釬焊接頭力學(xué)性能測試方法
【專利摘要】本發(fā)明釬焊接頭力學(xué)性能測試方法，包括以下步驟：⑴制備T型拉伸試樣；⑵準(zhǔn)備測試設(shè)備，包括電子萬能試驗機(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測試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能；⑸測試高溫環(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：對載荷-位移曲線進(jìn)行積分，除以開裂面的面積，得到斷裂總能，計算出界面斷裂能和起裂時的最大載荷，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)性能測試方法欠缺、測試結(jié)果不準(zhǔn)確的問題；測試方法簡單，數(shù)據(jù)自動采集，能避免人為操作的誤差，測試更高效、測試結(jié)果更準(zhǔn)確。
【專利說明】釬焊接頭力學(xué)性能測試方法

【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)性能測試的試樣設(shè)計和測試方法。

【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。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，在一體化高溫系統(tǒng)中越來越受到青睞，被廣泛應(yīng)用于核能動力、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，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，存在多場耦合作用，焊接時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)性能的測試還缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，雖然可采用搭接接頭拉伸試驗方法研究釬焊接頭的力學(xué)性能，但其主要測試的是接頭的剪切強(qiáng)度。在實際工況中，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中，焊縫的受力形式與實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)計一種新的標(biāo)準(zhǔn)接頭試樣并提出一種針對該試樣的力學(xué)性能測試方法，以準(zhǔn)確評價釬焊接頭焊接質(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)明的目的在于針對上述問題，提出一種釬焊接頭力學(xué)性能測試方法，在制備拉伸試樣的基礎(chǔ)上，設(shè)計相應(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)的電子萬能試驗機(jī)測試系統(tǒng)測量記錄載荷-位移曲線，并對其進(jìn)行積分獲得消耗總能量，將起裂時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)性能測試方法欠缺、測試結(jié)果不準(zhǔn)確的問題；其試樣設(shè)計符合實際結(jié)構(gòu)受力情況，測試方法簡單，數(shù)據(jù)自動采集，能避免人為操作的誤差，測試結(jié)果準(zhǔn)確。
[0006]為實現(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105mm、短45mm的L型結(jié)構(gòu)件；
將兩個所述的L型構(gòu)件在短邊45mm的層面對齊，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，焊接段長度為30~45mm，寬度為10~20mm ;拉伸段長度為60~80mm，寬度為10~20mm ;夾持端寬度為25~30mm，長度為30~50mm，夾持端上的銷釘孔直徑為
6~8mm ；
(2)準(zhǔn)備測試設(shè)備
采用的測試設(shè)備包括:電子萬能試驗機(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、記錄和控制升溫過程；
②將步驟(1)得到的T型拉伸試樣的另一端(下端)通過所述銷釘孔用第二固定銷釘固定在電子萬能試驗機(jī)的底座上；
(4)測試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能
①開啟電子萬能試驗機(jī)，由夾具通過第一固定銷釘對T型拉伸試樣開始拉伸加載，加載速率為0.5mm/min~3mm/min,預(yù)載荷為100N~200N ；
②控制系統(tǒng)開始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)；
(5)測試高溫環(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)定的測試溫度后，由控制系統(tǒng)自動保持加熱爐的測試溫度，保持時間為10~20min ；
④保溫結(jié)束后開啟電子萬能試驗機(jī)，加載速率為0.5~3mm/min，預(yù)載荷為100N~200N ；
⑤控制系統(tǒng)開始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)；
(6)表征接頭的力學(xué)性能
對得到的載荷-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105mm、短45mm的L型結(jié)構(gòu)件； 將兩個所述的L型構(gòu)件在短邊45mm的層面對齊，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，焊接段長度為30?45mm ;拉伸段長度為60?80mm,寬度為10?20mm ;夾持端寬度為25?30mm，長度為30?50mm，夾持端上的銷釘孔直徑為6?8mm ; (2)準(zhǔn)備測試設(shè)備 采用的測試設(shè)備包括:電子萬能試驗機(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所述銷釘孔用第一固定銷釘固定在電子萬能試驗機(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、記錄和控制升溫過程； ②將步驟(I)得到的T型拉伸試樣的另一端通過所述銷釘孔用第二固定銷釘固定在電子萬能試驗機(jī)的底座上； (4)測試室溫環(huán)境下T型拉伸試樣接頭的力學(xué)性能 ①開啟電子萬能試驗機(jī)，由夾具通過第一固定銷釘對T型拉伸試樣開始拉伸加載，力口載速率為0.5mm/min?3mm/min,預(yù)載荷為100N?200N ； ②控制系統(tǒng)開始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)； (5)測試高溫環(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)定的測試溫度后，由控制系統(tǒng)自動保持加熱爐的測試溫度，保持時間為10?20min ； ④保溫結(jié)束后開啟電子萬能試驗機(jī)，加載速率為0.5?3mm/min，預(yù)載荷為100N?200N ； ⑤控制系統(tǒng)開始記錄載荷、位移的數(shù)據(jù)； (6)表征接頭的力學(xué)性能 對得到的載荷-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)到最大時的位移值； 用所述數(shù)學(xué)模型對位移進(jìn)行積分得到消耗總能量，除以斷開面面積，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的長度，可通過下式計算得到:
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，則上式簡化為:
由此得到界面斷裂能的計算公式:
起裂時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)性能測試方法，其特征在于，步驟(2)所述的電子萬能試驗機(jī)為CMT5504型電子萬能試驗機(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的熱電偶的數(shù)量。
【文檔編號】G01N3/18GK104181052SQ201410351317
【公開日】2014年12月3日 申請日期: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 申請人:華東理工大學(xué)