基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接技术领域，更加具体的说，涉及基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾/热裂纹倾向试验装置，特别是涉及一种基于可调刚性拘束，针对焊接接头冷裂/热裂倾向试验装置。
【背景技术】
[0002]裂纹是焊接接头中最常见的缺陷，许多大型工程结构中焊接接头开裂是由焊接冷裂纹或热裂纹引起。对于海洋工程结构，海上平台导管架、粧腿等焊接接头中也时有发生冷裂/热裂纹发生，造成巨大的经济损失。目前，大量新型高强度钢在海洋工程结构中应用，焊接施工中裂纹问题越来越突出，而焊接裂纹的滞后性使其危害性尤为严重。因此，如何定量地确定钢材的开裂倾向，一直是焊接工作者面临的一个难题。出于试验简单易操作、成本低的目的，我国应用斜Y坡口拘束试验和插销试验较多，这两种方法都曾被制定为我国国家标准。然而，这两种试验方法不能模拟实际结构焊接时的真正拘束度，该局限性导致试验结果不能反映钢材真正的开裂倾向，因此我国关于这两种试验的标准均已被废止，目前国内没有制定相关的新标准。
[0003]实际上，国际上已经提出了能考虑实际拘束度的焊接冷裂试验方法，即荷兰学者A.T.Fikker s于1974年提出的刚性拘束裂纹试验方法，简称RRC试验。RRC试验可模拟焊件在冷却过程中所产生的拘束反作用力，比较真实地反映焊接接头的受力状态，因此能够定量地确定被试钢材产生裂纹的临界拘束应力或临界拘束度，用来判断实际焊接接头的冷裂倾向。但是该试验方法仅能用于焊接冷裂纹试验，且刚性拘束的调节必须通过改变试样的尺寸解决。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可调刚性拘束的焊接接头裂纹倾向试验装置，在焊接接头冷却过程中，以靠自身收缩产生的应力为基础，模拟焊接接头承受的外部拘束条件。试验过程中焊接试件保持固定的拘束长度，就像焊接接头两端被刚性固定一样，因此成为刚性拘束裂纹(RRC)试验。该RRC试验方法的核心是通过RRC试验获得钢材发生冷裂纹时的临界拘束应力然后用实际结构实测或计算得到的拘束应力0比较。若σ，则不产生裂纹;若?^ σ，则产生裂纹。
[0005]本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:
[0006]基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置，包括底座，移动夹具，固定夹具，第一支撑板，油缸，导向柱，第二支撑板，载荷传感器，滑块，第一位移传感器和第二位移传感器，其中:
[0007]在底座上设置第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板之间连接有沿水平方向设置的导向柱;在导向柱上设置有滑块，可沿着导向柱进行移动，在滑块上设置移动夹具，伴随着滑块沿着导向柱进行移动;在底座上设置油缸，且油缸输出轴与滑块的中央位置相连，以使油缸能够通过输出轴带动滑块在导向柱的方向上进行移动;在第二支撑板上设置载荷传感器，且固定夹具与第二支撑板固定相连，当油缸通过输出轴带动滑块在导向柱的方向上进行移动时，移动夹具产生相对于固定夹具的靠近或者远离的运动，试样之间产生压缩或者拉伸的载荷，由于固定夹具与第二支撑板固定相连，恰由载荷传感器予以采集;固定夹具和移动夹具相对设置，两者的大小一致且与导向柱的距离一致，以使固定夹具和移动夹具分别固定的两块试样之间的焊缝稳定在一个垂直于导向柱的平面内；
[0008]第一位移传感器通过第一位移传感器支架分别与两块试样相连，且第一位移传感器支架横跨两个试样和焊缝，以使第一位移传感器能够采集因为焊缝焊接造成的两块试样的形变;第二位移传感器通过第二位移传感器支架分别与两块试样相连，且第二位移传感器支架横跨两个试样和焊缝，以使第二位移传感器能够采集因为焊缝焊接造成的两块试样的形变；
[0009]载荷传感器，第一位移传感器和第二位移传感器分别与数据采集卡相连，数据采集卡与控制器相连，控制器与油缸相连，以控制油缸输出轴的动作。
[0010]在上述技术方案中，控制器为计算机。
[0011]在上述技术方案中，油缸设置在第一支撑板的外侧。
[0012]在上述技术方案中，采用伺服油栗与油缸相连，伺服油栗打出的高压油经过精滤油器进入油缸的配流座，进入配流座的油一方面经伺服阀用于对系统施加试验力(由输出轴带动滑块运动)；另一方面进入到储能器，用以减少系统油压的波动;伺服油栗的控制系统是全数字式控制器，该控制器采用PIDS控制模式。
[0013]本发明的装置在刚性拘束冷裂试验中的应用，利用该试验装置进行试验时，位移传感器选择长春浩园试验机有限公司生产，控制精度为0.005mm，将两块试样分别固定在移动夹具和固定夹具上，同时选取不同的拘束距离;在选定的一个拘束距离进行试验时，由于焊缝处的焊接会产生拉伸或者压缩，两个位移传感器会分别采集信号通过数据采集卡，传递给控制器，控制器会判断两块试样是否因为焊接产生位移，如果两块试样相互接近，则控制器发出信号，以使油缸输出轴带动滑块和移动夹具向远离固定夹具的方向移动，以使位移传感器采集形变信号为零，同时载荷传感器采集测试过程的载荷数据，通过数据采集卡传递给控制器。
[0014]在上述技术方案中，根据试验的试样，选择该试样在服役施工现场使用的焊材及焊接工艺对试件施焊(例如单道)，结合位移传感给出的信号，按拘束距离不变原则施加截荷并予以保持，如未发生开裂(通过观察表面裂纹率、根部裂纹率和断面裂纹率来判断，若三者均为O认定为未发生开裂)，再降低拘束距离，直至得出开裂与不开裂的拘束距离，即临界拘束距离，与临界拘束距离相对应的拘束力和拘束度即为临界拘束应力(Ir)、临界拘束度(R。!.)为止。
[0015]本发明的装置在焊接热裂纹试验中的应用，利用该试验装置进行试验时，对试样进行焊接，焊接的同时对焊接接头进行拉伸，即油缸输出轴拉动滑块和移动夹具向远离固定夹具的方向进行运动，以使焊缝金属在冷却结晶过程中受到外力拉伸，直至焊接完成。随后观察断口，检验焊缝金属是否有热裂纹特征。焊接热裂纹的测试实验，通过拉伸速率来进行控制，不需要位移传感器，即采用不同拉伸速率对焊接接头进行拉伸，判断不同拉伸速率对焊接接头的影响。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:(1)使用本发明可获得钢材在焊接材料及焊接工艺条件下(冷却速度、扩散氢含量等)的拘束性能，避免产生裂纹的临界拘束应力或临界拘束度，以判断实际焊接接头的冷裂倾向；(2)除了焊接冷裂纹以外，本发明也可进行焊接热裂纹试验，通过改变拉伸速率使得焊接冷却过程中焊缝区发生塑性变形，从而增加发生热裂纹的几率，通过测得焊缝金属抵抗冷裂纹的最大拉伸速率来评价母材、焊材及焊接工艺组合条件下的热裂纹倾向；(3)不仅适用于板材，也适用于管材及板角焊缝；(4)本发明具有刚性拘束的可调节功能，所有试样统一尺寸，通过调整位移传感器来改变刚性拘束水平。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的结构示意图(I)，其中I为底座，2-1为移动夹具，2-2为固定夹具，3为第一支撑板，4为油缸，4-1为油缸输出轴，5为导向柱，6为第二支撑板，7为载荷传感器，8为滑块，9为第一位移传感器，9-1为第一位移传感器支架。
[0018]图2是本发明的结构示意图(2)，其中2-1为移动夹具，2-2为固定夹具，7为载荷传感器，9为第一位移传感器，10为第二位移传感器，11-1为第一试样，11-2为第二试样，12为焊缝。
[0019]图3是本发明的信号连接示意图，其中4为油缸，7为载荷传感器，9为第一位移传感器，1为第二位移传感器，13为数据采集卡，14为控制器。
[°02°]图4是本发明实施例中使用的坡口结构示意图，a为2—4mm，b为300mm，c为50mm，c/2为25mm，d为60° ^为60°。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
[0022]如附图所示，本发明的一种基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置，包括底座，移动夹具，固定夹具，第一支撑板，油缸，导向柱，第二支撑板，载荷传感器，滑块，第一位移传感器和第二位移传感器，其中:
[0023]在底座上设置第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板之间连接有沿水平方向设置的导向柱;在导向柱上设置有滑块，可沿着导向柱进行移动，在滑块上设置移动夹具，伴随着滑块沿着导向柱进行移动;在底座上设置油缸，且油缸输出轴与滑块的中央位置相连，以使油缸能够通过输出轴带动滑块在导向柱的方向上进行移动;在第二支撑板上设置载荷传感器，且固定夹具与第二支撑板固定相连，当油缸通过输出轴带动滑块在导向柱的方向上进行移动时，移动夹具产生相对于固定夹具的靠近或者远离的运动，试样之间产生压缩或者拉伸的载荷，由于固定夹具与第二支撑板固定相连，恰由载荷传感器予以采集;固定夹具和移动夹具相对设置，两者的大小一致且与导向柱的距离一致，以使固定夹具和移动夹具分别固定的两块试样之间的焊缝稳定在一个垂直于导向柱的平面内；
[0024]第一位移传感器通过第一位移传感器支架分别与两块试样相连，且第一位移传感器支架横跨两个试样和焊