光標(biāo)定位技術(shù)在拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)用

張春花

（河鋼唐鋼不銹鋼公司，河北唐山063000）

0 引言

拉伸試驗(yàn)是鋼產(chǎn)品的一項(xiàng)常規(guī)物理性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)用拉力拉伸試樣，一般拉至斷裂，測定一項(xiàng)或幾項(xiàng)力學(xué)性能[1]。使用的儀器設(shè)備主要為全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)和半自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)。在拉伸試驗(yàn)過程中，應(yīng)最大程度地確保夾持的試樣受軸向拉力的作用，這將直接影響數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)采用試驗(yàn)機(jī)配備的機(jī)械手自動(dòng)夾持試樣；半自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)采用人工手動(dòng)裝卸試樣。人工手動(dòng)裝卸試樣，在夾持試樣時(shí)需要操作人員通過目測粗略觀察試樣夾持是否垂直和對中，垂直度誤差較大，試樣斷裂后易產(chǎn)生錯(cuò)位，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，很多企業(yè)在試驗(yàn)時(shí)配置的拉伸試驗(yàn)機(jī)均為半自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)，若全部更換為全自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，成本較高。為了提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，對現(xiàn)有的半自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，改進(jìn)現(xiàn)有的測試技術(shù)和創(chuàng)新的測試技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)室的小試樣，更加準(zhǔn)確地反映金屬材料各種構(gòu)件在使用過程中的實(shí)際性能[2]。

1 現(xiàn)狀原因分析

1.1 現(xiàn)有設(shè)備調(diào)查

試驗(yàn)室現(xiàn)在使用的拉伸試驗(yàn)機(jī)為長春機(jī)械科學(xué)研究院生產(chǎn)的電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為DNS100，為該廠最新型的產(chǎn)品。

圖1 DNS100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)

DNS系列電子萬能試驗(yàn)機(jī)是用于材料力學(xué)性能測試的新型機(jī)電一體化試驗(yàn)設(shè)備。本系列產(chǎn)品由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和板卡式數(shù)字測量控制系統(tǒng)組成，能夠自動(dòng)、精確地測量和控制試驗(yàn)力、位移和變形等試驗(yàn)參數(shù)，是一種多功能、高精度的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備可以進(jìn)行試驗(yàn)力、變形等速率控制以及恒試驗(yàn)力、恒變形等試驗(yàn)。根據(jù)非連續(xù)屈服試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,為簡單起見，可將其大致分為4個(gè)階段,即彈性階段、屈服階段、均勻塑性變形階段和頸縮階段[3]。各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和屏幕顯示。

試驗(yàn)機(jī)配備的硬件和軟件性能高端，唯一不足之處在于沒有自動(dòng)裝卸試樣功能。

1.2 分析試驗(yàn)狀態(tài)

（1）將制備好的拉伸試驗(yàn)片在拉伸試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，利用應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線，得出抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率等數(shù)據(jù)。拉伸試驗(yàn)斷裂的試樣對接后，兩斷裂部分有的試樣不在一條直線上，拉伸試樣各部位的塑性變形在斷口處最大，向兩邊逐漸減少，如圖2所示。

（2）金屬的斷裂是指金屬材料在變形超過其塑形極限而呈現(xiàn)完全分開的狀態(tài)[4]。分析試樣斷裂的影響，將最近8個(gè)月的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析正常斷裂試樣比例，結(jié)果見表1。

表1 使用前錯(cuò)位與正常數(shù)據(jù)數(shù)量比對 /個(gè)

通過表1數(shù)據(jù)可以看出，正常斷裂試樣比例占88．87%左右，未達(dá)到制定的90%的目標(biāo)值。

（3）對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的影響，將與其他通過實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可CNAS的單位對標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果見表2。

圖2 拉伸斷裂試樣

1.3 人工操作分析

在高應(yīng)變速率下，位錯(cuò)積累增殖產(chǎn)生的應(yīng)變強(qiáng)化，以及位錯(cuò)加速阻力引起的應(yīng)變率強(qiáng)化，導(dǎo)致材料強(qiáng)度上升。因此，在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照國標(biāo)中規(guī)定的應(yīng)變速率模式進(jìn)行控制。有資料顯示，夾具的影響在作物理性能試驗(yàn)中發(fā)生的機(jī)率最高，約占80%以上。夾持方法對試驗(yàn)脆性材料或規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度、規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度的測定尤為重要[5]。人工手動(dòng)夾持試樣時(shí)，沒有垂直參照物對照，如圖3所示，易造成試樣夾持不正。通過查閱資料，易產(chǎn)生圖4（b）、（c）類異常斷裂[6]。

表2 使用前與其他單位對比結(jié)果

圖3 手動(dòng)夾持試樣

圖4 幾種斷裂類型

2 光標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用

通過試驗(yàn)與探索，將光標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用到拉伸試驗(yàn)中。

2.1 光標(biāo)定位裝置的使用

在拉伸試驗(yàn)機(jī)框架安裝光標(biāo)定位裝置，使人工夾持試樣不再只局限于人眼觀察，而是依靠垂直光標(biāo)定位裝置的十字線激光鐳射燈的光標(biāo)線定位。試樣放到夾具中，光標(biāo)定位裝置自動(dòng)發(fā)出光標(biāo)照射試樣的上下和中間位置，進(jìn)行垂直對中定位，確認(rèn)定位正確后，再夾持試樣。如圖5所示，試樣夾持垂直度高。

圖5 使用光標(biāo)定位夾持試樣

2.2 光標(biāo)定位裝置的原理

光標(biāo)定位裝置由十字線激光鐳射燈、燈座、調(diào)整底座、固定支架組成。固定支架由兩枚支架固定螺絲固定連接在拉伸試驗(yàn)機(jī)框架上，兩枚支架固定螺絲的打孔位置距離試驗(yàn)機(jī)上夾具頂部500mm，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)夾頭大小形狀不同，打孔安裝位置也不同，基本原則是使十字光標(biāo)線的垂直光標(biāo)線和水平光標(biāo)線的交叉點(diǎn)在最長試樣的中間位置，且要求兩個(gè)螺絲孔的高度一樣，才能保證固定支架平面水平。

調(diào)整底座由水平桿和調(diào)節(jié)桿組成，水平桿由底座固定螺絲固定連接在固定支架的上平面上，調(diào)節(jié)桿的下端通過角度調(diào)整螺栓與水平桿為可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)軸由角度調(diào)節(jié)螺栓固定，用于調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿的角度，調(diào)整桿的上端與燈座固定連接。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)桿可以調(diào)整燈座的角度，使燈座中的十字線激光鐳射燈的光線照到試樣的正確位置。

十字線激光鐳射燈套裝在燈座內(nèi)，十字線激光鐳射燈與燈座由鐳射燈緊固螺絲緊固，十字線激光鐳射燈的照射方向與拉伸試驗(yàn)機(jī)的試樣表面相對。十字線激光鐳射燈發(fā)射的垂直光標(biāo)線長度為400 mm，可以滿足不同試樣長度試樣的要求，現(xiàn)用試樣平行部最長為300 mm。水平光標(biāo)線的長度為200 mm，可滿足不同寬度試樣的要求，現(xiàn)用試樣最寬為40 mm。

使用時(shí)，打開夾具液壓開關(guān)，垂直對中裝置電源線與油泵開關(guān)連接，隨同油泵啟動(dòng)自動(dòng)開啟，十字線激光鐳射燈發(fā)射紅色十字定位光標(biāo)照射到到試樣安裝部位，將試樣放置在夾塊內(nèi)，根據(jù)垂直光標(biāo)線的位置為參照來調(diào)整試樣垂直度，調(diào)整好后，按下試樣夾緊按鈕，試驗(yàn)機(jī)夾緊試樣，利用計(jì)算機(jī)操作開始進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，松開夾緊按鈕，取下試樣，關(guān)閉夾具液壓開關(guān)，垂直對中裝置隨同油泵關(guān)閉自動(dòng)關(guān)閉。

3 改進(jìn)效果

3.1 斷裂后試樣垂直度增加

圖6 使用前與使用后對比

（1）安裝使用光標(biāo)定位后，對使用定位后的效果進(jìn)行了集中試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示在進(jìn)行的46個(gè)試樣中，有44個(gè)合格樣品，占95．65%，高于之前88．87%的比例，說明使用效果良好。

（2）對使用光標(biāo)定位后3個(gè)月的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分析結(jié)果見表3。

表3 使用后錯(cuò)位與正常數(shù)據(jù)數(shù)量比對/個(gè)

經(jīng)過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，表3的結(jié)果顯示拉伸試樣斷裂后垂直度比例平均96．33%，超出目標(biāo)值90%，遠(yuǎn)高于之前88．87%的比例，節(jié)省了重復(fù)試驗(yàn)的時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提升

用光標(biāo)定位后3個(gè)月，將與其他通過實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可CNAS的單位對標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果見表4。

表4 使用后與其他單位對比結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，圖6顯示使用光標(biāo)定位后，與其他單位對比偏差縮小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提升。

4 結(jié)論

光標(biāo)定位技術(shù)應(yīng)用在拉伸試驗(yàn)手動(dòng)垂直夾持試樣，彌補(bǔ)了半自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)夾樣的自身不足，能夠快速準(zhǔn)確地定位試樣垂直度，試樣夾持效果好；使用時(shí)，打開夾具液壓開關(guān)，光標(biāo)定位裝置電源線與油泵開關(guān)連接，隨同油泵啟動(dòng)自動(dòng)開啟，試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉夾具液壓開關(guān)，光標(biāo)定位裝置隨同油泵關(guān)閉自動(dòng)關(guān)閉，不增加額外操作步驟；可實(shí)現(xiàn)寬度全段控制，自動(dòng)啟動(dòng)，具有不受試樣長短不一的影響、不受夾持頭部晃動(dòng)的影響、占用空間小、裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)；可彌補(bǔ)手動(dòng)夾持試樣目測的垂直誤差，達(dá)到全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)的效果，適用于手動(dòng)夾持試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)的安裝推廣使用。