一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接技术，特别是一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法。
【背景技术】
[0002] 金属薄板的点焊连接工艺广泛应用于汽车制造领域，点焊接头的连接强度直接影 响汽车车身的安全和使用寿命，是评价汽车安全性能的重要指标。过去，对点焊接头强度的 测试主要采用静态方法，即针对各种拉伸剪切、十字拉伸或拉伸剥离等点焊试样，施加准静 态拉力，得到点焊接头破坏时的最大承载能力（极限载荷）、对应极限载荷时刻试样的变形 量（位移）以及吸收功、焊点的破坏模式（焊核拔出，界面分离）等参数。然而，汽车发生 交通事故时通常是在高速行驶中，此时车身构件和连接这些构件的点焊接头受到高速冲击 载荷的作用。在冲击载荷条件下，点焊接头的承载能力、变形、吸收功等与静态情况差别很 大，因此，用静态测试的结果来评价点焊接头的连接强度存在很大的局限性，不能反映点焊 接头的动态性能。为此，需要开展点焊接头动态性能测试和评价的研宄。
[0003] 对金属薄板点焊接头的冲击性能进行评价和研宄，需要测出点焊接头在冲击条件 下所能承受的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总吸收功等参数。为此，需要 测量或计算出冲击力随时间变化、位移随时间变化、速度随时间变化、冲击吸收功随时间变 化、冲击力随位移变化等曲线。
[0004] 由于点焊试样在结构上存在不均匀性，即焊点区域材料的微观组织和力学性能与 原金属片不同，点焊接头所受冲击载荷的形式存在多样性，如拉伸剪切、正拉伸、拉伸剥离 以及复合载荷等，测试加载过程中焊点周围材料发生塑性变形，以及要求冲击载荷的速度 和能量变化范围大等原因，导致准确测量和全面评价点焊接头的冲击性能变得十分困难， 测试效率低，成本高。此外，由于各种点焊缺陷的存在，以及在点焊试样的制作和安装过程 中存在的尺寸、位置误差等原因，进一步导致了测试结果的准确性和重复性差，数据分散性 较大等问题。这些不利因素严重阻碍了点焊冲击测试技术的发展和应用。
[0005] 目前用于材料冲击性能检测的标准摆锤式冲击试验机，一般由底座、试样支座、摆 锤、能量分度盘和指针以及取摆机构、安全销等组成，采用带V形缺口的标准试样，尺寸为 10X10X55mm。所测量的参数主要是材料的冲击功。由于点焊接头试样的结构特殊性以及 对冲击力、位移和极限载荷冲击吸收功等参数测量的特殊要求，使得标准摆锤式冲击试验 机无法用于点焊接头冲击性能的测试。
[0006] ZL02252726. 5号专利文献公开了一种拉伸冲击试验机，包括试验机本体、测量装 置、摆锤和试样装夹机构。测量时，将试样的两端分别固定在装夹机构的固定钳口和活动钳 口上，由摆锤的单程摆动提供能量，"U"形摆锤头冲击活动钳口，使试样在较高拉伸变形速 率下破坏，活动钳口与试样的一部分一起被抛出，测定摆锤消耗能量及试样破坏前后的标 距，经校正、计算得到试样的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率。因这种拉伸冲击试验机是针 对测试塑料的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率而设计的，用其测量金属薄板点焊接头，不 能测量冲击过程中冲击力和位移等参数。
[0007] 为了测试点焊接头的冲击性能，ZL200410021245. 9号专利文献公开了一种双摆 式冲击试验机及试验方法。该试验机的冲击部分由主动摆锤、从动摆锤、样品基座以及压 紧装置等组成，测试试样为"Z"字形试样。试验时，试样的一端与从动摆锤通过压紧装置 牢固连接，另一端与样品基座通过压紧装置连接。主动摆锤从初始位置落下，撞击从动摆 锤，将试样点焊接头冲断，根据主动摆锤初始能量和主动摆锤及从动摆锤冲击后剩余能量 计算冲击吸收功。文献"StudyofDynamicPerformanceofAdvancedHighStrength Steel(AHSS)ResistanceSpotWelds"（DissertationbyAmirAliRahimPourShayan, TheUniversityofToledo, 2006)描述了该试验机测量冲击力和位移的方法，其中冲击力 采用四个应变式测力单元测量，该四个测力单元安装在样品基座下面支撑点处，冲击过程 中冲击力对样品基座施加倾翻力矩，在四个测力单元处产生支反力，利用上述支反力以及 样品基座的静力平衡关系可以计算出点焊接头所受到的冲击力。该试验机采用反射式光纤 位移传感器测量点焊试样在冲击过程中的位移，具体方法是在从动摆锤的锤头上安装一个 反光镜，利用光纤传感器测量传感器端部与反光镜之间的距离来测量试样的位移。上述试 验机采用双摆锤的好处是可以利用从动摆锤来测量试样被冲断部分的能量，进而提高冲击 吸收功测量的准确性。该专利文献仅给出了这种试验机对总冲击吸收功的测量方法，没有 给出极限载荷吸收功的测量方法。这种试验机不直接测量冲击力，而是利用四个测力单元 测量的支反力通过换算得到冲击力，由于测力回路结构复杂，中间转换环节多，影响冲击力 测量结果的准确度。另外，采用双摆锤方案，试验机结构复杂，且存在试样尺寸误差和安装 误差，容易导致主动摆锤和从动摆锤的撞击接触部位发生在从动摆锤的上部或下部，影响 冲击能量的传递，也影响测量的准确性。再有，制作"Z"字形试样需要专用成形设备。
【发明内容】
[0008] 针对上述现有技术存在的问题和缺陷，本发明的目的是提供一种测量结果准确可 靠、且可获得用于评价和研宄金属薄板点焊接头冲击性能所需全部参数和曲线的金属薄板 点焊接头冲击性能测试装置及使用这种装置对金属薄板点焊接头冲击性能进行测试的方 法。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供的金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，包括冲击 试验机、冲击夹具、控制系统、数据采集系统和数据处理系统；所述冲击试验机由底座、立 柱、摆轴、摆锤、摆角刻度盘、取摆机构和安全销组成；所述立柱固定安装在底座上，所述摆 角刻度盘和取摆机构安装在立柱的上端，安全销安装在立柱的中部；其中取摆机构由伺服 电机和离合器组成；所述摆锤由摆杆和安装在摆杆下端的摆锤头组成，摆杆的上端通过转 动套安装在立柱上端的摆轴上，所述摆锤头为"U"形，其两侧板上各有一个配重块；所述摆 锤头的两侧板分别有喇叭形开口，开口的底面上各有一个前端为球冠面的冲击帽，球冠面 的中心点为摆锤的撞击中心；
[0010] 所述冲击夹具包括夹具底板、活动钳口、活动钳口支座、固定钳口和固定钳口支 座；其中夹具底板固定安装在所述冲击试验机的底座上；所述活动钳口支座和固定钳口支 座固定安装在夹具底板上；活动钳口支座的顶部为平面，固定钳口支座的顶部有凸台；所 述活动钳口和固定钳口的上部分别有固定安装点焊试样用的压板和压紧螺栓；活动钳口坐 落在所述活动钳口支座顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口的横向长度大于所述两 冲击帽的间距，活动钳口的两个侧面为斜面，与斜面相对应设有激光位移传感器，激光位移 传感器发出的激光束垂直于所述摆锤的运动方向射向该斜面；固定钳口的宽度小于所述摆 锤头双臂之间的宽度，固定钳口上开设有矩形孔，所述固定钳口支座顶部的凸台与测力传 感器相互贴靠置于该矩形孔中，并由预紧螺栓将固定钳口、测力传感器和固定钳口支座顶 部的凸台紧固在一起；
[0011] 所述控制系统控制冲击试验机的取摆机构和安全销，对取摆、放摆、释放安全销、 释放摆锤和二次取摆进行控制，同时还控制所述数据采集系统和数据处理系统进行数据采 集和数据处理；数据采集系统与所述冲击试验机的测力传感器和激光位移传感器相连接。
[0012] 使用上述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试金属薄板点焊接头冲击性能 的方法，按以下步骤进行：
[0013] 1)取摆机构将所述摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆锤；
[0014] 2)将金属薄板点焊试样安装在冲击夹具上；
[0015] 3)释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角位置；
[0016] 4)释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点接 头施加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点焊 试样的后部、压板和压紧螺栓被抛出；
[0017] 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器采集试样点焊接头受到的冲击力； 通过激光位移传感器采集试样自由端的位移；通过摆角刻度盘采集摆锤的角度（包括摆锤 初始仰角和