用于测试焊接拘束应力的装置和方法与流程

本发明涉及焊接领域，具体地涉及用于测试焊接拘束应力的装置和方法。

背景技术：

焊件被外界固定或因自身刚性的影响，在焊接过程中的变形受到限制，因此产生焊接拘束应力。高温金属材料焊接实验研究中，需要加载和监控不同的拘束应力，以对金属材料的失效机理进行更接近真实使用环境的探究，对这些材料在使役条件下的寿命进行有效预测和管控。

现有技术中存在的难题，是如何准确方便地获得焊接拘束应力数据。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供用于测试焊接拘束应力的装置和方法，该装置和方法能够在焊接过程中准确采集到焊接试样上所承受的焊接拘束应力，并且能够控制焊接试样上所承受的焊接拘束应力的大小。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于测试焊接拘束应力的装置，包括：第一支撑件和第二支撑件，第一焊接试样连接在所述第一支撑件的对称中心，第二焊接试样连接在所述第二支撑件的对称中心，并且所述第一焊接试样的待焊接部位和所述第二焊接试样的待焊接部位相互靠近设置；应力承载组件，该应力承载组件以连接应力可调整的方式连接在所述第一支撑件和第二支撑件之间，以在承受焊接拘束应力时发生相应的变形；并且所述应力承载组件相对于所述第一支撑件的对称中心和第二支撑件的对称中心对称地设置；以及应力测量组件，该应力测量组件连接至所述应力承载组件，用以输出所述应力承载组件上所承受的焊接拘束应力。

优选地，所述应力测量组件包括连接在所述应力承载组件上的应变传感组件。

优选地，所述用于测试焊接拘束应力的装置还包括加热组件，用以在所述第一焊接试样的待焊接部位和所述第二焊接试样的待焊接部位处形成高温焊接环境。

优选地，所述加热组件包括围绕在所述第一焊接试样的待焊接部位和所述第二焊接试样的待焊接部位周围的电磁感应加热线圈。

优选地，所述加热组件包括用于控制加热温度的温度传感组件。

优选地，所述第一焊接试样和所述第二焊接试样相对于所述第一支撑件和所述第二支撑件热绝缘。

优选地，所述第一焊接试样和/或所述第一支撑件上设置有第一冷却管件，所述第二焊接试样和/或所述第二支撑件上设置有第二冷却管件；所述第一冷却管件和所述第二冷却管件中允许流量可调的冷却介质流过。

优选地，所述第一支撑件和所述第二支撑件为空心结构，以允许流量可调的冷却介质流过。

优选地，所述应力承载组件包括多个相间隔地设置的杆件，各个所述杆件的一端可拆卸地连接至所述第一支撑件，另一端可拆卸地连接至所述第二支撑件。

优选地，各个所述杆件的两端设置有螺纹；所述应力承载组件还包括限位螺母，所述杆件的两端分别贯穿所述第一支撑件和第二支撑件，并且与所述限位螺母螺纹连接。

优选地，所述焊接拘束应力的测试装置还包括控制组件，所述第一支撑件、所述第二支撑件、所述应力承载组件、所述应力测量组件和/或所述加热组件与所述控制组件电连接。

本发明另一方面还提供一种用于测试焊接拘束应力的方法，包括：设置第一支撑件和第二支撑件，将第一焊接试样连接至所述第一支撑件的对称中心，将第二焊接试样连接至所述第二支撑件的对称中心，并且使所述第一焊接试样的待焊接部位和所述第二焊接试样的待焊接部位相互靠近；在所述第一支撑件和第二支撑件之间以连接应力可调整的方式连接应力承载组件，该应力承载组件在承受焊接拘束应力时发生相应的变形，并且该应力承载组件相对于所述第一支撑件的对称中心和第二支撑件的对称中心对称地设置；以及在所述应力承载组件上连接应力测量组件，用以输出所述应力承载组件上所承受的焊接拘束应力。

优选地，所述应力测量组件测量所述应力承载组件的变形量，并且根据所述变形量和所述应力承载组件的弹性模量输出所述焊接拘束应力。

优选地，所述应力测量组件包括连接在所述应力承载组件上的应变片，该应变片根据所述应力承载组件所承受的所述焊接拘束应力，输出相应的变形度数；所述焊接拘束应力的计算方法为：σ＝e×ε；其中，ε为所述应变片输出的变形度数；e为所述应力承载组件的弹性模量，由拉伸实验获得；σ为所述焊接拘束应力。

优选地，所述用于测试焊接拘束应力的方法还包括：在焊接过程中，通过测量所述第一焊接试样的焊接部位和/或所述第二焊接试样的焊接部位的电阻值，获得所述第一焊接试样的焊接部位和/或所述第二焊接试样的焊接部位的裂纹状态，从而输出所述第一焊接试样和/或所述第二焊接试样的临界拘束应力。

优选地，所述临界拘束应力的计算方法包括：测量获得所述第一焊接试样的焊接部位和/或所述第二焊接试样的焊接部位的电阻突变值；采集所述电阻突变值所对应的所述应变片输出的变形度数；根据所述变形度数计算获得所述焊接拘束应力，该焊接拘束应力等于所述临界拘束应力。

优选地，在焊接过程中，向所述第一焊接试样的焊接部位和第二焊接试样的焊接部位输送保护气体，以实施气体保护焊接。

通过上述技术方案，本发明提供的用于测试焊接拘束应力的装置和方法将第一焊接试样连接到第一支撑件上，将第二焊接试样连接到第二支撑件上，并且将应力承载组件连接在第一支撑件和第二支撑件之间。这样，在将第一焊接试样和第二焊接试样进行焊接的过程中，焊接拘束应力能够通过第一支撑件和第二支撑件在第一焊接试样、第二焊接试样和应力承载组件之间进行传递。也就是说，在焊接过程中，第一焊接试样和第二焊接试样的焊接拘束应力通过第一支撑件和第二支撑件传递到应力承载组件，应力承载组件承受焊接拘束应力产生相应的变形；利用应力测量组件能够测出应力承载组件的变形量，根据应力承载组件的变形量，即可计算出应力承载组件所承受的焊接拘束应力的大小，从而采集到相应的数据。同时，应力承载组件通过与第一支撑件和第二支撑件的连接关系可以限制第一焊接试样和第二焊接试样的变形，对第一焊接试样和第二焊接试样施加反作用力，该反作用力的大小正是焊接拘束应力的大小；因此可以通过调整应力承载组件与第一支撑件和第二支撑件之间的连接应力，来控制应力承载组件对第一焊接试样和第二焊接试样施加的反作用力的大小，从而控制施加到第一焊接试样和第二焊接试样上的焊接拘束应力。因此，本发明的装置和方法能够在焊接过程中准确采集到焊接试样上所承受的焊接拘束应力，还能够控制焊接试样上所承受的焊接拘束应力的大小，从而使得金属焊接实验能够更真实地揭示焊接过程中拘束应力的作用情况。

附图说明

图1是根据本发明的用于测试焊接拘束应力的装置的结构示意图。

附图标记说明

1第一焊接试样2第二焊接试样3第一支撑件

4第二支撑件5应变传感器组件6电磁感应加热线圈

7温度传感组件8第一冷却管件9第二冷却管件

10杆件11限位螺母12电阻测量仪

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图1，本发明一方面提供一种用于测试焊接拘束应力的装置。该装置包括第一支撑件3和第二支撑件4，用以形成整个装置的主支撑结构。选取待焊接的第一焊接试样1和第二焊接试样2后，根据本发明的实施方式，将第一焊接试样1连接至第一支撑件3，将第二焊接试样2连接至第二支撑件4。为了避免拘束应力形成多向耦合的合力而造成数据分析障碍，本发明的装置设置成沿着对称中心对称设置的结构，并且将焊接试样设置在对称中心，以排除外部装置的干扰，更真实地采集到焊接试样所承受的拘束应力。因此，根据本发明的实施方式，将第一焊接试样1连接在第一支撑件3的对称中心，将第二焊接试样2连接在第二支撑件4的对称中心。另外，还需要将第一焊接试样1的待焊接部位和第二焊接试样2的待焊接部位相互靠近设置，以便实施焊接。

举例而言，第一焊接试样1和第二焊接试样2选取为管件；可以在第一支撑件3的对称中心和第二支撑件4的对称中心分别开设通孔，使得第一焊接试样1的一端能够穿过第一支撑件3上的通孔而固定连接至第一支撑件3，另一端作为待焊接部位；使得第二焊接试样2的一端能够穿过第二支撑件4上的通孔而固定连接至第二支撑件4，另一端作为待焊接部位。第一支撑件3和第二支撑件4可以是钢板等材质，第一焊接试样1可以焊接在第一支撑件3上，第二焊接试样2可以焊接在第二支撑件4上。将第一焊接试样1的待焊接部位和第二焊接试样2的待焊接部位彼此靠近相对设置，第一支撑件3和第二支撑件4形成相互平行的主支撑结构。此处描述以说明为目的，以上所有特征均可以进行变形。例如但不限于，第一焊接试样1和第二焊接试样2可以是块状结构件，第一支撑件3和第二支撑件4可以是杆状结构件，第一焊接试样1可以螺纹连接至第一支撑件3，第二焊接试样2可以螺纹连接至第二支撑件4，等等。

本发明的装置还包括应力承载组件。该应力承载组件连接在第一支撑件3和第二支撑件4之间，与第一支撑件3和第二支撑件4组成牢固的一体式对称结构，用以限制第一焊接试样1和第二焊接试样2的变形。应力承载组件相对于第一支撑件3的对称中心和第二支撑件4的对称中心对称地设置，以使得第一焊接试样1和第二焊接试样2位于整个装置的对称中心。例如但不限于，应力承载组件为两块完全对称的钢材，与第一支撑件3和第二支撑件4组成矩形的框架结构。值得注意的是，无论应力承载组件设置成何种结构形式，其自身强度优选低于第一支撑件3和第二支撑件4的强度，使得焊接拘束应力引起的变形发生在应力承载组件上，以便于数据采集。这样，在焊接过程中，第一焊接试样1和第二焊接试样2的焊接拘束应力通过第一支撑件3和第二支撑件4传递到应力承载组件，应力承载组件承受焊接拘束应力产生相应的变形；同时，应力承载组件通过与第一支撑件3和第二支撑件4的连接关系可以限制第一焊接试样1和第二焊接试样2的变形，对第一焊接试样1和第二焊接试样2施加反作用力。

这也就是说，可以通过调整应力承载组件与第一支撑件3和第二支撑件4之间的连接应力，来控制施加到第一焊接试样1和第二焊接试样2上的焊接拘束应力。具体地，可以调整应力承载组件自身的强度，或者调整应力承载组件与第一支撑件3和/或第二支撑件4的连接强度，达到上述目的。这样，在实验过程中，通过控制和改变施加到第一焊接试样1和第二焊接试样2上的焊接拘束应力，可以模拟到更多的实际焊接和使用工况，从而使得金属焊接实验能够更真实地揭示焊接过程中拘束应力的作用情况，进而对第一焊接试样1和第二焊接试样2在实际使役条件下的使用寿命进行更加有效的预测和管控。

本发明的装置还包括应力测量组件。该应力测试组件连接至应力承载组件，能够测出应力承载组件的变形量。根据应力承载组件的变形量，即可计算出应力承载组件所承受的焊接拘束应力的大小，也就是第一焊接试样1和第二焊接试样2所承受的焊接拘束应力的大小，从而采集到相应的数据。

根据本发明的实施方式，应力测量组件包括连接在应力承载组件上的应变传感组件5。具体地，该应变传感组件可以包括应变片、变形量传感器等元件。应变片连接在应力承载组件上，能够根据应力承载组件所承受的焊接拘束应力的不同大小，相应地输出应力承载组件的变形量，即输出变形度数。之后变形量传感器可以将该变形度数传送至运算中心，由运算中心计算出相对应的焊接拘束应力。

根据本发明的实施方式，应力承载组件包括多个杆件10。这些杆件相间隔地设置，并且相对于第一支撑件3的对称中心和第二支撑件4的对称中心对称地设置。如图1中所示，多个杆件10对称地设置在第一焊接试样1和第二焊接试样2的两侧和/或外围，各个杆件10的一端可拆卸地连接至第一支撑件3，另一端可拆卸地连接至第二支撑件4。优选使用杆件10作为应力承载组件，是因为杆件10对焊接拘束应力较为敏感，尤其是杆件10的直径较小时，比较容易采集到变形度数，从而可以获得准确的计算结果。设置多个杆件10，则是为了实现对焊接拘束应力大小的控制。通过设置不同数量和刚度的杆件10，可以调整加载给第一焊接试样1和第二焊接试样2的拘束应力，从而达到所期望的设计目标和实验效果。杆件10与第一支撑件3和第二支撑件4可拆卸地连接，可以容易地实现改变杆件10的数量，以及容易地实现更换不同刚度的杆件。

更详细地，根据本发明的实施方式，各个杆件10的两端开设有螺纹。应力承载组件还包括限位螺母11，杆件10的两端可以分别贯穿第一支撑件3和第二支撑件4后，与限位螺母11螺纹连接，从而使杆件10牢固地连接至第一支撑件3和第二支撑件4。可以在第一支撑件3和第二支撑件4的对称的位置开设贯通孔，使得在相应的位置各个杆件10的两端能够分别贯穿第一支撑件3和第二支撑件4。如图1中所示，限位螺母11可以有多个。例如在杆件10与第一支撑件3相连接的一端，可以从第一支撑件3的两侧分别设置限位螺母11，以将杆件10锁紧在第一支撑件3上。另外，通过调整限位螺母11的旋拧位置和旋紧程度，也可以微量调整所加载的焊接拘束应力。

继续参考图1，本发明的装置还包括加热组件，用以在第一焊接试样1的待焊接部位和第二焊接试样2的待焊接部位处形成高温焊接环境，从而模拟真实的高温焊接工况或模拟温度梯度，使得焊接实验的数据更接近真实工况下的数据。优选地，加热组件包括用于控制加热温度的温度传感组件7。具体地，该温度传感组件7可以包括温度测量仪，温度传感器等元件。温度测量仪测量到经加热组件加热后的温度，温度传感器将测量结果传送至运算中心，由运算中心计算实际温度与目标温度的差值；当实际温度达到目标温度时，可以停止加热组件；温度降低到目标温度以下的某一范围时，可以再启动加热组件。藉此可以控制加热组件的加热温度。优选地，加热组件包括围绕在第一焊接试样1的待焊接部位和第二焊接试样2的待焊接部位周围的电磁感应加热线圈6。通过电磁感应加热线圈6的电磁感应作用使焊接环境保持目标温度，电磁感应加热线圈6易于布置和控制，并且温度场均匀。

另外，本发明的装置还包括控制组件，用以对装置进行自动控制。如前和如上所述的运算中心，即为控制组件的组成部分。第一支撑件3、第二支撑件4、应力承载组件、应力测量组件和加热组件中的一者或者多者与控制组件电连接，从而整个装置的所有感应器、传感器等元件读数均可由控制组件通过数据线以及相应的软件自动采集和处理，并且诸如加热组件的启停操作也可以由控制组件自动控制。

根据本发明的实施方式，第一焊接试样1和第二焊接试样2相对于第一支撑件3和第二支撑件4热绝缘。也就是说，防止第一焊接试样1和第二焊接试样2相对于第一支撑件3和第二支撑件4发生热传导，这样一方面避免热量浪费，另一方面避免增加操作应力承载组件时的操作难度。

更详细地，根据本发明的一种实施方式，第一焊接试样1和/或第一支撑件3上设置有第一冷却管件8，第二焊接试样2和/或第二支撑件4上设置有第二冷却管件9。第一冷却管件8和第二冷却管件9中允许流量可调的冷却介质流过，从而热量不会传递到第一支撑件3和第二支撑件4。冷却介质可以是液体或者气体。对于冷却温度的控制，可以通过控制组件实现，例如，可以通过自动控制冷却介质的流量来使冷却温度保持在合适的温度。根据本发明的另一种实施方式，第一支撑件3和第二支撑件4为空心结构，以允许流量可调的冷却介质流过。这样直接对第一支撑件3和第二支撑件4进行冷却，也可以实现隔热。不过值得注意的是，将第一支撑件3和第二支撑件4设置为空心结构时，第一支撑件3和第二支撑件4的整体强度还应保持大于应力承载组件的强度。

本发明另一方面还提供一种用于测试焊接拘束应力的方法。该方法包括设置第一支撑件3和第二支撑件4，将第一焊接试样1连接至第一支撑件3的对称中心，将第二焊接试样2连接至第二支撑件4的对称中心，并且使第一焊接试样1的待焊接部位和第二焊接试样2的待焊接部位相互靠近。在第一支撑件3和第二支撑件4之间以连接应力可调整的方式连接应力承载组件，该应力承载组件在承受焊接拘束应力时发生相应的变形，并且该应力承载组件相对于第一支撑件3的对称中心和第二支撑件4的对称中心对称地设置。在应力承载组件上连接应力测量组件，用以输出应力承载组件上所承受的焊接拘束应力。

前文所述的装置的实施方式也是此处所述的方法的实施方式。本发明提供的方法可以与前述装置的实施方式进行任意组合，都在本发明的方法的保护范围内。相同的内容此处不再赘述。

根据本发明的实施方式，应力测量组件测量应力承载组件的变形量，并且，根据变形量和应力承载组件的弹性模量可以计算出焊接拘束应力。具体地，可以如前所述在应力承载组件上连接应变片，测量应力承载组件的变形度数ε，然后通过公式σ＝e×ε计算获得焊接拘束应力σ。应该理解的是，由于杆件10有多个，所以需要在每个杆件10上连接应变片，以分别测量各个杆件10的变形度数，相应地计算出各个杆件10的焊接拘束应力σ。将所有杆件10承受的焊接拘束应力σ相加，获得的才是整个应力承载组件所承受的全部焊接拘束应力，也就是施加到第一焊接试样1和第二焊接试样2上的焊接拘束应力。另外，上述公式中的e为应力承载组件的弹性模量，可以通过拉伸实验获得。如上述实施例，当应力承载组件为杆件10时，e为杆件10的弹性模量。当使用不同刚度的杆件10时，弹性模量e是各不相同的。在计算各个杆件10的焊接拘束应力σ时，应相应地代入该杆件10自身的弹性模量e。也由此可证，通过调整杆件10的刚度，可以对第一焊接试样1和第二焊接试样2施加不同大小的焊接拘束应力。另外，还可以通过焊接拘束应力σ与应力承载组件的横截面积a的乘积得到焊接拘束力f，该焊接拘束力f是工程实践中工程技术人员常用的经验数值，能直观地表达出焊接过程中焊接件受到的拘束力。可以理解，当应力承载组件为杆件10时，a即为杆件10的横截面积。单独计算每个杆件10的焊接拘束力时，a的取值为该杆件10的横截面街；计算全部杆件10的焊接拘束力时，a的取值为全部杆件10的横截面积之和。

本发明的方法还包括，在焊接过程中，通过测量第一焊接试样1的焊接部位和/或第二焊接试样2的焊接部位的电阻值，获得第一焊接试样1的焊接部位和/或第二焊接试样2的焊接部位的裂纹状态，从而输出第一焊接试样1和/或第二焊接试样2的临界拘束应力。当第一焊接试样1和/或第二焊接试样2承受临界拘束应力即将断裂时，电阻值会因产生裂纹而发生突变。通过连续测量焊接试样的电阻值，可以检测到电阻突变。测量电阻值的仪器，可以使用开尔文双臂电桥、直流电阻测试仪、万用表等。另外，也可以同时接入其他能够检测焊接件微裂纹的仪器，用以进行同步验证。使用电阻法进行测量，实验仪器易得，例如可以使用万用表；并且出现电阻突变比较容易监控。

更详细地，计算临界拘束应力的方法包括，连续测量第一焊接试样1的焊接部位和/或第二焊接试样2的焊接部位的电阻值，获得电阻突变值；采集电阻突变值所对应的应变片输出的变形度数ε，并利用上述公式计算出焊接拘束应力。该焊接拘束应力即为临界拘束应力。

另外，根据本发明的实施方式，在焊接过程中，向第一焊接试样1的焊接部位和第二焊接试样2的焊接部位输送保护气体，以实施气体保护焊接。当第一焊接试样1和第二焊接试样2为管件时，可以从管件内部输送保护气体。藉此，可以模拟气体保护焊的高温焊接工况，对气体保护焊工况下金属材料的失效机理进行更接近真实使用环境的探究。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。