光標定位技術在拉伸試驗中的應用

張春花

（河鋼唐鋼不銹鋼公司，河北唐山063000）

0 引言

拉伸試驗是鋼產品的一項常規物理性能檢驗，試驗用拉力拉伸試樣，一般拉至斷裂，測定一項或幾項力學性能[1]。使用的儀器設備主要為全自動拉伸試驗機和半自動拉伸試驗機。在拉伸試驗過程中，應最大程度地確保夾持的試樣受軸向拉力的作用，這將直接影響數據結果的準確性。全自動拉伸試驗機采用試驗機配備的機械手自動夾持試樣；半自動拉伸試驗機采用人工手動裝卸試樣。人工手動裝卸試樣，在夾持試樣時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，試樣斷裂后易產生錯位，影響試驗結果的準確性。目前，很多企業在試驗時配置的拉伸試驗機均為半自動拉伸試驗機，若全部更換為全自動試驗機，成本較高。為了提高試驗準確性，對現有的半自動試驗機進行改造，改進現有的測試技術和創新的測試技術，通過實驗室的小試樣，更加準確地反映金屬材料各種構件在使用過程中的實際性能[2]。

1 現狀原因分析

1.1 現有設備調查

試驗室現在使用的拉伸試驗機為長春機械科學研究院生產的電子萬能試驗機，型號為DNS100，為該廠最新型的產品。

圖1 DNS100型電子萬能試驗機

DNS系列電子萬能試驗機是用于材料力學性能測試的新型機電一體化試驗設備。本系列產品由計算機系統和板卡式數字測量控制系統組成，能夠自動、精確地測量和控制試驗力、位移和變形等試驗參數，是一種多功能、高精度的靜態試驗機。該設備可以進行試驗力、變形等速率控制以及恒試驗力、恒變形等試驗。根據非連續屈服試樣的拉伸應力-應變曲線特征,為簡單起見，可將其大致分為4個階段,即彈性階段、屈服階段、均勻塑性變形階段和頸縮階段[3]。各種試驗數據由計算機進行處理和屏幕顯示。

試驗機配備的硬件和軟件性能高端，唯一不足之處在于沒有自動裝卸試樣功能。

1.2 分析試驗狀態

（1）將制備好的拉伸試驗片在拉伸試驗機上做拉伸試驗，利用應力-應變拉伸曲線，得出抗拉強度、屈服強度、伸長率等數據。拉伸試驗斷裂的試樣對接后，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完全分開的狀態[4]。分析試樣斷裂的影響，將最近8個月的試驗數據進行統計，分析正常斷裂試樣比例，結果見表1。

表1 使用前錯位與正常數據數量比對 /個

通過表1數據可以看出，正常斷裂試樣比例占88．87%左右，未達到制定的90%的目標值。

（3）對數據準確度的影響，將與其他通過實驗室認可CNAS的單位對標的試驗結果進行統計，分析結果見表2。

圖2 拉伸斷裂試樣

1.3 人工操作分析

在高應變速率下，位錯積累增殖產生的應變強化，以及位錯加速阻力引起的應變率強化，導致材料強度上升。因此，在試驗過程中，嚴格按照國標中規定的應變速率模式進行控制。有資料顯示，夾具的影響在作物理性能試驗中發生的機率最高，約占80%以上。夾持方法對試驗脆性材料或規定塑性延伸強度、規定總延伸強度、規定殘余延伸強度或屈服強度的測定尤為重要[5]。人工手動夾持試樣時，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，易產生圖4（b）、（c）類異常斷裂[6]。

表2 使用前與其他單位對比結果

圖3 手動夾持試樣

圖4 幾種斷裂類型

2 光標定位技術應用

通過試驗與探索，將光標定位技術應用到拉伸試驗中。

2.1 光標定位裝置的使用

在拉伸試驗機框架安裝光標定位裝置，使人工夾持試樣不再只局限于人眼觀察，而是依靠垂直光標定位裝置的十字線激光鐳射燈的光標線定位。試樣放到夾具中，光標定位裝置自動發出光標照射試樣的上下和中間位置，進行垂直對中定位，確認定位正確后，再夾持試樣。如圖5所示，試樣夾持垂直度高。

圖5 使用光標定位夾持試樣

2.2 光標定位裝置的原理

光標定位裝置由十字線激光鐳射燈、燈座、調整底座、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機框架上，兩枚支架固定螺絲的打孔位置距離試驗機上夾具頂部500mm，每臺試驗機夾頭大小形狀不同，打孔安裝位置也不同，基本原則是使十字光標線的垂直光標線和水平光標線的交叉點在最長試樣的中間位置，且要求兩個螺絲孔的高度一樣，才能保證固定支架平面水平。

調整底座由水平桿和調節桿組成，水平桿由底座固定螺絲固定連接在固定支架的上平面上，調節桿的下端通過角度調整螺栓與水平桿為可轉動的轉軸連接，轉軸由角度調節螺栓固定，用于調節調節桿的角度，調整桿的上端與燈座固定連接。轉動調節桿可以調整燈座的角度，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，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機的試樣表面相對。十字線激光鐳射燈發射的垂直光標線長度為400 mm，可以滿足不同試樣長度試樣的要求，現用試樣平行部最長為300 mm。水平光標線的長度為200 mm，可滿足不同寬度試樣的要求，現用試樣最寬為40 mm。

使用時，打開夾具液壓開關，垂直對中裝置電源線與油泵開關連接，隨同油泵啟動自動開啟，十字線激光鐳射燈發射紅色十字定位光標照射到到試樣安裝部位，將試樣放置在夾塊內，根據垂直光標線的位置為參照來調整試樣垂直度，調整好后，按下試樣夾緊按鈕，試驗機夾緊試樣，利用計算機操作開始進行拉伸試驗。試驗結束后，松開夾緊按鈕，取下試樣，關閉夾具液壓開關，垂直對中裝置隨同油泵關閉自動關閉。

3 改進效果

3.1 斷裂后試樣垂直度增加

圖6 使用前與使用后對比

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

（2）對使用光標定位后3個月的試驗數據進行匯總，分析結果見表3。

表3 使用后錯位與正常數據數量比對/個

經過試驗統計，表3的結果顯示拉伸試樣斷裂后垂直度比例平均96．33%，超出目標值90%，遠高于之前88．87%的比例，節省了重復試驗的時間，提高了試驗效率。

3.2 數據準確度提升

用光標定位后3個月，將與其他通過實驗室認可CNAS的單位對標的試驗結果進行統計，分析結果見表4。

表4 使用后與其他單位對比結果

經過試驗統計，圖6顯示使用光標定位后，與其他單位對比偏差縮小，數據準確度提升。

4 結論

光標定位技術應用在拉伸試驗手動垂直夾持試樣，彌補了半自動拉伸試驗機夾樣的自身不足，能夠快速準確地定位試樣垂直度，試樣夾持效果好；使用時，打開夾具液壓開關，光標定位裝置電源線與油泵開關連接，隨同油泵啟動自動開啟，試驗結束后，關閉夾具液壓開關，光標定位裝置隨同油泵關閉自動關閉，不增加額外操作步驟；可實現寬度全段控制，自動啟動，具有不受試樣長短不一的影響、不受夾持頭部晃動的影響、占用空間小、裝卸方便等優點；可彌補手動夾持試樣目測的垂直誤差，達到全自動拉伸試驗機的效果，適用于手動夾持試樣拉伸試驗機的安裝推廣使用。