一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法
一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接技术，特别是一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法。
【背景技术】
[0002] 金属薄板的点焊连接工艺广泛应用于汽车制造领域，点焊接头的连接强度直接影 响汽车车身的安全和使用寿命，是评价汽车安全性能的重要指标。过去，对点焊接头强度的 测试主要采用静态方法，即针对各种拉伸剪切、十字拉伸或拉伸剥离等点焊试样，施加准静 态拉力，得到点焊接头破坏时的最大承载能力（极限载荷）、对应极限载荷时刻试样的变形 量（位移）以及吸收功、焊点的破坏模式（焊核拔出，界面分离）等参数。然而，汽车发生 交通事故时通常是在高速行驶中，此时车身构件和连接这些构件的点焊接头受到高速冲击 载荷的作用。在冲击载荷条件下，点焊接头的承载能力、变形、吸收功等与静态情况差别很 大，因此，用静态测试的结果来评价点焊接头的连接强度存在很大的局限性，不能反映点焊 接头的动态性能。为此，需要开展点焊接头动态性能测试和评价的研宄。
[0003] 对金属薄板点焊接头的冲击性能进行评价和研宄，需要测出点焊接头在冲击条件 下所能承受的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总吸收功等参数。为此，需要 测量或计算出冲击力随时间变化、位移随时间变化、速度随时间变化、冲击吸收功随时间变 化、冲击力随位移变化等曲线。
[0004] 由于点焊试样在结构上存在不均匀性，即焊点区域材料的微观组织和力学性能与 原金属片不同，点焊接头所受冲击载荷的形式存在多样性，如拉伸剪切、正拉伸、拉伸剥离 以及复合载荷等，测试加载过程中焊点周围材料发生塑性变形，以及要求冲击载荷的速度 和能量变化范围大等原因，导致准确测量和全面评价点焊接头的冲击性能变得十分困难， 测试效率低，成本高。此外，由于各种点焊缺陷的存在，以及在点焊试样的制作和安装过程 中存在的尺寸、位置误差等原因，进一步导致了测试结果的准确性和重复性差，数据分散性 较大等问题。这些不利因素严重阻碍了点焊冲击测试技术的发展和应用。
[0005] 目前用于材料冲击性能检测的标准摆锤式冲击试验机，一般由底座、试样支座、摆 锤、能量分度盘和指针以及取摆机构、安全销等组成，采用带V形缺口的标准试样，尺寸为 10X10X55mm。所测量的参数主要是材料的冲击功。由于点焊接头试样的结构特殊性以及 对冲击力、位移和极限载荷冲击吸收功等参数测量的特殊要求，使得标准摆锤式冲击试验 机无法用于点焊接头冲击性能的测试。
[0006] ZL02252726. 5号专利文献公开了一种拉伸冲击试验机，包括试验机本体、测量装 置、摆锤和试样装夹机构。测量时，将试样的两端分别固定在装夹机构的固定钳口和活动钳 口上，由摆锤的单程摆动提供能量，"U"形摆锤头冲击活动钳口，使试样在较高拉伸变形速 率下破坏，活动钳口与试样的一部分一起被抛出，测定摆锤消耗能量及试样破坏前后的标 距，经校正、计算得到试样的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率。因这种拉伸冲击试验机是针 对测试塑料的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率而设计的，用其测量金属薄板点焊接头，不 能测量冲击过程中冲击力和位移等参数。
[0007] 为了测试点焊接头的冲击性能，ZL200410021245. 9号专利文献公开了一种双摆 式冲击试验机及试验方法。该试验机的冲击部分由主动摆锤、从动摆锤、样品基座以及压 紧装置等组成，测试试样为"Z"字形试样。试验时，试样的一端与从动摆锤通过压紧装置 牢固连接，另一端与样品基座通过压紧装置连接。主动摆锤从初始位置落下，撞击从动摆 锤，将试样点焊接头冲断，根据主动摆锤初始能量和主动摆锤及从动摆锤冲击后剩余能量 计算冲击吸收功。文献"StudyofDynamicPerformanceofAdvancedHighStrength Steel(AHSS)ResistanceSpotWelds"（DissertationbyAmirAliRahimPourShayan, TheUniversityofToledo, 2006)描述了该试验机测量冲击力和位移的方法，其中冲击力 采用四个应变式测力单元测量，该四个测力单元安装在样品基座下面支撑点处，冲击过程 中冲击力对样品基座施加倾翻力矩，在四个测力单元处产生支反力，利用上述支反力以及 样品基座的静力平衡关系可以计算出点焊接头所受到的冲击力。该试验机采用反射式光纤 位移传感器测量点焊试样在冲击过程中的位移，具体方法是在从动摆锤的锤头上安装一个 反光镜，利用光纤传感器测量传感器端部与反光镜之间的距离来测量试样的位移。上述试 验机采用双摆锤的好处是可以利用从动摆锤来测量试样被冲断部分的能量，进而提高冲击 吸收功测量的准确性。该专利文献仅给出了这种试验机对总冲击吸收功的测量方法，没有 给出极限载荷吸收功的测量方法。这种试验机不直接测量冲击力，而是利用四个测力单元 测量的支反力通过换算得到冲击力，由于测力回路结构复杂，中间转换环节多，影响冲击力 测量结果的准确度。另外，采用双摆锤方案，试验机结构复杂，且存在试样尺寸误差和安装 误差，容易导致主动摆锤和从动摆锤的撞击接触部位发生在从动摆锤的上部或下部，影响 冲击能量的传递，也影响测量的准确性。再有，制作"Z"字形试样需要专用成形设备。
【发明内容】
[0008] 针对上述现有技术存在的问题和缺陷，本发明的目的是提供一种测量结果准确可 靠、且可获得用于评价和研宄金属薄板点焊接头冲击性能所需全部参数和曲线的金属薄板 点焊接头冲击性能测试装置及使用这种装置对金属薄板点焊接头冲击性能进行测试的方 法。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供的金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，包括冲击 试验机、冲击夹具、控制系统、数据采集系统和数据处理系统；所述冲击试验机由底座、立 柱、摆轴、摆锤、摆角刻度盘、取摆机构和安全销组成；所述立柱固定安装在底座上，所述摆 角刻度盘和取摆机构安装在立柱的上端，安全销安装在立柱的中部；其中取摆机构由伺服 电机和离合器组成；所述摆锤由摆杆和安装在摆杆下端的摆锤头组成，摆杆的上端通过转 动套安装在立柱上端的摆轴上，所述摆锤头为"U"形，其两侧板上各有一个配重块；所述摆 锤头的两侧板分别有喇叭形开口，开口的底面上各有一个前端为球冠面的冲击帽，球冠面 的中心点为摆锤的撞击中心；
[0010] 所述冲击夹具包括夹具底板、活动钳口、活动钳口支座、固定钳口和固定钳口支 座；其中夹具底板固定安装在所述冲击试验机的底座上；所述活动钳口支座和固定钳口支 座固定安装在夹具底板上；活动钳口支座的顶部为平面，固定钳口支座的顶部有凸台；所 述活动钳口和固定钳口的上部分别有固定安装点焊试样用的压板和压紧螺栓；活动钳口坐 落在所述活动钳口支座顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口的横向长度大于所述两 冲击帽的间距，活动钳口的两个侧面为斜面，与斜面相对应设有激光位移传感器，激光位移 传感器发出的激光束垂直于所述摆锤的运动方向射向该斜面；固定钳口的宽度小于所述摆 锤头双臂之间的宽度，固定钳口上开设有矩形孔，所述固定钳口支座顶部的凸台与测力传 感器相互贴靠置于该矩形孔中，并由预紧螺栓将固定钳口、测力传感器和固定钳口支座顶 部的凸台紧固在一起；
[0011] 所述控制系统控制冲击试验机的取摆机构和安全销，对取摆、放摆、释放安全销、 释放摆锤和二次取摆进行控制，同时还控制所述数据采集系统和数据处理系统进行数据采 集和数据处理；数据采集系统与所述冲击试验机的测力传感器和激光位移传感器相连接。
[0012] 使用上述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试金属薄板点焊接头冲击性能 的方法，按以下步骤进行：
[0013] 1)取摆机构将所述摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆锤；
[0014] 2)将金属薄板点焊试样安装在冲击夹具上；
[0015] 3)释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角位置；
[0016] 4)释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点接 头施加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点焊 试样的后部、压板和压紧螺栓被抛出；
[0017] 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器采集试样点焊接头受到的冲击力； 通过激光位移传感器采集试样自由端的位移；通过摆角刻度盘采集摆锤的角度（包括摆锤 初始仰角和 最大剩余摆角）；由数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性能的极限载 荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速 度-时间曲线，冲击力-位移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的 冲击性能；
[0018] 5)摆锤回摆到一定角度后被取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次 冲击。
[0019] 以上测试金属薄板点焊接头冲击性能的方法，其步骤2)中的金属薄板点焊试样 为由两矩形金属片"一"字形搭接、并在搭接区域中心点点焊制成的拉伸剪切试样；或为由 两片折成"L"形的金属片、其短边被点焊在一起制成的拉伸剥离试样。
[0020] 与现有技术相比较，本发明的优点和有益效果是：
[0021] 1、用本发明装置和方法可以获得用于评价和研宄金属薄板点焊接头冲击性能所 需要的全部有关参数和曲线。
[0022] 2、用摆锤头上冲击帽的球冠面中心点作为摆锤的撞击中心，可以保证冲击接触为 点接触，大大减少因试样尺寸误差或安装误差带了的冲击接触部位的变化，减小测试结果 的分散性，提高冲击力测量的准确性。
[0023] 3、冲击夹具结构简单，试样安装方便，惯性力影响小；冲击力测量回路中间转换和 传递环节少，有利于提高冲击力的测量精度。
[0024] 4、激光位移传感器采用斜面转换方法测量试样冲击位移，结构简单，位移测量结 果准确、可靠。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明装置结构功能框图；
[0026] 图2为本发明装置的结构示意图（不含取摆机构）；
[0027] 图3为图2中摆锤的结构立体示意图；
[0028] 图4为图3中摆锤的尺寸参数示意图；
[0029] 图5为图3中摆锤的摆角参数示意图；
[0030] 图6为图2中冲击夹具的结构立体示意图；
[0031] 图7为图6中固定钳口和固定钳口支座部分的分解图；
[0032] 图8(a)为拉伸剪切试样示意图，图8(b)为拉伸剥离试样示意图；
[0033] 图9为测量点焊试样自由端位移的原理示意图；
[0034] 图10为点焊试样应变测量示意图；
[0035]图11为利用本发明装置测试某金属薄板点焊试样所得到的各种曲线，其中图 11(a)为冲击载荷-时间曲线，图11(b)为速度-时间曲线，图11(c)为位移-时间曲线，图 11(d)为冲击载荷-位移曲线，图11(e)为吸收功-时间曲线；
[0036] 图12为采用测力传感器和应变仪测得的冲击载荷-时间曲线比较图。
[0037] 图中：1-底座，2-立柱，3-摆角刻度盘，4-安全销，5-摆锤，51-转动套，52-摆杆， 53-摆锤头，54-冲击帽，55-配重块，56-侧板，6-冲击夹具，61-固定钳口，62-活动钳口， 63-压板，64-压紧螺栓，65-固定钳口支座，66-活动钳口支座，67-夹具底板，68-预紧螺 栓，601-凸台，602-矩形孔，603-激光束，604-摆锤的运动方向，7-点焊试样，71-金属片， 72-点焊接头，73-安装孔，8-摆轴，9-激光位移传感器，10-测力传感器，11-应变片。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 结合图1和图2,本发明金属薄板点焊接头冲击性能测试装置包括冲击试验机、冲 击夹具6、控制系统、数据采集系统和数据处理系统。其中冲击试验机由底座1、立柱2、摆轴 8、摆锤5、摆角刻度盘3、取摆机构和安全销4组成。所述立柱2固定安装在底座1上，摆角 刻度盘3安装在立柱2的上端，由伺服电机和离合器组成的取摆机构（未图示）安装在立 柱上部，锁定摆锤的安全销4安装在立柱的中部。如图3、图4和图5所示，摆锤5由摆杆 52和安装在摆杆下端的摆锤头53组成，摆杆的上端通过转动套51与安装在立柱2上端的 摆轴8套接（摆锤可以摆轴为中心转动），所述摆锤头53为"U"形，构成"U"形的两侧板 56的下部分别有配重块55,两侧板上分别开有喇叭形开口，开口的底面上有前端为球冠面 的冲击帽54,球冠面的中心点02为摆锤的撞击中心，与摆轴8的距离为lp，摆锤的质心01 位于摆杆中心线的下端，与摆轴8的距离为1。。
[0040] 安装点焊试样的冲击夹具6如图6和图7所示，由夹具底板67、活动钳口 62、活动 钳口支座66、固定钳口 61和固定钳口支座65组成。其中夹具底板67固定安装在冲击试 验机的底座1上；活动钳口支座66和固定钳口支座65固定安装在夹具底板67上；活动钳 口支座66的顶部为平面，固定钳口支座65的顶部有凸台601;所述活动钳口 62和固定钳 口 61的上部分别有固定安装点焊试样7用的压板63和压紧螺栓64;活动钳口 62坐落在 活动钳口支座66顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口 62的横向长度大于所述两冲击 帽54的间距，
[0041]活动钳口的两个侧面为斜面，侧面与摆锤运动方向夹角a为45°，在斜面的侧 部，设有激光位移传感器9,激光位移传感器发出的激光束603垂直于所述摆锤的运动方向 604射向该斜面。固定钳口 61上开设有矩形孔602,所述固定钳口支座顶部的凸台601与 测力传感器10相互贴靠、置于矩形孔中，并由预紧螺栓68将固定钳口 61、测力传感器10和 凸台601紧固在一起。
[0042] 如图1所示，装置的控制系统控制取摆机构和安全销（属常规技术），对冲击试验 机取摆、放摆、释放安全销、释放摆锤及自动二次取摆等功能进行控制，同时还控制数据采 集系统和数据处理系统，其中数据采集系统分别与所述冲击试验机的测力传感器10和激 光位移传感器9相连接，由其采集的数据经数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性 能的各种参数和曲线。
[0043] 利用上述冲击试验机和冲击夹具进行金属薄板点焊接头冲击性能测试的点焊接 头试样可以是拉伸剪切试样，也可以是拉伸剥离试样。拉伸剪切试样如图8(a)所示，由两 矩形金属片71 "一"字形搭接构成，在搭接区域中心点处通过电阻点焊工艺形成点焊接头 72,将两金属片连接制成点焊试样，在试样的两端钻出供其与冲击夹具的活动钳口和固定 钳口固定连接的安装孔73。拉伸剥离试样，如图8(b)所示，由两个折成"L"形的金属片组 成，在"L"形金属片的短边中心点处点焊，形成点焊接头，将两金属片连接在一起。
[0044]本实施例是使用上述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试如图8 (a)所示拉 伸剪切试样点焊接头的冲击性能，其步骤是：
[0045] 首先，通过控制系统，取摆机构将摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆 锤。
[0046] 然后，利用冲击夹具活动钳口和固定钳口上的压板和压紧螺栓将点焊试样安装在 冲击夹具上。
[0047]然后，释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角0i位置，记录初始仰 角Q
[0048] 然后释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点 接头施加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点 焊试样的后部、压板和压紧螺栓被抛出，同时摆锤继续摆到最大剩余摆角0 2，记录最大剩 余摆角9 2。
[0049] 摆锤回摆到一定角度后，由取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次 冲击。
[0050] 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器自动采集点焊接头受到的冲击力F， 通过激光位移传感器自动采集点焊试样自由端的位移x;将摆角刻度盘记录的摆锤的角度 (包括摆锤初始仰角0JP最大剩余摆角0 2)人工输入数据采集系统；由数据处理系统计 算并给出表征点焊接头冲击性能的参数和曲线，包括极限载荷、极限载荷位移、极限载荷吸 收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、速度-时间曲线，位移-时间曲线，冲击力-位移曲线、 冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的冲击性能。
[0051] 结合图9,数据采集系统通过激光位移传感器9按以下方法测量点焊试样自由端 的位移x:
[0052] 设冲击过程中活动钳口及点焊试样自由端沿摆锤运动方向604移动距离为x(活 动钳口运动到图9虚线位置）时，激光位移传感器9与活动钳口 62的斜面之间的激光束 603长度变化为 y，则x、y与a之间满足：
[0053] y = x X tan a (1)
[0054]按本实施例a为45°，则x与y相等。因此，根据激光传感器测量出的y值，即可 得到点焊试样自由端的位移x值。
[0055] 点焊接头破坏总吸收功（总冲击能量）可根据摆角刻度盘测量的摆锤初始仰角 0i和冲击后的最大剩余摆角0 2，以及摆锤的质量m，质心01距离1。，按式⑵计算出：
[0056]W=mglc(cos92_cos9J_WS (2)
[0057] 其中，WsS因摩擦、风阻等损耗的能量。
[0058] 根据测力传感器测量的冲击力F以及摆锤初始仰角计算得到的冲击开始时刻的 角速度按式（3)计算冲击过程中试样自由端的线速度\(该速度也是活动钳口和撞击 中心的速度），
[0060] 其中，L为摆锤相对于摆轴的转动惯量，1p为撞击中心02距摆轴的距离；
[0061] 点焊接头破坏总吸收功（总冲击能量）也可以根据测力传感器测量的冲击力F，按 式⑷计算
[0063] 点焊接头破坏总吸收功还可以根据测力传感器测量的冲击力F和位移传感器测 量的位移x，组合成冲击力-位移曲线，按式（5)计算：
[0065] 上述三种方法计算得到的总吸收功可以互相对比，验证、评估测试结果（冲击力、 自由端位移、冲击吸收功）的准确性和可靠性。
[0066] 图11所示为经数据处理得到的各种曲线。其中图11 (a)为测力传感器测量的冲击 力-时间曲线；图11(b)是利用测力传感器测量的冲击力，根据式（2)计算得到的速度-时 间曲线；图11(c)是利用计算的速度-时间曲线，根据式（6)计算得到的位移-时间曲线； 图11(d)是将冲击力-时间曲线和位移-时间曲线合并形成的冲击力-位移曲线；图11(e) 是对冲击力-位移曲线按式（5)进行积分计算的吸收功-时间曲线。
[0068] 为评估本发明测力传感器测量得到的冲击力的准确性和可靠性，如图10所示，本 实施例采用应变片11测量与固定钳口连接在一起的点焊试样金属片的弹性应变e。弹性 应变e、金属片的截面积S、金属片材料的弹性模量E以及所受到的冲击力F满足式（7)
[0069]F=EXeXS (7)
[0070] 利用所测量的弹性应变即可以计算出点焊接头所受到的冲击力，将该冲击力与测 力传感器测得的冲击力进行对比，由图12所示曲线比较可以看出采用本发明测力传感器 测得的冲击力是准确可靠的。
[0071] 利用本发明的测试装置和方法对8 - 13kA不同电流焊接的点焊试样进行测试，表 1给出了测试结果的对比。其中，总冲击吸收功分别利用实测的冲击力和实测的摆角计算， 同时，利用实测冲击力计算的摆锤最大剩余摆角与实测摆角也进行了对比。根据冲击力计 算摆锤最大剩余摆角的方法如下：利用式（3)计算出点焊接头断裂时刻摆锤撞击中心的线 速度vd，然后按式（8)计算最大剩余摆角。
[0073] 表1 :点焊接头冲击性能测试结果对比
[0075] 由表1可以看出，无论是总冲击吸收功，还是摆锤最大摆角，其随点焊电流的变化 趋势是符合实际规律的，计算结果和实测结果符合较好，误差在10%以内。上述测试结果对 比表明，本发明测试方法是合理的，数据处理方法是正确的，测试装置是可靠的，测试结果 满足点焊接头冲击性能测试要求。
【主权项】
1. 一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，包括冲击试验机、冲击夹具（6)、控制系 统、数据采集系统和数据处理系统；所述冲击试验机由底座（1)、立柱（2)、摆轴（8)、摆锤 (5)、摆角刻度盘（3)、取摆机构和安全销（4)组成；所述立柱（2)固定安装在底座（1)上， 所述摆角刻度盘（3)和取摆机构安装在立柱（2)的上端，安全销（4)安装在立柱的中部；其 中取摆机构由伺服电机和离合器组成；所述摆锤（5)由摆杆（52)和安装在摆杆下端的摆锤 头（53)组成，摆杆的上端通过转动套（51)安装在立柱（2)上端的摆轴（8)上，所述摆锤头 (53)为"U"形，其两侧板（56)上各有一个配重块（55);其特征在于： 所述摆锤头的两侧板分别有喇叭形开口，开口的底面上各有一个前端为球冠面的冲击 帽（54)，球冠面的中心点为摆锤的撞击中心； 所述冲击夹具（6)包括夹具底板(67)、活动钳口（62)、活动钳口支座（66)、固定钳口 (61) 和固定钳口支座（65);其中夹具底板（67)固定安装在所述冲击试验机的底座（1)上； 所述活动钳口支座（66)和固定钳口支座（65)固定安装在夹具底板（67)上；活动钳口支座 (66)的顶部为平面，固定钳口支座（65)的顶部有凸台（601);所述活动钳口（62)和固定 钳口（61)的上部分别有固定安装点焊试样（7)用的压板（63)和压紧螺栓（64);活动钳口 (62) 坐落在所述活动钳口支座（66)顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口（62)的横 向长度大于所述两冲击帽（54)的间距，活动钳口的两个侧面为斜面，与斜面相对应设有激 光位移传感器（9)，激光位移传感器发出的激光束（603)垂直于所述摆锤的运动方向（604) 射向该斜面；固定钳口（61)的宽度小于所述摆锤头双臂之间的宽度，固定钳口（61)上开设 有矩形孔（602)，所述固定钳口支座顶部的凸台（601)与测力传感器（10)相互贴靠置于该 矩形孔（602)中，并由预紧螺栓(68)将固定钳口 (61)、测力传感器（10)和固定钳口支座顶 部的凸台（601)紧固在一起； 所述控制系统控制冲击试验机的取摆机构和安全销，对取摆、放摆、释放安全销、释放 摆锤和二次取摆进行控制，同时还控制所述数据采集系统和数据处理系统进行数据采集和 数据处理；数据采集系统与所述冲击试验机的测力传感器（10)和激光位移传感器（9)相连 接。2. 使用权利要求1所述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试金属薄板点焊接头 冲击性能的方法，其特征在于，按以下步骤进行： 1) 取摆机构将所述摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆锤； 2) 将金属薄板点焊试样安装在冲击夹具上； 3) 释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角位置； 4) 释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点接头施 加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点焊试样 的后部、压板和压紧螺栓被抛出； 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器（10)采集试样点焊接头受到的冲击力； 通过激光位移传感器（9)采集试样自由端的位移；通过摆角刻度盘（3)采集摆锤的角度； 由数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性能的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷 冲击吸收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速度-时间曲线，冲击力-位 移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的冲击性能； 5) 摆锤回摆到一定角度后被取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次冲 击。3.根据权利要求2所述测试金属薄板点焊接头冲击性能的方法，其特征在于，所述步 骤2)中的金属薄板点焊试样为由两矩形金属片"一"字形搭接、并在搭接区域中心点点焊 制成的拉伸剪切试样；或为由两片折成"L"形的金属片、其短边被点焊在一起制成的拉伸 剥离试样。
【专利摘要】一种由冲击试验机、冲击夹具、控制系统、数据采集和处理系统组成的金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，用其测试点焊接头冲击性能时，将试样两端分别固定在冲击夹具的活动钳口和固定钳口上，利用摆锤对点焊接头施加冲击载荷，使点焊接头断裂，数据采集系统采集由设在固定钳口与固定钳口支座间的测力传感器测量的点焊接头所受冲击力、由活动钳口侧面的激光位移传感器测量的试样自由端位移和摆锤角度，数据处理系统给出表征点焊接头冲击性能的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总冲击吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速度-时间曲线，冲击力-位移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价和研究点焊接头的冲击性能。
【IPC分类】G01M7/08
【公开号】CN104897357
【申请号】CN201510161177
【发明人】花福安, 李建平, 牛文勇, 孙涛, 宫传慧, 王国栋
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月8日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及焊接技术，特别是一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置和方法。
【背景技术】
[0002] 金属薄板的点焊连接工艺广泛应用于汽车制造领域，点焊接头的连接强度直接影 响汽车车身的安全和使用寿命，是评价汽车安全性能的重要指标。过去，对点焊接头强度的 测试主要采用静态方法，即针对各种拉伸剪切、十字拉伸或拉伸剥离等点焊试样，施加准静 态拉力，得到点焊接头破坏时的最大承载能力（极限载荷）、对应极限载荷时刻试样的变形 量（位移）以及吸收功、焊点的破坏模式（焊核拔出，界面分离）等参数。然而，汽车发生 交通事故时通常是在高速行驶中，此时车身构件和连接这些构件的点焊接头受到高速冲击 载荷的作用。在冲击载荷条件下，点焊接头的承载能力、变形、吸收功等与静态情况差别很 大，因此，用静态测试的结果来评价点焊接头的连接强度存在很大的局限性，不能反映点焊 接头的动态性能。为此，需要开展点焊接头动态性能测试和评价的研宄。
[0003] 对金属薄板点焊接头的冲击性能进行评价和研宄，需要测出点焊接头在冲击条件 下所能承受的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总吸收功等参数。为此，需要 测量或计算出冲击力随时间变化、位移随时间变化、速度随时间变化、冲击吸收功随时间变 化、冲击力随位移变化等曲线。
[0004] 由于点焊试样在结构上存在不均匀性，即焊点区域材料的微观组织和力学性能与 原金属片不同，点焊接头所受冲击载荷的形式存在多样性，如拉伸剪切、正拉伸、拉伸剥离 以及复合载荷等，测试加载过程中焊点周围材料发生塑性变形，以及要求冲击载荷的速度 和能量变化范围大等原因，导致准确测量和全面评价点焊接头的冲击性能变得十分困难， 测试效率低，成本高。此外，由于各种点焊缺陷的存在，以及在点焊试样的制作和安装过程 中存在的尺寸、位置误差等原因，进一步导致了测试结果的准确性和重复性差，数据分散性 较大等问题。这些不利因素严重阻碍了点焊冲击测试技术的发展和应用。
[0005] 目前用于材料冲击性能检测的标准摆锤式冲击试验机，一般由底座、试样支座、摆 锤、能量分度盘和指针以及取摆机构、安全销等组成，采用带V形缺口的标准试样，尺寸为 10X10X55mm。所测量的参数主要是材料的冲击功。由于点焊接头试样的结构特殊性以及 对冲击力、位移和极限载荷冲击吸收功等参数测量的特殊要求，使得标准摆锤式冲击试验 机无法用于点焊接头冲击性能的测试。
[0006] ZL02252726. 5号专利文献公开了一种拉伸冲击试验机，包括试验机本体、测量装 置、摆锤和试样装夹机构。测量时，将试样的两端分别固定在装夹机构的固定钳口和活动钳 口上，由摆锤的单程摆动提供能量，"U"形摆锤头冲击活动钳口，使试样在较高拉伸变形速 率下破坏，活动钳口与试样的一部分一起被抛出，测定摆锤消耗能量及试样破坏前后的标 距，经校正、计算得到试样的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率。因这种拉伸冲击试验机是针 对测试塑料的拉伸冲击强度和永久断裂伸长率而设计的，用其测量金属薄板点焊接头，不 能测量冲击过程中冲击力和位移等参数。
[0007] 为了测试点焊接头的冲击性能，ZL200410021245. 9号专利文献公开了一种双摆 式冲击试验机及试验方法。该试验机的冲击部分由主动摆锤、从动摆锤、样品基座以及压 紧装置等组成，测试试样为"Z"字形试样。试验时，试样的一端与从动摆锤通过压紧装置 牢固连接，另一端与样品基座通过压紧装置连接。主动摆锤从初始位置落下，撞击从动摆 锤，将试样点焊接头冲断，根据主动摆锤初始能量和主动摆锤及从动摆锤冲击后剩余能量 计算冲击吸收功。文献"StudyofDynamicPerformanceofAdvancedHighStrength Steel(AHSS)ResistanceSpotWelds"（DissertationbyAmirAliRahimPourShayan, TheUniversityofToledo, 2006)描述了该试验机测量冲击力和位移的方法，其中冲击力 采用四个应变式测力单元测量，该四个测力单元安装在样品基座下面支撑点处，冲击过程 中冲击力对样品基座施加倾翻力矩，在四个测力单元处产生支反力，利用上述支反力以及 样品基座的静力平衡关系可以计算出点焊接头所受到的冲击力。该试验机采用反射式光纤 位移传感器测量点焊试样在冲击过程中的位移，具体方法是在从动摆锤的锤头上安装一个 反光镜，利用光纤传感器测量传感器端部与反光镜之间的距离来测量试样的位移。上述试 验机采用双摆锤的好处是可以利用从动摆锤来测量试样被冲断部分的能量，进而提高冲击 吸收功测量的准确性。该专利文献仅给出了这种试验机对总冲击吸收功的测量方法，没有 给出极限载荷吸收功的测量方法。这种试验机不直接测量冲击力，而是利用四个测力单元 测量的支反力通过换算得到冲击力，由于测力回路结构复杂，中间转换环节多，影响冲击力 测量结果的准确度。另外，采用双摆锤方案，试验机结构复杂，且存在试样尺寸误差和安装 误差，容易导致主动摆锤和从动摆锤的撞击接触部位发生在从动摆锤的上部或下部，影响 冲击能量的传递，也影响测量的准确性。再有，制作"Z"字形试样需要专用成形设备。
【发明内容】
[0008] 针对上述现有技术存在的问题和缺陷，本发明的目的是提供一种测量结果准确可 靠、且可获得用于评价和研宄金属薄板点焊接头冲击性能所需全部参数和曲线的金属薄板 点焊接头冲击性能测试装置及使用这种装置对金属薄板点焊接头冲击性能进行测试的方 法。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供的金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，包括冲击 试验机、冲击夹具、控制系统、数据采集系统和数据处理系统；所述冲击试验机由底座、立 柱、摆轴、摆锤、摆角刻度盘、取摆机构和安全销组成；所述立柱固定安装在底座上，所述摆 角刻度盘和取摆机构安装在立柱的上端，安全销安装在立柱的中部；其中取摆机构由伺服 电机和离合器组成；所述摆锤由摆杆和安装在摆杆下端的摆锤头组成，摆杆的上端通过转 动套安装在立柱上端的摆轴上，所述摆锤头为"U"形，其两侧板上各有一个配重块；所述摆 锤头的两侧板分别有喇叭形开口，开口的底面上各有一个前端为球冠面的冲击帽，球冠面 的中心点为摆锤的撞击中心；
[0010] 所述冲击夹具包括夹具底板、活动钳口、活动钳口支座、固定钳口和固定钳口支 座；其中夹具底板固定安装在所述冲击试验机的底座上；所述活动钳口支座和固定钳口支 座固定安装在夹具底板上；活动钳口支座的顶部为平面，固定钳口支座的顶部有凸台；所 述活动钳口和固定钳口的上部分别有固定安装点焊试样用的压板和压紧螺栓；活动钳口坐 落在所述活动钳口支座顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口的横向长度大于所述两 冲击帽的间距，活动钳口的两个侧面为斜面，与斜面相对应设有激光位移传感器，激光位移 传感器发出的激光束垂直于所述摆锤的运动方向射向该斜面；固定钳口的宽度小于所述摆 锤头双臂之间的宽度，固定钳口上开设有矩形孔，所述固定钳口支座顶部的凸台与测力传 感器相互贴靠置于该矩形孔中，并由预紧螺栓将固定钳口、测力传感器和固定钳口支座顶 部的凸台紧固在一起；
[0011] 所述控制系统控制冲击试验机的取摆机构和安全销，对取摆、放摆、释放安全销、 释放摆锤和二次取摆进行控制，同时还控制所述数据采集系统和数据处理系统进行数据采 集和数据处理；数据采集系统与所述冲击试验机的测力传感器和激光位移传感器相连接。
[0012] 使用上述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试金属薄板点焊接头冲击性能 的方法，按以下步骤进行：
[0013] 1)取摆机构将所述摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆锤；
[0014] 2)将金属薄板点焊试样安装在冲击夹具上；
[0015] 3)释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角位置；
[0016] 4)释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点接 头施加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点焊 试样的后部、压板和压紧螺栓被抛出；
[0017] 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器采集试样点焊接头受到的冲击力； 通过激光位移传感器采集试样自由端的位移；通过摆角刻度盘采集摆锤的角度（包括摆锤 初始仰角和 最大剩余摆角）；由数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性能的极限载 荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速 度-时间曲线，冲击力-位移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的 冲击性能；
[0018] 5)摆锤回摆到一定角度后被取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次 冲击。
[0019] 以上测试金属薄板点焊接头冲击性能的方法，其步骤2)中的金属薄板点焊试样 为由两矩形金属片"一"字形搭接、并在搭接区域中心点点焊制成的拉伸剪切试样；或为由 两片折成"L"形的金属片、其短边被点焊在一起制成的拉伸剥离试样。
[0020] 与现有技术相比较，本发明的优点和有益效果是：
[0021] 1、用本发明装置和方法可以获得用于评价和研宄金属薄板点焊接头冲击性能所 需要的全部有关参数和曲线。
[0022] 2、用摆锤头上冲击帽的球冠面中心点作为摆锤的撞击中心，可以保证冲击接触为 点接触，大大减少因试样尺寸误差或安装误差带了的冲击接触部位的变化，减小测试结果 的分散性，提高冲击力测量的准确性。
[0023] 3、冲击夹具结构简单，试样安装方便，惯性力影响小；冲击力测量回路中间转换和 传递环节少，有利于提高冲击力的测量精度。
[0024] 4、激光位移传感器采用斜面转换方法测量试样冲击位移，结构简单，位移测量结 果准确、可靠。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明装置结构功能框图；
[0026] 图2为本发明装置的结构示意图（不含取摆机构）；
[0027] 图3为图2中摆锤的结构立体示意图；
[0028] 图4为图3中摆锤的尺寸参数示意图；
[0029] 图5为图3中摆锤的摆角参数示意图；
[0030] 图6为图2中冲击夹具的结构立体示意图；
[0031] 图7为图6中固定钳口和固定钳口支座部分的分解图；
[0032] 图8(a)为拉伸剪切试样示意图，图8(b)为拉伸剥离试样示意图；
[0033] 图9为测量点焊试样自由端位移的原理示意图；
[0034] 图10为点焊试样应变测量示意图；
[0035]图11为利用本发明装置测试某金属薄板点焊试样所得到的各种曲线，其中图 11(a)为冲击载荷-时间曲线，图11(b)为速度-时间曲线，图11(c)为位移-时间曲线，图 11(d)为冲击载荷-位移曲线，图11(e)为吸收功-时间曲线；
[0036] 图12为采用测力传感器和应变仪测得的冲击载荷-时间曲线比较图。
[0037] 图中：1-底座，2-立柱，3-摆角刻度盘，4-安全销，5-摆锤，51-转动套，52-摆杆， 53-摆锤头，54-冲击帽，55-配重块，56-侧板，6-冲击夹具，61-固定钳口，62-活动钳口， 63-压板，64-压紧螺栓，65-固定钳口支座，66-活动钳口支座，67-夹具底板，68-预紧螺 栓，601-凸台，602-矩形孔，603-激光束，604-摆锤的运动方向，7-点焊试样，71-金属片， 72-点焊接头，73-安装孔，8-摆轴，9-激光位移传感器，10-测力传感器，11-应变片。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039] 结合图1和图2,本发明金属薄板点焊接头冲击性能测试装置包括冲击试验机、冲 击夹具6、控制系统、数据采集系统和数据处理系统。其中冲击试验机由底座1、立柱2、摆轴 8、摆锤5、摆角刻度盘3、取摆机构和安全销4组成。所述立柱2固定安装在底座1上，摆角 刻度盘3安装在立柱2的上端，由伺服电机和离合器组成的取摆机构（未图示）安装在立 柱上部，锁定摆锤的安全销4安装在立柱的中部。如图3、图4和图5所示，摆锤5由摆杆 52和安装在摆杆下端的摆锤头53组成，摆杆的上端通过转动套51与安装在立柱2上端的 摆轴8套接（摆锤可以摆轴为中心转动），所述摆锤头53为"U"形，构成"U"形的两侧板 56的下部分别有配重块55,两侧板上分别开有喇叭形开口，开口的底面上有前端为球冠面 的冲击帽54,球冠面的中心点02为摆锤的撞击中心，与摆轴8的距离为lp，摆锤的质心01 位于摆杆中心线的下端，与摆轴8的距离为1。。
[0040] 安装点焊试样的冲击夹具6如图6和图7所示，由夹具底板67、活动钳口 62、活动 钳口支座66、固定钳口 61和固定钳口支座65组成。其中夹具底板67固定安装在冲击试 验机的底座1上；活动钳口支座66和固定钳口支座65固定安装在夹具底板67上；活动钳 口支座66的顶部为平面，固定钳口支座65的顶部有凸台601;所述活动钳口 62和固定钳 口 61的上部分别有固定安装点焊试样7用的压板63和压紧螺栓64;活动钳口 62坐落在 活动钳口支座66顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口 62的横向长度大于所述两冲击 帽54的间距，
[0041]活动钳口的两个侧面为斜面，侧面与摆锤运动方向夹角a为45°，在斜面的侧 部，设有激光位移传感器9,激光位移传感器发出的激光束603垂直于所述摆锤的运动方向 604射向该斜面。固定钳口 61上开设有矩形孔602,所述固定钳口支座顶部的凸台601与 测力传感器10相互贴靠、置于矩形孔中，并由预紧螺栓68将固定钳口 61、测力传感器10和 凸台601紧固在一起。
[0042] 如图1所示，装置的控制系统控制取摆机构和安全销（属常规技术），对冲击试验 机取摆、放摆、释放安全销、释放摆锤及自动二次取摆等功能进行控制，同时还控制数据采 集系统和数据处理系统，其中数据采集系统分别与所述冲击试验机的测力传感器10和激 光位移传感器9相连接，由其采集的数据经数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性 能的各种参数和曲线。
[0043] 利用上述冲击试验机和冲击夹具进行金属薄板点焊接头冲击性能测试的点焊接 头试样可以是拉伸剪切试样，也可以是拉伸剥离试样。拉伸剪切试样如图8(a)所示，由两 矩形金属片71 "一"字形搭接构成，在搭接区域中心点处通过电阻点焊工艺形成点焊接头 72,将两金属片连接制成点焊试样，在试样的两端钻出供其与冲击夹具的活动钳口和固定 钳口固定连接的安装孔73。拉伸剥离试样，如图8(b)所示，由两个折成"L"形的金属片组 成，在"L"形金属片的短边中心点处点焊，形成点焊接头，将两金属片连接在一起。
[0044]本实施例是使用上述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试如图8 (a)所示拉 伸剪切试样点焊接头的冲击性能，其步骤是：
[0045] 首先，通过控制系统，取摆机构将摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆 锤。
[0046] 然后，利用冲击夹具活动钳口和固定钳口上的压板和压紧螺栓将点焊试样安装在 冲击夹具上。
[0047]然后，释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角0i位置，记录初始仰 角Q
[0048] 然后释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点 接头施加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点 焊试样的后部、压板和压紧螺栓被抛出，同时摆锤继续摆到最大剩余摆角0 2，记录最大剩 余摆角9 2。
[0049] 摆锤回摆到一定角度后，由取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次 冲击。
[0050] 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器自动采集点焊接头受到的冲击力F， 通过激光位移传感器自动采集点焊试样自由端的位移x;将摆角刻度盘记录的摆锤的角度 (包括摆锤初始仰角0JP最大剩余摆角0 2)人工输入数据采集系统；由数据处理系统计 算并给出表征点焊接头冲击性能的参数和曲线，包括极限载荷、极限载荷位移、极限载荷吸 收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、速度-时间曲线，位移-时间曲线，冲击力-位移曲线、 冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的冲击性能。
[0051] 结合图9,数据采集系统通过激光位移传感器9按以下方法测量点焊试样自由端 的位移x:
[0052] 设冲击过程中活动钳口及点焊试样自由端沿摆锤运动方向604移动距离为x(活 动钳口运动到图9虚线位置）时，激光位移传感器9与活动钳口 62的斜面之间的激光束 603长度变化为 y，则x、y与a之间满足：
[0053] y = x X tan a (1)
[0054]按本实施例a为45°，则x与y相等。因此，根据激光传感器测量出的y值，即可 得到点焊试样自由端的位移x值。
[0055] 点焊接头破坏总吸收功（总冲击能量）可根据摆角刻度盘测量的摆锤初始仰角 0i和冲击后的最大剩余摆角0 2，以及摆锤的质量m，质心01距离1。，按式⑵计算出：
[0056]W=mglc(cos92_cos9J_WS (2)
[0057] 其中，WsS因摩擦、风阻等损耗的能量。
[0058] 根据测力传感器测量的冲击力F以及摆锤初始仰角计算得到的冲击开始时刻的 角速度按式（3)计算冲击过程中试样自由端的线速度\(该速度也是活动钳口和撞击 中心的速度），
[0060] 其中，L为摆锤相对于摆轴的转动惯量，1p为撞击中心02距摆轴的距离；
[0061] 点焊接头破坏总吸收功（总冲击能量）也可以根据测力传感器测量的冲击力F，按 式⑷计算
[0063] 点焊接头破坏总吸收功还可以根据测力传感器测量的冲击力F和位移传感器测 量的位移x，组合成冲击力-位移曲线，按式（5)计算：
[0065] 上述三种方法计算得到的总吸收功可以互相对比，验证、评估测试结果（冲击力、 自由端位移、冲击吸收功）的准确性和可靠性。
[0066] 图11所示为经数据处理得到的各种曲线。其中图11 (a)为测力传感器测量的冲击 力-时间曲线；图11(b)是利用测力传感器测量的冲击力，根据式（2)计算得到的速度-时 间曲线；图11(c)是利用计算的速度-时间曲线，根据式（6)计算得到的位移-时间曲线； 图11(d)是将冲击力-时间曲线和位移-时间曲线合并形成的冲击力-位移曲线；图11(e) 是对冲击力-位移曲线按式（5)进行积分计算的吸收功-时间曲线。
[0068] 为评估本发明测力传感器测量得到的冲击力的准确性和可靠性，如图10所示，本 实施例采用应变片11测量与固定钳口连接在一起的点焊试样金属片的弹性应变e。弹性 应变e、金属片的截面积S、金属片材料的弹性模量E以及所受到的冲击力F满足式（7)
[0069]F=EXeXS (7)
[0070] 利用所测量的弹性应变即可以计算出点焊接头所受到的冲击力，将该冲击力与测 力传感器测得的冲击力进行对比，由图12所示曲线比较可以看出采用本发明测力传感器 测得的冲击力是准确可靠的。
[0071] 利用本发明的测试装置和方法对8 - 13kA不同电流焊接的点焊试样进行测试，表 1给出了测试结果的对比。其中，总冲击吸收功分别利用实测的冲击力和实测的摆角计算， 同时，利用实测冲击力计算的摆锤最大剩余摆角与实测摆角也进行了对比。根据冲击力计 算摆锤最大剩余摆角的方法如下：利用式（3)计算出点焊接头断裂时刻摆锤撞击中心的线 速度vd，然后按式（8)计算最大剩余摆角。
[0073] 表1 :点焊接头冲击性能测试结果对比
[0075] 由表1可以看出，无论是总冲击吸收功，还是摆锤最大摆角，其随点焊电流的变化 趋势是符合实际规律的，计算结果和实测结果符合较好，误差在10%以内。上述测试结果对 比表明，本发明测试方法是合理的，数据处理方法是正确的，测试装置是可靠的，测试结果 满足点焊接头冲击性能测试要求。
【主权项】
1. 一种金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，包括冲击试验机、冲击夹具（6)、控制系 统、数据采集系统和数据处理系统；所述冲击试验机由底座（1)、立柱（2)、摆轴（8)、摆锤 (5)、摆角刻度盘（3)、取摆机构和安全销（4)组成；所述立柱（2)固定安装在底座（1)上， 所述摆角刻度盘（3)和取摆机构安装在立柱（2)的上端，安全销（4)安装在立柱的中部；其 中取摆机构由伺服电机和离合器组成；所述摆锤（5)由摆杆（52)和安装在摆杆下端的摆锤 头（53)组成，摆杆的上端通过转动套（51)安装在立柱（2)上端的摆轴（8)上，所述摆锤头 (53)为"U"形，其两侧板（56)上各有一个配重块（55);其特征在于： 所述摆锤头的两侧板分别有喇叭形开口，开口的底面上各有一个前端为球冠面的冲击 帽（54)，球冠面的中心点为摆锤的撞击中心； 所述冲击夹具（6)包括夹具底板(67)、活动钳口（62)、活动钳口支座（66)、固定钳口 (61) 和固定钳口支座（65);其中夹具底板（67)固定安装在所述冲击试验机的底座（1)上； 所述活动钳口支座（66)和固定钳口支座（65)固定安装在夹具底板（67)上；活动钳口支座 (66)的顶部为平面，固定钳口支座（65)的顶部有凸台（601);所述活动钳口（62)和固定 钳口（61)的上部分别有固定安装点焊试样（7)用的压板（63)和压紧螺栓（64);活动钳口 (62) 坐落在所述活动钳口支座（66)顶部的平面上，可沿该平面滑动，活动钳口（62)的横 向长度大于所述两冲击帽（54)的间距，活动钳口的两个侧面为斜面，与斜面相对应设有激 光位移传感器（9)，激光位移传感器发出的激光束（603)垂直于所述摆锤的运动方向（604) 射向该斜面；固定钳口（61)的宽度小于所述摆锤头双臂之间的宽度，固定钳口（61)上开设 有矩形孔（602)，所述固定钳口支座顶部的凸台（601)与测力传感器（10)相互贴靠置于该 矩形孔（602)中，并由预紧螺栓(68)将固定钳口 (61)、测力传感器（10)和固定钳口支座顶 部的凸台（601)紧固在一起； 所述控制系统控制冲击试验机的取摆机构和安全销，对取摆、放摆、释放安全销、释放 摆锤和二次取摆进行控制，同时还控制所述数据采集系统和数据处理系统进行数据采集和 数据处理；数据采集系统与所述冲击试验机的测力传感器（10)和激光位移传感器（9)相连 接。2. 使用权利要求1所述金属薄板点焊接头冲击性能测试装置测试金属薄板点焊接头 冲击性能的方法，其特征在于，按以下步骤进行： 1) 取摆机构将所述摆锤举升到摆锤锁定位置，利用安全销锁住摆锤； 2) 将金属薄板点焊试样安装在冲击夹具上； 3) 释放安全销，取摆机构将摆锤举升到设定的初始仰角位置； 4) 释放摆锤，当摆锤摆到竖直位置时与冲击夹具的活动钳口发生碰撞，对焊点接头施 加拉伸冲击载荷，使焊点破坏，焊点破坏断裂后，活动钳口、与活动钳口相连接的点焊试样 的后部、压板和压紧螺栓被抛出； 在冲击过程中，数据采集系统通过测力传感器（10)采集试样点焊接头受到的冲击力； 通过激光位移传感器（9)采集试样自由端的位移；通过摆角刻度盘（3)采集摆锤的角度； 由数据处理系统计算并给出表征点焊接头冲击性能的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷 冲击吸收功、总吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速度-时间曲线，冲击力-位 移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价金属薄板点焊接头的冲击性能； 5) 摆锤回摆到一定角度后被取摆机构二次提升到摆锤锁定位置并锁紧，等待下次冲 击。3.根据权利要求2所述测试金属薄板点焊接头冲击性能的方法，其特征在于，所述步 骤2)中的金属薄板点焊试样为由两矩形金属片"一"字形搭接、并在搭接区域中心点点焊 制成的拉伸剪切试样；或为由两片折成"L"形的金属片、其短边被点焊在一起制成的拉伸 剥离试样。
【专利摘要】一种由冲击试验机、冲击夹具、控制系统、数据采集和处理系统组成的金属薄板点焊接头冲击性能测试装置，用其测试点焊接头冲击性能时，将试样两端分别固定在冲击夹具的活动钳口和固定钳口上，利用摆锤对点焊接头施加冲击载荷，使点焊接头断裂，数据采集系统采集由设在固定钳口与固定钳口支座间的测力传感器测量的点焊接头所受冲击力、由活动钳口侧面的激光位移传感器测量的试样自由端位移和摆锤角度，数据处理系统给出表征点焊接头冲击性能的极限载荷、极限载荷位移、极限载荷冲击吸收功、总冲击吸收功、冲击力-时间曲线、位移-时间曲线，速度-时间曲线，冲击力-位移曲线、冲击吸收功-时间曲线，用以评价和研究点焊接头的冲击性能。
【IPC分类】G01M7/08
【公开号】CN104897357
【申请号】CN201510161177
【发明人】花福安, 李建平, 牛文勇, 孙涛, 宫传慧, 王国栋
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月8日
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