一种同时测量焊接接头各微区变形量的蠕变疲劳引伸计

摘要

本发明属于引伸计技术领域，公开了一种同时测量焊接接头各微区变形量的蠕变疲劳引伸计，包括操作台、升降装置、对准装置和引伸计本体；操作台用于对试样进行夹持固定，调整蠕变疲劳试验机试验装置的整体位置；升降装置固定在操作台上的滑动杆外侧，对准装置固定在升降装置侧面，引伸计本体用于测量试样的不同微区所产生的形变。本发明可用于测量焊接接头试样多段微区的变形量，制作成本较低，制作简单，可以有效地在试验过程中节约时间和经费；可用于提高引伸计的精度，减小误差；只需简单地调整操作台上各装置的位置，从而使引伸计测量焊接接头试样各微区的变形，操作步骤比较简单，便于人工操作。

说明书

技术领域

本发明属于高温试验设备研发领域，尤其涉及一种可同时测量焊接接头各微区变形量的蠕变疲劳引伸计。

背景技术

工程材料及其焊接接头在高温服役下会持续受到蠕变疲劳损伤而发生过早失效，威胁设备的结构完整性。为探究各工程材料及焊接接头的蠕变疲劳损伤机理，建立精确的寿命预测模型，国内外科研院已开展大量高温蠕变疲劳试验。对于力学性能均一的工程合金来说，传统高温引伸计可原位测量合金圆棒试样直径段标距内的变形量，结合蠕变疲劳试验机所施加的宏观载荷，研究人员可精确获得工程材料在高温蠕变疲劳交互损伤下的应力应变关系，从而建立高精度的蠕变疲劳寿命预测模型。但对于焊接接头来说，其可分为力学性能不同的母材区、焊缝区与热影响区等微区。并且热影响区宽度在1-3mm，无法从中取标准尺寸蠕变疲劳试样开展试验。因此，一般研究采用含有完整焊接接头的圆棒试样开展试验。然而，焊接接头各微区的力学性能不同，在宏观加载下，各微区的变形量不同，传统高温引伸计只可测量两根石英棒之间标距内的变形，无法同时原位测得宏观加载状态下焊接接头试样母材区、焊缝区与热影响区的微区变形量，导致各微区的应力应变关系无法获知，使得宏观所测试样标距段内的应力应变关系无法真实反映各微区的损伤情况。目前，蠕变疲劳试验中缺乏一种可在宏观加载下同时测量各个微区变形量的引伸计，致使微区蠕变疲劳损伤无法表征导致工程上目前还未有可精确预测焊接接头蠕变疲劳寿命的理论模型。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

在蠕变疲劳试验机宏观加载状态下，传统的高温蠕变疲劳试验引伸计无法原位测量焊接接头试样中母材区、热影响区与焊缝区等各微区的变形量，致使微区损伤分布无法获知，对焊接接头的蠕变疲劳寿命预测研究产生阻碍。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可同时测量试样多段微区变形量的高温引伸计及其控制方法。

本发明是这样实现的，一种可测量试样多段微区变形量的高温引伸计包括：

操作台、升降装置、对准装置和引伸计本体；

所述操作台用于对试样进行夹持固定，调整蠕变疲劳试验机试验装置的整体位置；

所述升降装置固定在操作台上的滑动杆外侧，用于对整体装置进行精准定位；

所述对准装置固定在升降装置侧面，用于对引伸计本体位置进行调整，将引伸计本体精准地对准试样直径段；

所述引伸计本体用于测量试样的不同微区所产生的形变。

进一步，所述操作台上设置有试样夹具、滑动杆和操作按钮，所述试样夹具设置在操作台中间，所述滑动杆共设置有分别位于试样夹具两侧的两个，所述操作按钮嵌装在操作台正面。

进一步，所述升降装置包括电机驱动装置、固定螺栓和固定块；

所述电机驱动装置包括电机、驱动轨道和调节按钮；电机驱动装置置于操作台下部。通过操作调节按钮，使电机上面两根支撑柱升高或者下降，从而带动整个升降装置升高和下降。

所述电机驱动装置用于通过调节按钮使升降装置上下移动，所述防滑垫圈垫设置在电机驱动装置下面防止滑动，所述固定螺栓用于固定住电机驱动装置。

进一步，所述对准装置包括四个固定螺丝、滑动槽、调节齿轮、转动轴、滑动轨道以及固定孔；

对准装置通过四个固定螺丝固定在升降装置上，固定螺丝用于调节或者固定升降装置与对准装置的位置；

所述调节齿轮配合转动轴用于使上部分对准装置在滑动槽内左右移动，再配合固定螺栓固定；滑动槽用于对引伸计本体左右移动提供空间。

所述滑动轨道用于供引伸计本体移动，调整引伸计本体位置，利用固定孔配合固定螺栓固定位置。

进一步，所述引伸计本体包括引伸计控制仪、旋钮、固定螺丝、滑轨槽、四个引伸杆以及移动轨道；

所述旋钮内部和引伸杆相连，用于调节引伸杆在移动轨道移动，对引伸杆的位置进行粗调；

所述引伸计控制仪用于通过外置的旋钮和内置的齿轮移动槽结构对引伸杆的位置进行细调。

进一步，所述引伸计本体的前面有两个旋钮，两个旋钮通过调节引伸杆在移动轨道内滑动，对焊接接头试样多段微区的变形量进行测量。

本发明的另一目的在于提供一种可测量试样多段微区变形量的高温引伸计的控制方法，所述可测量试样多段微区变形量的高温引伸计的控制方法包括：

步骤一，利用升降装置对整体装置进行精准定位，使整体装置固定到合适位置；

步骤二，利用对准装置的粗调和微调使引伸计精准地对准试样；

步骤三，利用引伸计控制仪对引伸计进行微调，使引伸计的四个引伸杆分别抵住焊接接头试样的各个微区分界线，根据各引伸杆之间的距离变化，使引伸计能够测量焊接接头试样多段微区变形量。

进一步，所述步骤一利用升降装置对整体装置进行精准定位，使整体装置固定到便于测量的合适位置，具体包括：接通电源，打开蠕变疲劳试验机。通过操作台上面的按钮来控制操作台内部电机驱动装置，内置的电机驱动装置通过内部的支撑杆上升下降从而带动整个固定轨道上升后或者下降。当上升或者下降到合适的位置时，按下中间的停止按钮，即可把升降装置固定到合适位置。同时，可以拧松上下两个固定螺丝，对固定在滑动轨道上的升降装置进行微调，从而更好地固定到合适的测量位置。

进一步，所述步骤二利用对准装置的粗调和微调功能使引伸计精准地对准试样，具体包括：当升降装置固定到合适位置时，拧紧升降装置和对准装置之间的四颗固定螺丝，彻底固定好对准装置。开始调节对准装置下部的调节齿轮，通过调节齿轮和滑动槽之间的配合，使对准装置左右移动，当对准装置的中心线移动到和试样中心线处于同一条直线的位置时，锁死调节齿轮。引伸计装在对准装置上部的移动槽内，使整个引伸计可以在移动槽内进行前后移动。

进一步，所述步骤三利用引伸计控制仪对引伸计进行微调，使引伸计的四个引伸杆分别抵住焊接接头试样的各个微区分界线，根据各引伸杆之间的距离变化，，使引伸计能够测量焊接接头试样多段微区变形量，具体包括：引伸计在移动槽内进行前后移动，使引伸计往前移动，同时调整引伸计旁边的旋钮，使引伸杆在引伸计的滑动槽内移动从而对准焊接接头试样的各个微区。引伸杆对准焊接接头试样的各个微区后，使引伸计整体往前移动，直至引伸杆紧紧地抵住焊接接头试样的各个微区，最后利用对准装置移动槽旁边的固定孔锁死引伸计。

结合上述技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明可用于精确地定位调整引伸计石英棒顶在试样上的位置，可用于测量焊接接头试样多段力学性能不同的微区在宏观变形或应力控制试验中的局部变形量；本发明制作成本较低，制作简单。为防止在试验过程中由于引伸计的石英棒滑动而导致蠕变疲劳试验的失败，试验人员只需简单地调整操作台上各装置的位置，将石英棒抵住试样各微区的分界线，通过几根石英棒间距在宏观加载状态下的变化，从同时测量焊接接头试样在试验过程中各微区的变形量，研究人员可根据所测各微区的力和变形量，获得微区应力应变的联系，进而表征焊接接头各微区的蠕变疲劳损伤程度，为后续建立焊接接头的蠕变疲劳寿命预测模型打下基础。且本发明操作步骤简单，易于操作。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明公开一种适用于蠕变疲劳机的可测量试样多段微区变形量移的高温引伸计结构，旨在获得焊接接头试样在试验机应力或应变控制模式下各微区的变形量，通过建立微区局部应变与试样宏观应变的联系，表征各微区的局部蠕变疲劳损伤程度，对工程材料与结构的蠕变疲劳寿命预测与安全评估具有重要意义。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：核电火电中关键设备长期服役于高温高压下，持续受到蠕变疲劳交互损伤。焊接接头是这些设备的强度薄弱部位，若持续受到蠕变疲劳损伤，会导致其在设备服役过程中过早开裂。焊接接头的过早失效会对高温高压设备的结构完整性产生严重威胁，若不能准确评估焊接接头的损伤程度，预测其剩余寿命，易因其过早失效而发生重大事故，产生巨大的人员伤亡与经济损失。目前，蠕变疲劳寿命模型主要基于蠕变疲劳试验中试样的应力应变关系。而焊接接头试样中有力学性能不同的多个微区，如焊缝区、热影响区与母材区，目前现有的引伸计结构无法同时测得各微区的变形量，使得焊接接头各微区应力应变关系无法获知，对其寿命预测模型的研究产生阻碍。本专利的技术方案转化后，可同时测量焊接接头试样在蠕变疲劳试验机宏观应力或应变控制模式下各微区的变形量，获得各微区的应力应变分布，表征各微区的蠕变疲劳损伤，有望建立可精确预测焊接接头蠕变疲劳寿命的理论模型，进而精确预测高温服役材料和焊接接头的服役寿命，可防止因焊接接头过早失效而导致的压力容器爆裂，核泄漏等事故，避免上百万乃至上千万的经济损失和大量人员的伤亡。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：由于传统蠕变疲劳引伸计只有两根石英棒，只能测量试样整体标距段内的总体变形量。而焊接接头试样存在力学性能不同的母材区、焊缝区与热影响区，各微区在宏观加载下的微区变形量不同。因此宏观所测试样整体标距段内的应力应变关系无法真实反映焊接接头各微区的损伤情况，而且目前国内外行业内并无成熟的技术和解决方案，这对于焊接接头的蠕变疲劳交互损伤以及寿命预测研究研究造成局限性。本发明通过增加引伸计石英棒的数量，增加便于调整石英棒位置的机动装置，可精确调整引伸计石英棒与试样各微区分界线的接触位置。，本发明旨在同时测量焊接接头试样在蠕变疲劳试验机宏观应力或应变控制模式下各微区的变形量，从而获得各微区的应力应变关系，为建立可精确预测焊接接头蠕变疲劳寿命模型做好数据积累与理论基础工作。

(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：核电火电等设备中焊接接头的热影响区在焊接过程中存在巨大温度梯度，导致焊后该区域微观组织形貌不均匀，从而促使其内部微区力学性能存在差异，一般可分为焊缝区、热影响区和母材区。焊接接头各微区力学特性差异所导致的微区蠕变疲劳损伤容许度不同，导致其断裂位置在母材区、热影响区的临界区与细晶区之间偏移。但在蠕变疲劳试验中，传统高温引伸计无法同时测量试样各微区的变形量，致使各微区的应力应变关系无法获得，进而导致焊接接头蠕变疲劳寿命难以预测。高温服役设备中焊接接头的过早开裂严重威胁着核电火电设备的结构完整性，一直是制约核电火电关键设备精确设计与制造的关键问题。本发明的技术方案通过对传统蠕变疲劳引伸计的结构进行改进，可同时测量焊接接头试样在试验机宏观应力或应变控制模式下各微区的变形量，从而获得各微区的应力应变关系，为建立可精确预测焊接接头的蠕变疲劳寿命的理论模型奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可测量试样多段微区变形量的高温引伸计的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的操作台的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的升降装置的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的对准装置的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的引伸计本体的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的引伸计本体的内部结构示意图。

图7是本发明实施例提供的操作台的内部结构示意图

图中：1、操作台；2、升降装置；3、对准装置；4、引伸计本体；11、试样夹具；12、滑动杆；13、操作按钮；211、第一固定螺栓；212、第二固定螺栓；22、滑动轨道；23、固定块；31、固定螺丝；32、滑动槽；33、调节齿轮；34、转动轴；35、滑动轨道；36、固定孔；41、引伸计控制仪；42、控制按钮；43、旋钮；44、固定螺丝；45、滑轨槽；471、引伸杆；472、引伸杆；481、引伸杆；482、引伸杆；49、移动轨道；51、引伸杆；52、引伸杆夹具；53、固定螺丝；54、弹簧；55、固定挡板；56、调节齿轮；57、移动槽；58、传感器；59、转动轴；61、电机；62、支撑杆；63、滑动轨道；64、固定螺丝；65、固定块；66、对准装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的可测量试样多段微区变形量的高温引伸计包括：操作台1，固定在操作台上的升降装置2，固定在升降装置上的对准装置3和可测量各微区处位移的引伸计装置4。所述的操作台上的试样夹具11通过机器内置的驱动装置，在操作按钮13上调节其上下移动。操作按钮13同时作为开启关闭加热炉和引伸计的开关。试样通过试样夹具11夹紧在操作台上。

本发明实施例中的升降装置2包括第一固定螺栓211、第二固定螺栓212，滑动轨道22，固定块23。电动驱动装置通过内置在操作台下部的电机，调节上面的操作按钮可以操控驱动装置上下移动，从而能够更好的调节引伸计3的位置。当调整到合适位置时，可以拧紧两个第一固定螺栓211、第二固定螺栓212来进一步固定住整个升降装置2。

本发明实施例中的对准装置3包括四个固定螺丝31，滑动槽32，调节齿轮33，转动轴34，滑动轨道35以及固定孔36组成。对准装置3通过四个固定螺丝31固定在升降装置2上。滑动槽32用来给引伸计4左右移动提供空间。通过用手旋转调节齿轮33，从而带动转动轴34的左右移动，从而带动引伸计3的左右移动，起到粗调的作用。

进一步的，滑动轨道35用来和引伸计4的滑动轨道45配合，可以用来调节引伸计的4前后移动。当移动到合适的位置时，可以通过固定孔36和两个固定螺栓卡住引伸计4的位置。

本发明实施例中的引伸计本体4包括引伸计控制仪41、控制按钮42，旋钮43，固定螺丝44，滑轨槽45，第一引伸杆471、第二引伸杆472、第三引伸杆481、第四引伸杆482，移动轨道49。引伸计控制仪41、控制旋钮43通过旋转可以微调第一引伸杆471、第二引伸杆472、第三引伸杆481、第四引伸杆482的上下移动。第一引伸杆471、第二引伸杆472、第三引伸杆481、第四引伸杆482卡在滑轨槽45里可以进行调节，通过调节第一引伸杆471、第二引伸杆472、第三引伸杆481、第四引伸杆482的距离就可以改变引伸计的标距。内部结构包括引伸杆51、引伸杆夹具52、固定螺丝53、弹簧54、固定挡板55、调节齿轮56、移动槽57、传感器58、转动轴59。

进一步的，也可以通过安装额外的引伸杆，并且通过调节引伸杆的固定位置，就可以实现同时测得宏观加载状态下焊接接头试样母材区、焊缝区与热影响区的变形量。

进一步的，引伸计控制仪41、控制按钮42可以对引伸杆的位置进行微调，当出现较大位置偏差的时候，可以旋动旋钮43对引伸计进行大致的粗调，当调整到合适位置时便可以对引伸计控制仪41、控制按钮42进行细调，这样可以使引伸计的安装更加简单，同时也降低引伸计安装的难度。

进一步的，滑轨槽45用来和升降装置3中的滑动轨道35配合，从而控制引伸计的前后移动，可以使引伸计紧紧地抵在焊接接头试样上，防止在试验过程中因为焊接接头的出现而导致引伸计的松动。

进一步的，图6是引伸计内部结构示意图。四根引伸杆51装在引伸计夹具52中，四个引伸计夹具52装在移动槽57内，引伸杆可以顺着引伸计外部移动轨道49移动。如需调整位置，只需将引伸杆51向内用力挤压，使转动槽59卡住调节齿轮56。然后旋动引伸计外部与调节齿轮56相连的旋钮43便可调整引伸计的位置。

进一步的，图7是本发明实施例提供的操作台的内部结构示意图，通过操作台上面的按钮来控制操作台内部电机驱动装置，内置的电机驱动装置61通过内部的支撑杆62上升下降从而带动整个固定轨道上升后或者下降。当上升或者下降到合适的位置时，按下中间的停止按钮，即可把升降装置固定到合适位置。同时，可以拧松上下两个固定螺丝64，对固定在滑动轨道上的升降装置进行微调，从而更好地固定到合适位置。

本发明实施例提供的可测量试样多段微区变形量的高温引伸计的工作原理：

第一步，利用升降装置对整体装置进行精准定位,使整体装置固定到合适位置；

第二步，利用对准装置的粗调和微调使引伸计精准地对准试样；

第三步，利用引伸计控制仪对引伸计进行微调，使引伸计紧紧地抵住焊接接头试样的各个微区，最终使引伸计能够测量焊接接头试样多段微区变形量。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明提供了一种可测量试样多段微区变形量的高温引伸计及其控制方法，可成功测量宏观加载状态下焊接接头试样母材区、焊缝区与热影响区的变形量。该发明已经成功应用于实验室，根据试验结果可证明该发明可成功测量宏观加载状态下焊接接头试样母材区、焊缝区与热影响区的变形量。通过实验室的应用结果表明，该发明可成功应用于焊接接头试样的各类力学试验中。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

传统高温引伸计可原位测量合金圆棒试样直径段标距内的变形量，结合蠕变疲劳试验机所施加的宏观载荷，研究人员可精确获得工程材料在高温蠕变疲劳交互损伤下的应力应变关系，从而建立高精度的蠕变疲劳寿命预测模型。但对于焊接接头来说，其可分为力学性能不同的母材区、焊缝区与热影响区，使得宏观加载下，各微区的变形量不同。并且热影响区宽度在1-3mm，无法从中取标准尺寸蠕变疲劳试样开展试验。因此，一般研究采用含有完整焊接接头的圆棒试样开展试验。然而，传统高温引伸计无法同时原位测得宏观加载状态下焊接接头试样母材区、焊缝区与热影响区的变形量，导致各微区的应力应变关系无法测量。针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可测量试样多段微区变形量的高温引伸计及其控制方法。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。