一种激光焊接搭接焊件剪切力学性能测试方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，特别是指一种激光焊接搭接焊件剪切力学性能测试方法。

背景技术：

焊接也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。随着激光技术的发展，激光焊接已经成为焊接领域的新技术。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，它是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。由于其独特的优点，激光焊接现已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

在焊接领域对板材的焊接是经常遇到的情况，根据接触方式的不同，板材焊接接头通常可以分为对接、搭接、端接、角接等等多种形式，根据形状和位置的不同，搭接接头的焊缝可以分为点焊缝、角焊缝和丁字焊缝等几种形式。

目前，激光焊接技术是提高材料利用率、充分发挥结构减重效率、提高焊接质量有效途径之一，很多结构件是用激光焊接方法制造的。在激光焊件的使用中，由于焊接接头在制造过程中受各种因素的影响，其质量不可能完美无缺，不可避免地会产生焊接缺陷，例如气孔降低焊缝的强度，这些焊接缺陷可在不同程度上影响结构的质量和安全使用。因此，焊接接头的力学性能检测就成为焊接结构生产过程中质量保证和控制的重要环节。

但是，目前针对板材激光焊接搭接接头的抗剪切力学性能还没有一种公开的检测方法，这就使得激光焊接搭接焊件的力学性能难以得到有效保障。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种激光焊接搭接焊件剪切力学性能测试方法，该方法能够对板材激光焊接搭接焊件的抗剪切力学性能进行快速、准确、有效的检测，从而及时检测激光焊接焊件的焊接质量，保障焊件在使用中的可靠性。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种激光焊接搭接焊件剪切力学性能测试方法，该方法用于对激光焊接焊件的抗剪切力学性能进行测试，其中焊件包含通过搭接焊接连接在一起的第一板材和第二板材，第一板材的搭接面和第二板材的搭接面位于同一个平面内，该方法包含如下过程：

预处理，根据焊件进行剪切测试及焊缝贴合面熔宽测量的数量、尺寸、加工余量以及舍弃区长度计算确定第一板材和第二板材尺寸并将其加工成形，采用激光焊接工艺将第一板材和第二板材焊接成搭接焊件，进行焊缝贴合面熔宽测量的数量一般取2件；

加工制备，对焊件裁剪制备成进行剪切测试的焊件，使得裁剪后的第一板材和第二板材为全等矩形，裁剪后的焊件沿长度方向从一端到另一端分别为第一板材夹持端、第一板材过渡区、第一板材和第二板材的连接部、第二板材过渡区以及第二板材夹持端，第一板材过渡区和第二板材过渡区、第一板材夹持端和第二板材夹持端的长度均相同，连接部中的焊缝与裁剪后焊件的长度方向垂直；对丁字焊件裁剪制备成进行焊缝贴合面熔宽测量的焊件，连接部中的焊缝与裁剪后焊件的长度方向垂直；

平衡处理，在第一板材夹持端处设置与第一板材等厚的第一垫板，在第二板材夹持端处设置与第二板材等厚的第二垫板，第一垫板与第一板材分位于所述平面的两侧，第二垫板与第二板材也分位于所述平面的两侧；

焊缝贴合面熔宽测试，对裁剪后的丁字焊件进行研磨、抛光、侵蚀等方式处理，并使用光学仪器测量记录焊缝对应贴合面熔宽，焊缝贴合面熔宽结果取2件对应焊缝贴合面熔宽的算术平均值，结果数值修约到0.001毫米；

拉伸测试，使用夹持装置分别夹住第一板材夹持端和第二板材夹持端，沿裁剪后焊件的长度方向施加拉伸力直至焊件断裂，记录试验过程中的最大拉伸力值；

结果分析，根据试验数据计算确定焊件的抗剪切力学性能。

具体地，焊件为点焊焊件、角焊缝搭接焊件或丁字焊件。

具体地，角焊缝搭接焊件或丁字焊件中的第一板材和第二板材以与同一块衬板搭接焊接的方式连接。

具体地，角焊缝搭接焊件或丁字焊件中的第一板材和第二板材部分重叠，并以在重叠区域内角焊缝搭接焊接或丁字焊接的方式连接。

具体地，对于角焊缝搭接焊件或丁字焊件宽度方向两侧边缘舍弃区长度规定为：板材厚度ts≤5毫米时，舍弃区长度一般为12毫米，板材厚度5毫米＜ts≤8毫米时，舍弃区长度一般为22毫米。

具体地，第一板材和第二板材尺寸根据焊件进行剪切测试及焊缝贴合面熔宽测量的数量、尺寸、加工余量以及舍弃区长度等计算确定。

具体地，丁字焊件焊缝贴合面熔宽测量需使用裁剪后的焊件经研磨、抛光、侵蚀等方式处理，并使用光学仪器测量记录焊缝对应贴合面熔宽。

具体地，丁字焊件第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于30毫米；有衬板焊件第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于30毫米；无衬板角焊缝搭接焊件及点焊焊件的第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于45毫米。

具体地，第一垫板和第二垫板通过焊接的方式分别固定在第一板材夹持端处和第二板材夹持端处。

具体地，夹持装置与焊件的连接方式为夹具直接夹持。

从上面的论述可以看出，本发明具有如下有益效果：

1、本发明方法明确了角焊缝搭接焊件或丁字焊件宽度方向两侧边缘舍弃区长度，保障测试数据的有效性；

2、本发明方法明确计算焊接前第一板材和第二板材尺寸，利于制定并实施焊接工艺，确保焊件剪切试验的规范性和统一性；

3、本发明方法在第一板材和第二板材的夹持端均设置了与相应板材等厚的垫板，且垫板和板材分位于搭接平面的两侧，这样，搭接焊件被夹持装置夹紧后，夹持装置的两个夹持块能够保持正对的状态，这就能尽可能地确保夹持的焊接试样受轴向拉力的作用，使得外部施加的拉伸力方向是与板材的搭接平面重合，从而使夹持装置施加的外力能够更好反映搭接焊件的抗剪切力学性能，保障测试的准确性；

4、本发明方法将待测试焊件处理成对称结构，即第一板材和第二板材为全等矩形，点焊焊件的焊点位于裁剪后的焊件搭接部位的中心位置，角焊缝搭接焊件或丁字焊件的焊缝轴线与裁剪后的焊件长度方向垂直。这样，在进行拉伸测试时，焊点或焊缝处的受力是均衡的，从而可以进一步提高抗剪切力学性能测试的准确性；

5、本发明方法将待测试丁字焊件焊缝贴合面熔宽测量使用裁剪后的焊件，数量取2件，经研磨、抛光、侵蚀等方式处理，并使用光学仪器测量记录焊缝对应贴合面熔宽，焊缝贴合面熔宽结果取2件对应焊缝贴合面熔宽的算术平均值，结果数值修约到0.001毫米，从而可以进一步保证抗剪切力学性能测试的精确性；

6、本发明方法可以使用现有的常规拉伸测试装置对板材搭接焊件进行抗剪切力学测试，测试过程简单易行，并且由于采用了常规的拉伸测试装置，因而可以使用已有的拉伸测试标准来衡量搭接焊件的抗剪切力大小，使得测试结果具有通用性和可比较性，便于搭接焊件抗剪切力测试的标准化。

总之，本方法给出了一套用于测试板材激光焊接搭接焊件剪切力学性能的完整、可行的方法，弥补了现有技术中缺乏此类方法的技术空白。本方法能够对激光焊接搭接焊件的剪切力学性能进行快速、准确、有效的测试，从而保障激光焊接搭接焊件的焊接质量，确保激光焊接搭接焊件在使用中的可靠性。本方法还具有较强的通用性，并具有便于标准化的特点，这使得本方法易于推广，并能产生良好的社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中点焊焊件的结构示意图；

图2为本发明实施例中设置了垫板的点焊焊件的结构示意图；

图3为本发明实施例中第一种角焊缝搭接焊件的结构示意图；

图4为本发明实施例中第二种角焊缝搭接焊件的结构示意图；

图5为本发明实施例中第三种角焊缝搭接焊件的结构示意图；

图6为本发明实施例中第四种角焊缝搭接焊件的结构示意图；

图7为本发明实施例中第一种丁字焊件的结构示意图；

图8为本发明实施例中第二种丁字焊件的结构示意图；

图9为本发明实施例中第一种丁字焊件焊缝贴合面熔宽测量的结构示意图；

图10为本发明实施例中第二种丁字焊件焊缝贴合面熔宽测量的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

一种激光焊接搭接焊件剪切力学性能测试方法，该方法用于对激光焊接焊件的抗剪切力学性能进行测试，其中焊件包含通过搭接焊接连接在一起的第一板材和第二板材，第一板材的搭接面和第二板材的搭接面位于同一个平面内，该方法包含如下过程：

预处理，根据焊件进行剪切测试及焊缝贴合面熔宽测量的数量、尺寸、加工余量以及舍弃区长度计算确定第一板材和第二板材尺寸并加工成形，采用激光焊接工艺将第一板材和第二板材焊接成搭接焊件；

加工制备，对焊件裁剪制备成进行剪切测试的焊件，使得裁剪后的第一板材和第二板材为全等矩形，裁剪后的焊件沿长度方向从一端到另一端分别为第一板材夹持端、第一板材过渡区、第一板材和第二板材的连接部、第二板材过渡区以及第二板材夹持端，第一板材过渡区和第二板材过渡区、第一板材夹持端和第二板材夹持端的长度均相同，连接部中的焊缝与裁剪后焊件的长度方向垂直；对丁字焊件裁剪制备成进行焊缝贴合面熔宽测量的焊件，连接部中的焊缝与裁剪后焊件的长度方向垂直；

平衡处理，在第一板材夹持端处设置与第一板材等厚的第一垫板，在第二板材夹持端处设置与第二板材等厚的第二垫板，第一垫板与第一板材分位于所述平面的两侧，第二垫板与第二板材也分位于所述平面的两侧；

焊缝贴合面熔宽测试，对裁剪后的丁字焊件进行研磨、抛光、侵蚀等方式处理，并使用光学仪器测量记录焊缝对应贴合面熔宽；

拉伸测试，使用夹持装置分别夹住第一板材夹持端和第二板材夹持端，沿裁剪后焊件的长度方向施加拉伸力直至焊件断裂，记录试验过程中的最大拉伸力值；

结果分析，根据试验数据计算确定焊件的剪切力学性能。

具体地，焊件为点焊焊件、角焊缝搭接焊件或丁字焊件。

具体地，角焊缝搭接焊件或丁字焊件中的第一板材和第二板材以与同一块衬板搭接焊接的方式连接。

具体地，角焊缝搭接焊件或丁字焊件中的第一板材和第二板材部分重叠，并以在重叠区域内角焊缝搭接焊接或丁字焊接的方式连接。

具体地，对于角焊缝搭接焊件或丁字焊件宽度方向两侧边缘舍弃区长度规定为：板材厚度ts≤5毫米时，舍弃区长度一般为12毫米，板材厚度5毫米＜ts≤8毫米时，舍弃区长度一般为22毫米。

具体地，第一板材和第二板材尺寸根据焊件进行剪切测试及焊缝贴合面熔宽测量的数量、尺寸、加工余量以及舍弃区长度等计算确定。

具体地，丁字焊件焊缝贴合面熔宽测量需使用裁剪后的焊件经研磨、抛光、侵蚀等方式处理，并使用光学仪器测量记录焊缝对应贴合面熔宽。

具体地，丁字焊件第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于30毫米；有衬板焊件第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于30毫米；无衬板角焊缝搭接焊件及点焊焊件的第一板材过渡区和第二板材过渡区的长度均不小于45毫米。

具体地，第一垫板和第二垫板通过焊接的方式分别固定在第一板材夹持端处和第二板材夹持端处。

具体地，夹持装置与焊件的连接方式为夹具直接夹持。

作为一个实施例，对于点焊焊件，在对焊件进行预处理时可以仅仅截取一个焊点，裁剪后的焊件如图1所示；第一板材的搭接面和第二板材的搭接面为同一个平面，即第一板材和第二板材的贴合面。

裁剪后的点焊焊件尺寸如表1所示(表中单位为毫米)，当厚度为2mm～5mm(不含2mm)的第一板材与厚度小于等于2mm的第二板材组合焊接时，表1中的尺寸按承受载荷能力低的板材厚度确定。

表1

对其进行平衡处理后如图2所示，图中在第一板材和第二板材上均设置了垫板1。

拉伸测试可依GB/T 228.1-2010进行，结果分析时若无特殊规定，可将最大拉伸力值修约到1N(牛顿)，修约后的最大拉伸力值即可表征焊件的单点抗剪切力学性能。

对于角焊缝搭接焊件，其结构有四种情况，分别如图3～6所示，图中的焊件均为去掉舍弃区经裁剪后并已设置了垫板1的焊件。图3中第一板材的搭接面为第一板材与衬板2的贴合面，第二板材的搭接面为第二板材与衬板2的贴合面，两个贴合面位于同一个平面内。

角焊缝搭接焊件的裁剪尺寸如下表2所示(表中单位为毫米)，当厚度为2mm～8mm(不含2mm)的第一板材与厚度小于等于2mm的第二板材组合焊接时，表2中的尺寸按承受载荷能力低的板材厚度确定。

表2

对于图3和图5所示的焊件，拉伸测试前应对两条焊缝进行区别标记，如分别标记为第一焊缝a和第二焊缝b，然后分别测量并记录剪切试样对应的焊缝宽度。

拉伸测试时使用合适的夹具夹持焊件，根据GB/T 228.1-2010规定对焊件进行连续加载，至焊件断裂，记录试验期间的最大力F_m；最后观察并记录焊件的断裂位置。

结果分析分为以下几种情况：

图3所示焊件的抗剪切力学性能按照如下方式计算：

a)记录焊件断裂的焊缝，若为第一焊缝a断裂，计算时，焊缝宽度b₀取第一焊缝a的宽度，若为第二焊缝b断裂，计算时，焊缝宽度b₀取第二焊缝b的宽度；

b)单条焊缝单位长度上的抗剪力按下式(1)计算：

F_j＝F_m/b₀…………………………………………………(1)

式中：

F_j——焊件的单条焊缝单位长度上的抗剪力，单位为牛每毫米(N/mm)；

F_m——焊件断裂前的最大力，单位为牛(N)；

b₀——焊件焊缝宽度，单位为毫米(mm)。

对于如图4和图6所示的焊件，单条焊缝单位长度上的抗剪力按式(1)计算。

对于如图5所示的焊件，单条焊缝单位长度上的抗剪力按下式(2)计算：

F_j＝F_m/(b₀₁+b₀₂)……………………………………(2)

式中：

F_j——单条焊缝单位长度上的抗剪力，单位为牛每毫米(N/mm)；

b₀₁——第一焊缝a的宽度，单位为毫米(mm)；

b₀₂——第二焊缝b的宽度，单位为毫米(mm)。

最后，试验测定的结果数值应按相关产品标准的要求进行修约。如未规定具体要求，则将单条焊缝单位长度上的抗剪力F_j修约到1N/mm。

对于丁字焊件，将其去掉舍弃区裁剪制备成进行剪切测试和焊缝贴合面熔宽测量的焊件。丁字焊件结构有两种情况，裁剪成进行剪切测试的结构示意图分别如图7和图8所示，裁剪成进行焊缝贴合面熔宽测量的结构示意图分别如图9和图10所示，图7和图9所示的两条焊缝标记第一焊缝a和第二焊缝b须对应一致。

图7和图8中的焊件均为裁剪后并已设置了垫板1的焊件；图7中第一板材的搭接面为第一板材与衬板2的贴合面，第二板材的搭接面为第二板材与衬板2的贴合面，两个贴合面位于同一个平面内。

裁剪后进行焊缝贴合面熔宽测量的焊件数量一般为2件，其具体形状和尺寸按相关仪器说明书要求或相关工艺文件执行，宽度一般取10毫米。

焊缝贴合面熔宽测量过程如下：

a)对每个焊件编号标记，若为图9所示焊件，则应对焊件中的两条焊缝进行区别标记，如分别标记为第一焊缝a和第二焊缝b；

b)按GB/T 26955相关规定对焊件进行研磨、抛光、侵蚀；

c)使用光学仪器分别测量并记录焊件对应的焊缝贴合面熔宽，若为图9所示焊件，则应对焊件中的两条焊缝对应的贴合面熔宽分别进行测量并区别记录，如分别记录为第一焊缝a的贴合面熔宽和第二焊缝b的贴合面熔宽；

d)试验测定的焊缝贴合面熔宽结果取2件对应焊缝贴合面熔宽的算术平均值，结果数值应按相关产品标准的要求进行修约。如未规定具体要求，焊缝贴合面熔宽修约到0.001毫米。

丁字焊件剪切试验的裁剪尺寸如表3所示(表中单位为毫米)，当厚度为2mm～8mm(不含2mm)的第一板材与厚度小于等于2mm的第二板材组合焊接时，表3中的尺寸按承受载荷能力低的板材厚度确定。

表3

剪切试验过程如下：

a)对每个焊件编号标记，若为图7所示焊件，则应对焊件中的两条焊缝进行区别标记，如分别标记为第一焊缝a和第二焊缝b并应与图9所示的焊缝标记第一焊缝a和第二焊缝b对应；

b)分别测量并记录焊件对应的焊缝宽度；

c)使用合适的夹具夹持焊件，根据GB/T 228.1-2010规定对焊件进行连续加载，至焊件断裂，记录试验期间的最大力F_m；

d)观察并记录焊件断裂位置。

图7所示焊件的抗剪切力学性能的计算过程如下：

a)记录焊件的断裂焊缝，若为第一焊缝a断裂，计算时，焊件的焊缝宽度b₀取第一焊缝a的宽度、焊件焊缝贴合面熔宽c取第一焊缝a的贴合面熔宽；若为第二焊缝b断裂，计算时，焊件的焊缝宽度b₀取第二焊缝b的宽度、焊件焊缝贴合面熔宽c取第二焊缝b的贴合面熔宽；

b)单条焊缝单位长度上的抗剪力按式(1)计算；

c)整个焊件的抗剪强度按下式(3)计算：

τ＝F_m/(c×b₀)……………………………………………(3)

式中：

τ——焊件的抗剪强度，单位为兆帕(MPa)；

c——焊件的焊缝贴合面熔宽，单位为毫米(mm)；

F_m——焊件断裂前的最大力，单位为牛(N)；

b₀——焊件的焊缝宽度，单位为毫米(mm)。

图8所示焊件的抗剪切力计算过程如下：

a)单条焊缝单位长度上的抗剪力应按式(1)计算；

b)整个焊件的抗剪强度应按式(3)计算。

试验测定的结果数值应按相关产品标准的要求进行修约，如未规定具体要求，单条焊缝单位长度上的抗剪力F_j修约到1N/mm，抗剪强度τ修约到1MPa。

通过以上具体实施方式可以看出，本方法给出了一套用于测试板材激光焊接搭接焊件抗剪切力学性能的完整、可行的方法，弥补了现有技术中缺乏此类方法的技术空白，保障了激光焊接搭接焊件的焊接质量，提高了焊件在使用中的可靠性，极具推广应用价值。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。