一種金屬薄板點焊接頭沖擊性能測試裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及焊接技術，特別是一種金屬薄板點焊接頭沖擊性能測試裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 金屬薄板的點焊連接工藝廣泛應用于汽車制造領域，點焊接頭的連接強度直接影 響汽車車身的安全和使用壽命，是評價汽車安全性能的重要指標。過去，對點焊接頭強度的 測試主要采用靜態(tài)方法，即針對各種拉伸剪切、十字拉伸或拉伸剝離等點焊試樣，施加準靜 態(tài)拉力，得到點焊接頭破壞時的最大承載能力（極限載荷）、對應極限載荷時刻試樣的變形 量（位移）以及吸收功、焊點的破壞模式（焊核拔出，界面分離）等參數(shù)。然而，汽車發(fā)生 交通事故時通常是在高速行駛中，此時車身構件和連接這些構件的點焊接頭受到高速沖擊 載荷的作用。在沖擊載荷條件下，點焊接頭的承載能力、變形、吸收功等與靜態(tài)情況差別很 大，因此，用靜態(tài)測試的結果來評價點焊接頭的連接強度存在很大的局限性，不能反映點焊 接頭的動態(tài)性能。為此，需要開展點焊接頭動態(tài)性能測試和評價的研宄。
[0003] 對金屬薄板點焊接頭的沖擊性能進行評價和研宄，需要測出點焊接頭在沖擊條件 下所能承受的極限載荷、極限載荷位移、極限載荷沖擊吸收功、總吸收功等參數(shù)。為此，需要 測量或計算出沖擊力隨時間變化、位移隨時間變化、速度隨時間變化、沖擊吸收功隨時間變 化、沖擊力隨位移變化等曲線。
[0004] 由于點焊試樣在結構上存在不均勻性，即焊點區(qū)域材料的微觀組織和力學性能與 原金屬片不同，點焊接頭所受沖擊載荷的形式存在多樣性，如拉伸剪切、正拉伸、拉伸剝離 以及復合載荷等，測試加載過程中焊點周圍材料發(fā)生塑性變形，以及要求沖擊載荷的速度 和能量變化范圍大等原因，導致準確測量和全面評價點焊接頭的沖擊性能變得十分困難， 測試效率低，成本高。此外，由于各種點焊缺陷的存在，以及在點焊試樣的制作和安裝過程 中存在的尺寸、位置誤差等原因，進一步導致了測試結果的準確性和重復性差，數(shù)據(jù)分散性 較大等問題。這些不利因素嚴重阻礙了點焊沖擊測試技術的發(fā)展和應用。
[0005] 目前用于材料沖擊性能檢測的標準擺錘式?jīng)_擊試驗機，一般由底座、試樣支座、擺 錘、能量分度盤和指針以及取擺機構、安全銷等組成，采用帶V形缺口的標準試樣，尺寸為 10X10X55mm。所測量的參數(shù)主要是材料的沖擊功。由于點焊接頭試樣的結構特殊性以及 對沖擊力、位移和極限載荷沖擊吸收功等參數(shù)測量的特殊要求，使得標準擺錘式?jīng)_擊試驗 機無法用于點焊接頭沖擊性能的測試。
[0006] ZL02252726. 5號專利文獻公開了一種拉伸沖擊試驗機，包括試驗機本體、測量裝 置、擺錘和試樣裝夾機構。測量時，將試樣的兩端分別固定在裝夾機構的固定鉗口和活動鉗 口上，由擺錘的單程擺動提供能量，"U"形擺錘頭沖擊活動鉗口，使試樣在較高拉伸變形速 率下破壞，活動鉗口與試樣的一部分一起被拋出，測定擺錘消耗能量及試樣破壞前后的標 距，經(jīng)校正、計算得到試樣的拉伸沖擊強度和永久斷裂伸長率。因這種拉伸沖擊試驗機是針 對測試塑料的拉伸沖擊強度和永久斷裂伸長率而設計的，用其測量金屬薄板點焊接頭，不 能測量沖擊過程中沖擊力和位移等參數(shù)。
[0007] 為了測試點焊接頭的沖擊性能，ZL200410021245. 9號專利文獻公開了一種雙擺 式?jīng)_擊試驗機及試驗方法。該試驗機的沖擊部分由主動擺錘、從動擺錘、樣品基座以及壓 緊裝置等組成，測試試樣為"Z"字形試樣。試驗時，試樣的一端與從動擺錘通過壓緊裝置 牢固連接，另一端與樣品基座通過壓緊裝置連接。主動擺錘從初始位置落下，撞擊從動擺 錘，將試樣點焊接頭沖斷，根據(jù)主動擺錘初始能量和主動擺錘及從動擺錘沖擊后剩余能量 計算沖擊吸收功。文獻"StudyofDynamicPerformanceofAdvancedHighStrength Steel(AHSS)ResistanceSpotWelds"（DissertationbyAmirAliRahimPourShayan, TheUniversityofToledo, 2006)描述了該試驗機測量沖擊力和位移的方法，其中沖擊力 采用四個應變式測力單元測量，該四個測力單元安裝在樣品基座下面支撐點處，沖擊過程 中沖擊力對樣品基座施加傾翻力矩，在四個測力單元處產(chǎn)生支反力，利用上述支反力以及 樣品基座的靜力平衡關系可以計算出點焊接頭所受到的沖擊力。該試驗機采用反射式光纖 位移傳感器測量點焊試樣在沖擊過程中的位移，具體方法是在從動擺錘的錘頭上安裝一個 反光鏡，利用光纖傳感器測量傳感器端部與反光鏡之間的距離來測量試樣的位移。上述試 驗機采用雙擺錘的好處是可以利用從動擺錘來測量試樣被沖斷部分的能量，進而提高沖擊 吸收功測量的準確性。該專利文獻僅給出了這種試驗機對總沖擊吸收功的測量方法，沒有 給出極限載荷吸收功的測量方法。這種試驗機不直接測量沖擊力，而是利用四個測力單元 測量的支反力通過換算得到?jīng)_擊力，由于測力回路結構復雜，中間轉換環(huán)節(jié)多，影響沖擊力 測量結果的準確度。另外，采用雙擺錘方案，試驗機結構復雜，且存在試樣尺寸誤差和安裝 誤差，容易導致主動擺錘和從動擺錘的撞擊接觸部位發(fā)生在從動擺錘的上部或下部，影響 沖擊能量的傳遞，也影響測量的準確性。再有，制作"Z"字形試樣需要專用成形設備。

【發(fā)明內容】

[0008] 針對上述現(xiàn)有技術存在的問題和缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種測量結果準確可 靠、且可獲得用于評價和研宄金屬薄板點焊接頭沖擊性能所需全部參數(shù)和曲線的金屬薄板 點焊接頭沖擊性能測試裝置及使用這種裝置對金屬薄板點焊接頭沖擊性能進行測試的方 法。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的金屬薄板點焊接頭沖擊性能測試裝置，包括沖擊 試驗機、沖擊夾具、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述沖擊試驗機由底座、立 柱、擺軸、擺錘、擺角刻度盤、取擺機構和安全銷組成；所述立柱固定安裝在底座上，所述擺 角刻度盤和取擺機構安裝在立柱的上端，安全銷安裝在立柱的中部；其中取擺機構由伺服 電機和離合器組成；所述擺錘由擺桿和安裝在擺桿下端的擺錘頭組成，擺桿的上端通過轉 動套安裝在立柱上端的擺軸上，所述擺錘頭為"U"形，其兩側板上各有一個配重塊；所述擺 錘頭的兩側板分別有喇叭形開口，開口的底面上各有一個前端為球冠面的沖擊帽，球冠面 的中心點為擺錘的撞擊中心；
[0010] 所述沖擊夾具包括夾具底板、活動鉗口、活動鉗口支座、固定鉗口和固定鉗口支 座；其中夾具底板固定安裝在所述沖擊試驗機的底座上；所述活動鉗口支座和固定鉗口支 座固定安裝在夾具底板上；活動鉗口支座的頂部為平面，固定鉗口支座的頂部有凸臺；所 述活動鉗口和固定鉗口的上部分別有固定安裝點焊試樣用的壓板和壓緊螺栓；活動鉗口坐 落在所述活動鉗口支座頂部的平面上，可沿該平面滑動，活動鉗口的橫向長度大于所述兩 沖擊帽的間距，活動鉗口的兩個側面為斜面，與斜面相對應設有激光位移傳感器，激光位移 傳感器發(fā)出的激光束垂直于所述擺錘的運動方向射向該斜面；固定鉗口的寬度小于所述擺 錘頭雙臂之間的寬度，固定鉗口上開設有矩形孔，所述固定鉗口支座頂部的凸臺與測力傳 感器相互貼靠置于該矩形孔中，并由預緊螺栓將固定鉗口、測力傳感器和固定鉗口支座頂 部的凸臺緊固在一起；
[0011] 所述控制系統(tǒng)控制沖擊試驗機的取擺機構和安全銷，對取擺、放擺、釋放安全銷、 釋放擺錘和二次取擺進行控制，同時還控制所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采 集和數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所述沖擊試驗機的測力傳感器和激光位移傳感器相連接。
[0012] 使用上述金屬薄板點焊接頭沖擊性能測試裝置測試金屬薄板點焊接頭沖擊性能 的方法，按以下步驟進行：
[0013] 1)取擺機構將所述擺錘舉升到擺錘鎖定位置，利用安全銷鎖住擺錘；
[0014] 2)將金屬薄板點焊試樣安裝在沖擊夾具上；
[0015] 3)釋放安全銷，取擺機構將擺錘舉升到設定的初始仰角位置；
[0016] 4)釋放擺錘，當擺錘擺到豎直位置時與沖擊夾具的活動鉗口發(fā)生碰撞，對焊點接 頭施加拉伸沖擊載荷，使焊點破壞，焊點破壞斷裂后，活動鉗口、與活動鉗口相連接的點焊 試樣的后部、壓板和壓緊螺栓被拋出；
[0017] 在沖擊過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過測力傳感器采集試樣點焊接頭受到的沖擊力； 通過激光位移傳感器采集試樣自由端的位移；通過擺角刻度盤采集擺錘的角度（包括擺錘 初始仰角和