釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，包括以下步驟：⑴制備T型拉伸試樣；⑵準(zhǔn)備測(cè)試設(shè)備，包括電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、夾具、加熱爐、溫控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；⑶安裝T型拉伸試樣；⑷測(cè)試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能；⑸測(cè)試高溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能；⑹表征接頭的力學(xué)性能：對(duì)載荷-位移曲線進(jìn)行積分，除以開(kāi)裂面的面積，得到斷裂總能，計(jì)算出界面斷裂能和起裂時(shí)的最大載荷，它們是表征拉伸試樣力學(xué)性能的主要參數(shù)。本發(fā)明提供了符合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況的T型接頭試樣；解決了釬焊板翅結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試方法欠缺、測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題；測(cè)試方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，能避免人為操作的誤差，測(cè)試更高效、測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。
【專利說(shuō)明】釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于板翅結(jié)構(gòu)釬焊工藝制造力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試的試樣設(shè)計(jì)和測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】
[0002]不銹鋼板翅換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、耐高溫、防腐蝕的特點(diǎn)。目前，換熱技術(shù)在從大型化向緊湊化、微小化轉(zhuǎn)變，板-翅結(jié)構(gòu)的換熱器由于其高效緊湊的特點(diǎn)，在一體化高溫系統(tǒng)中越來(lái)越受到青睞，被廣泛應(yīng)用于核能動(dòng)力、石油、化工、航空航天、冶金、交通等領(lǐng)域。在新一代的高溫氣冷堆中，板-翅結(jié)構(gòu)不但是最為可行的換熱單元形式，而且直接決定著反應(yīng)堆的能量轉(zhuǎn)換效率。隨著服役溫度和壓力的日趨提高，人們對(duì)板翅結(jié)構(gòu)壽命安全的可靠性提出了更高的要求。
[0003]板翅結(jié)構(gòu)由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成，通過(guò)翅片與隔板(金屬薄板)間隔疊置構(gòu)成通道，翅片兩邊以封條密封構(gòu)成基本單元，其中，板翅和隔板均采用強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕的奧氏體不銹鋼。真空釬焊由于具有接頭光滑、焊后變形小的特點(diǎn)，適于焊接精密、復(fù)雜的構(gòu)件，是不銹鋼板翅式換熱器的主要封裝連接方式，即:通過(guò)在隔板與翅片、封條之間預(yù)置BNidf料箔片，利用高溫熔化的液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充隔板與翅片、隔板與封條之間的間隙并與母材相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)板翅結(jié)構(gòu)的連接。但是，真空釬焊由于釬焊層所占面積比例大，翅片和隔板焊接尺寸較小，表面微觀形貌復(fù)雜，焊接工藝影響因素較多，存在多場(chǎng)耦合作用，焊接時(shí)焊材與母材材料組織性能差異較大，應(yīng)力集中明顯，因此，在承壓服役工況下，翅片與隔板T型釬焊接頭會(huì)產(chǎn)生各類缺陷，成為板翅結(jié)構(gòu)高溫失效的主要誘因。
[0004]目前，對(duì)板翅釬焊接頭的研究主要集中在釬焊工藝、強(qiáng)度分析和接頭形式上。關(guān)于板翅結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的測(cè)試還缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，雖然可采用搭接接頭拉伸試驗(yàn)方法研究釬焊接頭的力學(xué)性能，但其主要測(cè)試的是接頭的剪切強(qiáng)度。在實(shí)際工況中，板翅釬焊結(jié)構(gòu)失效的主要原因是垂直焊面拉伸力的撕裂作用引起的，微裂紋先在焊縫邊緣產(chǎn)生，然后向焊面內(nèi)部擴(kuò)展。在目前采用的搭接接頭拉伸試驗(yàn)中，焊縫的受力形式與實(shí)際工況中板翅釬焊結(jié)構(gòu)的受力形式相差較遠(yuǎn)，不能準(zhǔn)確表征板翅結(jié)構(gòu)釬焊接頭的力學(xué)性能，因此，亟待設(shè)計(jì)一種新的標(biāo)準(zhǔn)接頭試樣并提出一種針對(duì)該試樣的力學(xué)性能測(cè)試方法，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)釬焊接頭焊接質(zhì)量，為釬焊板翅結(jié)構(gòu)在高【技術(shù)領(lǐng)域】的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，在制備拉伸試樣的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)夾具，應(yīng)用帶加熱爐、溫控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量記錄載荷-位移曲線，并對(duì)其進(jìn)行積分獲得消耗總能量，將起裂時(shí)的最大載荷和焊縫的界面斷裂能作為主要參數(shù)表征拉伸試樣的力學(xué)性能，解決了釬焊板翅結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試方法欠缺、測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題；其試樣設(shè)計(jì)符合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況，測(cè)試方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，能避免人為操作的誤差，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案。
[0007]—種釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)制備T型拉伸試樣
將板材形式的母材切割成規(guī)格為150mmX160mm的型材，然后進(jìn)行90°折彎，將型材150mm短邊折彎成長(zhǎng)105mm、短45mm的L型結(jié)構(gòu)件；
將兩個(gè)所述的L型構(gòu)件在短邊45mm的層面對(duì)齊，中間放入釬料并用夾具夾緊，進(jìn)行釬焊，得到T型結(jié)構(gòu)的焊接件；
將所述焊接件切割成若干T型拉伸試樣:所述T型拉伸試樣包括焊接段、拉伸段和夾持端三部分，其中，焊接段長(zhǎng)度為30~45mm，寬度為10~20mm ;拉伸段長(zhǎng)度為60~80mm，寬度為10~20mm ;夾持端寬度為25~30mm，長(zhǎng)度為30~50mm，夾持端上的銷釘孔直徑為
6~8mm ；
(2)準(zhǔn)備測(cè)試設(shè)備
采用的測(cè)試設(shè)備包括:電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、夾具、加熱爐、溫控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
(3)安裝T型拉伸試樣
①將步驟(1)得到的T 的夾具上，用石棉線在T型拉伸試樣上中下的位置各綁上一個(gè)熱電偶，將所述熱電偶連接到溫控系統(tǒng)上，再將溫控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)顯示、記錄和控制升溫過(guò)程；
②將步驟(1)得到的T型拉伸試樣的另一端(下端)通過(guò)所述銷釘孔用第二固定銷釘固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的底座上；
(4)測(cè)試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能
①開(kāi)啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，由夾具通過(guò)第一固定銷釘對(duì)T型拉伸試樣開(kāi)始拉伸加載，加載速率為0.5mm/min~3mm/min,預(yù)載荷為100N~200N ；
②控制系統(tǒng)開(kāi)始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)；
(5)測(cè)試高溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能
①關(guān)上加熱爐，在加熱爐與夾具的空隙部分填入石棉；
②將加熱爐的溫度升溫到200°C~700°C；
③達(dá)到步驟(5)②設(shè)定的測(cè)試溫度后，由控制系統(tǒng)自動(dòng)保持加熱爐的測(cè)試溫度，保持時(shí)間為10~20min ；
④保溫結(jié)束后開(kāi)啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.5~3mm/min，預(yù)載荷為100N~200N ；
⑤控制系統(tǒng)開(kāi)始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)；
(6)表征接頭的力學(xué)性能
對(duì)得到的載荷-位移曲線進(jìn)行擬合，得到以下數(shù)學(xué)模型:

【權(quán)利要求】
1.一種釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)制備T型拉伸試樣 將板材形式的母材切割成規(guī)格為150mmX 160mm的型材,進(jìn)行90°折彎,將型材150mm短邊折彎成長(zhǎng)105mm、短45mm的L型結(jié)構(gòu)件； 將兩個(gè)所述的L型構(gòu)件在短邊45mm的層面對(duì)齊，中間放入釬料并用夾具夾緊，進(jìn)行釬焊，得到T型結(jié)構(gòu)的焊接件； 將所述焊接件切割成若干T型拉伸試樣:所述T型拉伸試樣包括焊接段、拉伸段和夾持端三部分，其中，焊接段長(zhǎng)度為30?45mm ;拉伸段長(zhǎng)度為60?80mm,寬度為10?20mm ;夾持端寬度為25?30mm，長(zhǎng)度為30?50mm，夾持端上的銷釘孔直徑為6?8mm ; (2)準(zhǔn)備測(cè)試設(shè)備 采用的測(cè)試設(shè)備包括:電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、夾具、加熱爐、溫控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)； (3)安裝T型拉伸試樣 ①將步驟(I)得到的T型拉伸試樣的一端通過(guò)所述銷釘孔用第一固定銷釘固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，用石棉線在T型拉伸試樣上中下的位置各綁上一個(gè)熱電偶，將所述熱電偶連接到溫控系統(tǒng)上，再將溫控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)顯示、記錄和控制升溫過(guò)程； ②將步驟(I)得到的T型拉伸試樣的另一端通過(guò)所述銷釘孔用第二固定銷釘固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的底座上； (4)測(cè)試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能 ①開(kāi)啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，由夾具通過(guò)第一固定銷釘對(duì)T型拉伸試樣開(kāi)始拉伸加載，力口載速率為0.5mm/min?3mm/min,預(yù)載荷為100N?200N ； ②控制系統(tǒng)開(kāi)始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)； (5)測(cè)試高溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能 ①關(guān)上加熱爐，在加熱爐與夾具的空隙部分填入石棉； ②將加熱爐的溫度升溫到200°C?700°C； ③達(dá)到步驟(5)②設(shè)定的測(cè)試溫度后，由控制系統(tǒng)自動(dòng)保持加熱爐的測(cè)試溫度，保持時(shí)間為10?20min ； ④保溫結(jié)束后開(kāi)啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.5?3mm/min，預(yù)載荷為100N?200N ； ⑤控制系統(tǒng)開(kāi)始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)； (6)表征接頭的力學(xué)性能 對(duì)得到的載荷-位移曲線進(jìn)行擬合，得到以下數(shù)學(xué)模型:
kSδ < Sz P(S) = ^^ _￡；
PQ+Ae~^^Be β δ >δζ 式中，4為載荷-位移曲線中載荷達(dá)到最大時(shí)的位移值； 用所述數(shù)學(xué)模型對(duì)位移進(jìn)行積分得到消耗總能量，除以斷開(kāi)面面積，即得到破壞單位面積的焊縫所需的斷裂總能:
所述斷裂總能σ包含破壞焊縫界面所需的界面斷裂能g和塑性彎曲變形所消耗的耗散能= 式中，Q可由下式進(jìn)行計(jì)算:
式中，5為母材的屈服應(yīng)力；J為母材的彈性模量；A為母材厚度U力在新的裂紋表面生成之前界面層被撕開(kāi)的長(zhǎng)度，可通過(guò)下式計(jì)算得到:
式中，毛為焊縫材料的彈性模量，\力焊縫厚度；由于欠相比母材厚度很小，可以忽略不計(jì)，則上式簡(jiǎn)化為:
由此得到界面斷裂能的計(jì)算公式:
起裂時(shí)的最大載荷和界面斷裂能6是表征拉伸試樣的力學(xué)性能的主要參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，步驟(1)所述母材為包括碳鋼、招合金、銅合金、鈦合金的金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，所述母材的厚度為 0.5 ~2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，步驟(1)所述的釬料層厚度為40~120 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，步驟(2)所述的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為CMT5504型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬焊接頭力學(xué)性能測(cè)試方法，其特征在于，步驟(3)所述的中間的熱電偶設(shè)置在拉伸試樣下半部分靠近中間焊縫的位置，這樣能減少隨拉伸試樣移動(dòng)的熱電偶的數(shù)量。
【文檔編號(hào)】G01N3/18GK104181052SQ201410351317
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】周幗彥, 舒雙文, 陳興, 涂善東, 王瓊琦 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)