡，14為控制器。
[°02°]圖4是本發明實施例中使用的坡口結構示意圖，a為2—4mm，b為300mm，c為50mm，c/2為25mm，d為60° ^為60°。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述。
[0022]如附圖所示，本發明的一種基于可調剛性拘束的焊接接頭冷裂傾向試驗裝置，包括底座，移動夾具，固定夾具，第一支撐板，油缸，導向柱，第二支撐板，載荷傳感器，滑塊，第一位移傳感器和第二位移傳感器，其中:
[0023]在底座上設置第一支撐板和第二支撐板，第一支撐板和第二支撐板之間連接有沿水平方向設置的導向柱;在導向柱上設置有滑塊，可沿著導向柱進行移動，在滑塊上設置移動夾具，伴隨著滑塊沿著導向柱進行移動;在底座上設置油缸，且油缸輸出軸與滑塊的中央位置相連，以使油缸能夠通過輸出軸帶動滑塊在導向柱的方向上進行移動;在第二支撐板上設置載荷傳感器，且固定夾具與第二支撐板固定相連，當油缸通過輸出軸帶動滑塊在導向柱的方向上進行移動時，移動夾具產生相對于固定夾具的靠近或者遠離的運動，試樣之間產生壓縮或者拉伸的載荷，由于固定夾具與第二支撐板固定相連，恰由載荷傳感器予以采集;固定夾具和移動夾具相對設置，兩者的大小一致且與導向柱的距離一致，以使固定夾具和移動夾具分別固定的兩塊試樣之間的焊縫穩定在一個垂直于導向柱的平面內；
[0024]第一位移傳感器通過第一位移傳感器支架分別與兩塊試樣相連，且第一位移傳感器支架橫跨兩個試樣和焊