本发明涉及焊接接头检测领域，特别涉及一种微剪切试验装置。
背景技术：
两个或两个以上零件通过焊接方式进行连接后，接连处便形成焊接接头，焊接接头的力学性能对焊接质量有直接影响，因此，需要通过研究焊接接头的力学性能来改进焊接工艺、提高焊接强度。剪切强度是评价焊接接头力学性能优劣的基本参数之一，而由于焊接接头的力学性能具有不均匀性，焊接接头上不同位置的力学性能对其整体的承载能力也有复杂影响，所以需要对焊接接头的不同区域进行剪切(即微剪切)，以对焊接接头的局部剪切强度进行测量，从而实现焊接接头承载能力的准确评价。因此，提供一种能对焊接接头进行微剪切的装置是十分必要的。
现有技术提供了一种微型剪切试验装置，该装置包括底座，底座上方设置有夹具，夹具中部设有条形凹槽，用于容纳待检测试样，夹具后端设置有压块。该装置还包括剪切刀具，剪切刀具包括刀柄和刀头，刀柄与万能试验机的上夹头相连接。使用时，将待检测试样放入夹具的凹槽中，并通过压块压紧，使万能试验机通过刀头对待检测试样进行剪切，同时，利用万能试验机的载荷传感器和位移传感器来采集剪切过程的数据，直到待检测试样被剪断，便可获得焊接接头局部的剪切强度数值。
发明人发现现有技术至少存在以下技术问题：
现有技术提供的微型剪切试验装置中，万能试验机对刀柄的夹持不稳，容易导致刀头对待检测试样的剪切角度发生偏斜，影响剪切强度数值的准确性。
技术实现要素：
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够保持刀头竖直剪切、且测量准确的微剪切试验装置，具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种微剪切试验装置，所述装置包括底座，所述底座上设置有试样固定装置，所述试样固定装置包括设置在所述底座上的试样支座，所述试样支座前端设置有前夹紧块，后端设置有后夹紧块；所述装置还包括刀具，所述刀具包括连接至拉伸试验机的刀柄，以及设置在所述刀柄底部的刀头。
所述底座上设置有位于所述试样固定装置前端的框架，所述框架的中空部分设置有两个相对的压块支撑臂；两个所述压块支撑臂之间设置有可上下滑动的压块；两个所述压块支撑臂之间还设置有位于所述压块上方的齿轮和两个盘形凸轮，两个所述盘形凸轮同轴设置在所述齿轮两端，并与所述齿轮同步转动；所述盘形凸轮的周缘与所述压块相抵。
所述框架顶部设置有具有轴向通孔的直线轴承，所述刀柄可上下运动地穿过所述轴向通孔以及所述框架的顶部，并且所述刀柄下部的侧壁上设置有与所述齿轮相啮合的齿条。
具体地，作为优选，所述后夹紧块为方钢，所述方钢内部沿横向设置有夹紧孔，用于穿过待测量试样；所述方钢顶部螺纹连接有蝶形螺栓，所述蝶形螺栓的底部用于抵住所述待测量试样；所述前夹紧块顶面上设置有夹紧凹槽，用于容纳所述待测量试样。
具体地，作为优选，所述试样支座内横向设置有可转动的丝杠，并且所述丝杠的后端位于所述试样支座外部；所述试样支座上设置有横向导轨，所述后夹紧块的下部位于所述横向导轨内，并与所述丝杠螺纹连接；通过转动所述丝杠使所述后夹紧块前后运动。
具体地，作为优选，所述框架包括水平支座，以及竖直设置在所述水平支座两端下方的竖直支座，所述竖直支座的侧壁上设置有观察通孔。
具体地，作为优选，所述刀柄呈圆柱体，所述刀柄的顶部设置有连接法兰，所述连接法兰与所述拉伸试验机法兰连接；所述刀柄的底部延伸出一节半圆柱形台阶，所述刀头设置在所述半圆柱形台阶的下部，所述齿条设置在所述半圆柱形台阶的平面侧壁上。
具体地，作为优选，所述刀头包括连接臂和设置在所述连接臂底部的刀片，通过固定螺钉使所述连接臂与所述半圆柱形台阶的下部可拆卸连接。
具体地，作为优选，所述刀片的刀尖与水平方向的夹角为剪切前角，与竖直方向的夹角为剪切后角；所述剪切前角和所述剪切后角均为3°-4°。
具体地，作为优选，所述装置还包括复位弹簧，所述复位弹簧的上端与所述盘形凸轮的周缘相抵，所述复位弹簧的下端与所述压块连接。
具体地，作为优选，所述压块的前端面为斜面，所述斜面的角度为78°-83°。
具体地，作为优选，所述齿条的长度为所述齿轮周长的1/3-1/2。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的微剪切试验装置，通过在底座上设置中空的框架，并在框架中设置压块支撑臂以使压块能够进行上下调整。通过在压块上方设置同步转动的齿轮和盘形凸轮，并通过刀柄上的齿条带动齿轮和盘形凸轮，当刀柄向下运动时，盘形凸轮的大径端在齿条和齿轮的带动下推动压块压紧待测量试样，避免待测量试样的晃动而导致测量不准。同时，齿轮与齿条的配合精准，便于控制压块对待测量试样的压紧程度，以提高待测量试样剪切强度的测量精度。此外，通过在框架顶部设置直线轴承，并使刀柄在直线轴承的轴向通孔中上下运动，以保证刀柄的直线运动，避免刀柄运动偏斜而导致刀头无法对待测量试样进行竖直剪切，从而提高待测量试样剪切强度的测量精度。可见，本发明实施例提供的微剪切试验装置，能够保持刀头对待测量试样的竖直剪切、且测量准确、使用方便，适于规模化推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的微剪切试验装置的结构图；
图2是本发明实施例提供的试样固定装置的结构图；
图3是本发明实施例提供的微剪切试验装置的局部剖视图；
图4是本发明实施例提供的微剪切试验装置的局部放大图；
图5是本发明实施例提供的刀柄的结构图；
图6是本发明实施例提供的试样固定装置的内部结构图；
图7是本发明实施例提供的微剪切试验装置的局部透视图；
图8是本发明实施例提供的刀头的结构图。
附图标记分别表示：
1底座，
2试样固定装置，
201试样支座，
202前夹紧块，
203后夹紧块，
204蝶形螺栓，
205丝杠，
3刀具，
301刀柄，
3011齿条，
3012半圆柱形台阶，
302刀头，
3021连接臂，
3022刀片，
4框架，
401水平支座，
402竖直支座，
5压块支撑臂，
6压块，
7齿轮，
8盘形凸轮，
9直线轴承，
10复位弹簧，
11拉伸试验机,
12待测量试样，
α剪切前角，
γ剪切后角，
β刀尖角。
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，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种微剪切试验装置，如附图1所示，该装置包括底座1，底座1上设置有试样固定装置2，如附图2所示，试样固定装置2包括设置在底座1上的试样支座201，试样支座201前端设置有前夹紧块202，后端设置有后夹紧块203；该装置还包括刀具3，如附图3所示，刀具3包括连接至拉伸试验机11的刀柄301，以及设置在刀柄301底部的刀头302。底座1上设置有位于试样固定装置2前端的框架4，框架4的中空部分设置有两个相对的压块支撑臂5，两个压块支撑臂5之间设置有可上下滑动的压块6，如附图4所示，两个压块支撑臂5之间还设置有位于压块6上方的齿轮7和两个盘形凸轮8，两个齿轮8同轴设置在齿轮7两端，并与齿轮7同步转动，盘形凸轮8的周缘与压块6相抵。框架4顶部设置有具有轴向通孔的直线轴承9，刀柄301可上下运动地穿过轴向通孔以及框架4的顶部，如附图5所示，刀柄301下部的侧壁上设置有与齿轮7相啮合的齿条3011。
本发明实施例提供的微剪切试验装置的工作原理如下：
需要说明的是，盘形凸轮8为本领域常见的部件，其回转中心靠近盘形凸轮8的一侧，即盘形凸轮8不同方向的直径是不同的，最大的直径所在的周缘称为大径端，最小的直径所在的周缘称为小径端，在应用该微剪切试验装置之前，盘形凸轮8处于初始位置，此时盘形凸轮8的小径端与压块6相抵。
进行微剪切试验时，首先将待测量试样12装入试样支座201的前夹紧块202中，调整待测量试样12的位置，使待测量试样12的前端面超出前夹紧块202的前端面，超出部分即为待剪切部分，同时保证刀头302恰好位于待测量试样12的待剪切部分的正上方，再通过后夹紧块203将待测量试样12的后端夹紧，避免待测量试样12的晃动。然后，通过拉伸试验机11使刀柄301在直线轴承9的引导下做竖直向下运动，随着刀柄301的向下运动，刀柄301侧壁上的齿条3011与压块6上方的齿轮7逐渐啮合，齿轮7带动盘形凸轮8转动，盘形凸轮8的大径端从初始位置逐渐转至下方(初始位置时盘形凸轮8的大径端在上，小径端在下)，并推动压块6向下运动，压紧待测量试样12。待测量试样12压紧后，刀柄301继续向下运动，刀头302就会将待测量试样12前端待剪切部分切下，通过拉伸试验机11的载荷传感器和位移传感器来采集剪切过程的数据，直到待测量试样12被剪断，便可获得待测量试样12局部的剪切强度数值。待测量试样12剪切完毕，向上拉动刀柄301，使刀柄301上的齿条3011带动齿轮8反向转动，使凸轮8的大径端转至初始位置，同时向上推动压块6离开待测量试样12，然后再次调整待测量试样12的位置，重复上述步骤，进行下一次剪切试验。
本发明实施例提供的微剪切试验装置，通过在底座1上设置中空的框架4，并在框架4中设置压块支撑臂5以使压块6能够进行上下调整。通过在压块6上方设置同步转动的齿轮7和盘形凸轮8，并通过刀柄301上的齿条3011带动齿轮7和盘形凸轮8，当刀柄301向下运动时，盘形凸轮8的大径端在齿条3011和齿轮7的带动下推动压块6压紧待测量试样12，避免待测量试样12的晃动而导致测量不准。同时，齿轮7与齿条3011的配合精准，便于控制压块6对待测量试样12的压紧程度，以提高待测量试样12剪切强度的测量精度。此外，通过在框架4顶部设置直线轴承9，并使刀柄301在直线轴承9的轴向通孔中上下运动，以保证刀柄301的直线运动，避免刀柄301运动偏斜而导致刀头302无法对待测量试样12进行竖直剪切，从而提高待测量试样12剪切强度的测量精度。可见，本发明实施例提供的微剪切试验装置，能够保持刀头302对待测量试样12的竖直剪切、且测量准确、使用方便，适于规模化推广应用。
具体地，为了使待测量试样12的位置保持稳定，以便于刀头302对待测量试样12进行剪切，底座1上设置有试样固定装置2。如附图2所示，试样固定装置2包括设置在底座1顶面上的试样支座201，试样支座201前端设置有前夹紧块202，后端设置有后夹紧块203。前夹紧块202与待测量试样12的尺寸相适配，用于固定待测量试样12的前端。前夹紧块202的顶面上设置有夹紧凹槽，用于容纳待测量试样12，前夹紧块202的前端为斜面，即前夹紧块202的横截面由上至下逐渐减小，以与前端同也为斜面的压块6相配合，将待测量试样12夹持牢固。后夹紧块203为方钢，方钢内部沿横向(即前后方向)设置有用于使待测量试样12穿过的夹紧孔，方钢顶部螺纹连接有蝶形螺栓204，蝶形螺栓204的底部用于抵住待测量试样12。夹持待测量试样12时，先旋松蝶形螺栓204，将待测量试样12的后端伸入夹紧孔并调整至合适位置，再旋紧蝶形螺栓204，使蝶形螺栓204的底部抵住待测量试样12，从而将待测量试样12的后端固定。通过夹紧块202的夹持，和后夹紧块203的进一步固定，使待测量试样12在受到剪切时保持固定，避免待测量试样12后端翘起，而导致测量结果受到影响。
如附图6所示，为了便于待测量试样12位置的调整，试样支座201内横向设置有可转动的丝杠205，并且丝杠205的后端位于试样支座201外部，试样支座201上设置有横向导轨(横向即前后方向)，后夹紧块203的下部位于横向导轨内，并与丝杠205螺纹连接，通过转动丝杠205使后夹紧块203前后运动，以便于调整待测量试样12相对于刀头302的剪切位置，实现精确的局部剪切，提高剪切强度测量的准确性。将丝杠205位于试样支座201外部的后端与刻度轮、减速器、电机等连接，通过电机可以对丝杠205的旋转进行自动控制，通过刻度轮、转速器等可以对丝杠205的旋转速度、旋转距离进行调整，便于待测量试样12位置的精确调节，在待测量试样12前端进行过一次剪切后，还可以通过对刻度轮、减速器、电机等的设置实现待测量试样12的自动进给，使试样的剪切过程更加简单快捷。
本发明实施例提供的微剪切试验装置，其底座1上还设置有框架4，框架4包括水平支座401，以及竖直设置在水平支座401两端下方的竖直支座402。水平支座401和竖直支座402均具有一定的宽度，以便于在水平支座401和竖直支座402上设置其他部件，并使整个框架4形成一个门形，便于在框架4的中空部分中设置压块6等部件。竖直支座402的下部设置有向外延伸的连接耳，以便于通过连接螺栓使竖直支座402与底座1固定连接，保持框架4的稳定。水平支座402的中部设置有通孔，以使刀柄301纵向穿过，并使刀头302到达待测量试样12的剪切位置。当操作人员位于框架4的前方时，通过框架4的中空部分可以观察到刀头302对待测量试样12的剪切情况，同时，竖直支座402的侧壁上也设置有观察通孔，便于操作人员通过观察通孔在框架4的侧方对待测量试样12的剪切情况进行多角度观察。另外，还可以在观察通孔中安装摄像头，以对刀头302剪切待测量试样12的情况进行更加细致的观察和记录，也便于操作人员在电脑上对剪切情况进行直接观察，并随时调整刀头302或待测量试样12进给的位置，使待测量试样12的剪切过程更加精确。
框架4的中空部分设置有两个相对的压块支撑臂5，如附图4所示，使压块6恰好位于待测量试样12前端的上方，便于压紧待测量试样12，进一步避免待测量试样12在受到剪切时产生晃动，保证剪切强度测量的准确性。具体地，两个压块支撑臂5相对的侧壁上分别设置有一条纵向的凹进滑道，而压块6的左右两端各设置有一个与上述滑道相配合的凸起，使压块6的凸起分别进入左右两条滑道中，便可实现压块6在压块支撑臂5之间上下滑动，以便于压块6对待测量试样12压紧和释放状态的调节。
待测量试样12的位置固定好后，剪切强度测量的另一重点便是刀具3的结构。刀具3包括连接至拉伸试验机11的刀柄301，以及设置在刀柄301底部的刀头302。刀柄301呈圆柱体，如附图3所示，刀柄301的顶部设置有连接法兰，连接法兰与拉伸试验机11法兰连接，法兰连接使刀柄301与拉伸试验机11的结合更加牢固，提高了刀柄301的稳定性，避免刀柄301受到待测量试样12的阻力后出现偏斜现象。如附图5所示，刀柄301的底部延伸出一节半圆柱形台阶3012，刀头302设置在半圆柱形台阶3012的下部，齿条3011设置在半圆柱形台阶3012的平面侧壁上。当刀柄301向下运动时，刀柄301上未设置半圆柱形台阶3012的空间恰好用于容纳压块支撑臂5以及压块6、齿轮7、盘形凸轮8，使整个微剪切试验装置的结构更加紧凑、合理。
如附图7所示，进行剪切试验时，刀柄301下部的齿条3011与压块6上方的齿轮7相配合，随着刀柄301的向下运动，齿条3011带动齿轮7转动。盘形凸轮8与齿轮7通过齿轮轴上的键固定在一起，因而随着齿轮7一起转动。初始位置时，盘形凸轮8的大径端在上，小径端在下(盘形凸轮8逆时针旋转90°后如附图7所示，此时盘形凸轮8的大径端在左，小径端在右)，且盘形凸轮8小径端的直径与齿轮7的直径一致，以便于齿轮7带动盘形凸轮8转动。随着齿轮7的转动，盘形凸轮8的大径端逐渐转向下方，与初始位置相比，盘形凸轮8推动压块6向下运动了一段距离，恰好使压块6压住待测量试样12，便于刀头302对待测量试样12的剪切。齿条3011的长度为齿轮7周长的1/3-1/2，以使齿条3011的最上端与齿轮7啮合时，盘形凸轮8已将压块6推至压块支撑臂5的最下方，同时，刀柄301下方的刀头302也能够完成对待测量试样12的剪切。齿轮7与齿条3011的配合精确，便于调整，并能保证刀柄301带动刀头302沿竖直方向对待测量试样12进行剪切，提高剪切强度的测量精度。
刀柄301顶部的连接法兰通过4个m5x20的内六角螺钉与拉伸试验机11连接，拉伸试验机11可以选用fr-103c电脑式私服型电万能材料拉伸试验机11，试验负荷低于10kn，通过拉伸试验机11来驱动刀柄301的运动，实现刀头302对待测量试样12的剪切。而刀柄301的竖直运动通过直线轴承9来实现，刀柄301穿过直线轴承9的轴向通孔和水平支座401上的通孔，使刀头302到达待测量试样12的上方并进行剪切。直线轴承9的轴向通孔限制了刀柄301的径向运动，使刀柄301只能在竖直方向上下运动，避免刀柄301的偏斜导致刀头302对待测量试样12的剪切方向出现偏差，保证剪切强度数值的精确测量。直线轴承9通过其底部的连接法兰与框架4连接，连接稳固，有效避免了直线轴承9的晃动。直线轴承9可以选用lmfp20法兰直线滚动轴承，有效限位长度为42mm。另外，直线轴承9的作用在于限制刀柄301的运动方向，也可以使用其他能够限制刀柄301运动方向的固定装置，只要能使刀柄301保持竖直运动、不出现偏斜即可。
由于压块6被盘形凸轮8推动至压块支撑臂5的最下方后需外力推动将其提起，为了使压块6的提起过程更加容易便捷，因此该微剪切试验机构还包括复位弹簧10，复位弹簧10的上端与盘形凸轮8的周缘相抵，复位弹簧10的下端与压块6连接。通过复位弹簧10连接盘形凸轮8与压块6，当盘形凸轮8的大径端向下推动压块6时，复位弹簧10积累弹性势能，当盘形凸轮8的大径端在齿轮7的带动下逐渐转回初始位置，弹簧的弹性势能释放并带动压块6向上运动，使压块6自动脱离待测量试样12，便于待测量试样12的拆卸和位置调整。
如附图8所示，刀头302包括连接臂3021和设置在连接臂3021底部的刀片3022，通过固定螺钉使连接臂3021与刀柄301的半圆柱形台阶3012的下部可拆卸连接，以便于刀头302的更换。具体地，连接臂3021的侧壁上设置有两个安装孔，相应地，半圆柱形台阶3012的下部也设置有两个安装孔(附图8中的虚线部分)，通过将两个螺钉同时拧入连接臂3021和半圆柱形台阶3012的安装孔中，实现刀头302与刀柄301的可拆卸连接。刀头302与刀柄301的连接稳固，且尺寸较小的刀头302具有较高的刚度，不易因受到待测量试样12的阻力而产生弯曲，从而进一步保证了待测量试样12剪切强度的测量精度。
为了保证刀片3022的刚度，刀片3022具有一定的厚度，且刀片3022的刀尖与水平方向的夹角为剪切前角α，与竖直方向的夹角为剪切后角γ，且剪切前角α和剪切后角γ均为3°-4°。剪切前角α，其大小对剪切负荷、试样承受的附加弯矩、试件受剪处塑性变形强化区的大小、刀片3022径向剪切唯一、刀片3022的刚度和强度都有影响，对于一般的焊接接头的剪切，剪切前角α的角度优选为3.5°。剪切后角γ，其大小影响着刀片3022的刚度和强度，以及刀片3022与试样剪切面、刀片3022与试样夹头端面的摩擦力，剪切后角γ的角度优选为3.5°。刀片3022的刚度和强度主要取决于刀尖角β，相应地，刀尖角β的角度优选为83°。通过对刀片3022的形状进行限定，使刀片3022对待测量试样12的剪切更加精准。
为了便于对待测量试样12的剪切，使压块6前端的形状与刀片3022的形状相适配，如附图3所示，压块6的前端面为斜面，斜面的角度为78°-83°。当压块6压紧待测量试样12时，其前端面的最下端恰好与刀片3022的刀尖处相抵，避免刀片3022受到压块6的干涉，便于刀片3022对待测量试样12进行精准剪切。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。