摘 要:對比分析了目前市面上常見的推桿式全自動沖擊試驗機(jī)與智能機(jī)器人全自動沖擊試驗 機(jī)系統(tǒng),總結(jié)了兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點。分別采用手動式?jīng)_擊試驗機(jī)與推桿式全自動沖擊試驗機(jī)對液 化天然氣儲罐用高錳鋼進(jìn)行了一系列低溫沖擊試驗,結(jié)果表明:兩種試驗機(jī)獲得的沖擊吸收功無明 顯差異,但手動式?jīng)_擊試驗機(jī)測試結(jié)果的離散性較大。
關(guān)鍵詞:全自動沖擊試驗機(jī);液化天然氣儲罐;高錳鋼;沖擊吸收功
中圖分類號:TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)04-0001-03
夏比沖擊試驗中測定的沖擊吸收功缺乏明確的 物理意義,不能作為表征金屬材料實際抵抗沖擊載 荷能力的判據(jù),但因試樣的加工工藝簡單,且試驗時 間短,試驗數(shù)據(jù)對材料的組織結(jié)構(gòu)、缺陷等敏感,夏 比沖擊試驗成為評價金屬材料沖擊韌性應(yīng)用最廣泛 的傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗方法之一[1-2]。
沖擊試驗主要以手動式為主,其操作過程為:將 試樣按順序排列→放入低溫裝置中→設(shè)置低溫裝置 溫度→降溫、保溫→利用對中鉗將試樣放置在沖擊 試驗機(jī)砧座上→手動控制試驗機(jī)完成放錘沖擊→記 錄沖擊試驗結(jié)果。傳統(tǒng)手動式?jīng)_擊試驗有以下幾個 特點。
(1)制冷方式多樣化,不僅可以采用物理法,還 可以采用機(jī)械法。前者選擇乙醇、汽油、烷烴等有機(jī) 溶劑為低溫介質(zhì),干冰、液氮等為冷卻劑,冷卻劑揮 發(fā)時吸收熱量,從而達(dá)到冷卻介質(zhì)的效果,只要選擇 合適的介質(zhì)與冷卻劑,就可以達(dá)到最低-140 ℃的 低溫環(huán)境;后者一般采用無水乙醇為介質(zhì),利用壓縮 機(jī)原理來制冷,該方法調(diào)節(jié)方便、制冷迅速、溫度穩(wěn) 定性好,但一般最低只能達(dá)到-80 ℃的低溫環(huán)境。
(2)試樣數(shù)量靈活、尺寸規(guī)格多樣化。手動式 沖擊試驗也存在一些問題:① 雖然人工操作便捷、 迅速,但實際操作中,不可避免地會發(fā)生人為因素導(dǎo) 致部分試樣無法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行試驗的問 題;② 從取出試樣至完成沖擊試驗的整個過程中, 試驗時間會有偏差,在一定程度上會影響試驗結(jié)果 的穩(wěn)定性;③ 對中鉗放置在沖擊支座間,兩者會有 間隙,采用人工放置試樣的方式進(jìn)行對中不太精確;④ 人工記錄試驗結(jié)果時,無法完全避免登記錯誤。
隨著自動化、信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展, 近十幾年來,沖擊試驗方法發(fā)展很快,自動化沖擊試 驗機(jī)也越來越多地應(yīng)用在鋼廠、檢測機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。 筆者對目前市面上常見的兩類自動化沖擊試驗機(jī)進(jìn) 行了對 比,并 分 析 其 優(yōu) 缺 點,測 試 了 液 化 天 然 氣 (LNG)儲罐用鋼的沖擊性能。
1 推桿式全自動沖擊試驗機(jī)
推桿式全自動沖擊試驗機(jī)的工作原理為:將試 樣裝入可拆卸試樣架上,試驗機(jī)啟動后,自動送樣系 統(tǒng)的氣缸將試樣架上的試樣逐個推入低溫裝置內(nèi), 待試樣完成降溫、保溫后,由另外一組氣缸將試樣送 至試驗機(jī)砧座上,試驗機(jī)自動完成放擺沖擊,并記錄 試驗結(jié)果。整個試驗過程由微機(jī)發(fā)出指令,無需人 員介入。
除了全程可自動化控制外,推桿式全自動沖擊 試驗機(jī)的優(yōu)勢在于其冷卻系統(tǒng)。該裝置的低溫室分 為兩半,中間夾層為試樣空間,上下兩層均由熱傳導(dǎo) 較快的紫銅板制成,紫銅板中開蛇形管道,冷卻劑通 過蛇形管道時吸收熱量,從而達(dá)到冷卻低溫室中試 樣的目的。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可保證低溫室中溫度的穩(wěn) 定性,由于采用的冷卻介質(zhì)是空氣,其不會在低溫下 凝固,因此能夠獲得較低的試驗溫度,采用合適的冷 卻劑最低可達(dá)到-180 ℃,配合液氮環(huán)境,能夠滿足 絕大部分材料的低溫沖擊試驗需求。
受結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理的制約,推桿式全自動沖 擊試驗機(jī)在使用過程中也常會發(fā)生如下一些問題[3-4]。
(1)容易出現(xiàn)試樣卡死現(xiàn)象。由于冷卻系統(tǒng)內(nèi) 部濕度與環(huán)境濕度相同,如果空氣濕度較大,特別是 夏季陰雨天氣,空氣中的水蒸氣在低溫室中凝結(jié)到試 樣表面,容易出現(xiàn)試樣黏連或者凍到低溫室內(nèi)腔上的 問題,導(dǎo)致試樣被卡死,從而影響試驗的持續(xù)進(jìn)行。
(2)試驗過程容易掉樣。試驗過程中,通過氣 缸將試樣從低溫室中送至試驗機(jī)砧座上,為保證送 樣速度,避 免 送 樣 時 間 過 長 而 導(dǎo) 致 試 驗 過 程 超 過 5s,需要將氣缸調(diào)節(jié)到合適的壓力。如果氣缸壓力 不穩(wěn),或者調(diào)試好壓力卻更換了試驗材料,又或者更 換了試樣尺寸,在送樣過程中均容易出現(xiàn)掉樣現(xiàn)象。
(3)試樣精確定位難度增大。推桿式自動送樣 系統(tǒng)采 用 端 面 定 位 的 方 式。一 方 面,按 照 GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的 要求,將沖擊試樣缺口對稱面至試樣端部距離的公差控制 為 ±0.165 mm,比 手 動 送 樣 的 距 離 公 差 ±0.42mm 要嚴(yán)格很多;另一方面,如果試樣端面 上的毛刺、沖擊試驗機(jī)砧座上黏結(jié)的毛刺未被清除 干凈,都會影響到試樣的定位精度。
(4)試驗效率較低。推桿式全自動沖擊試驗機(jī) 的試驗效率較低,這主要有兩方面的原因:① 每次 保溫的沖擊試樣數(shù)量一般不會超過40件,低溫室的 空間尺寸較低溫槽等冷卻系統(tǒng)的容量要小很多;② 按照 GB/T229-2020標(biāo)準(zhǔn)的要求,如果采用氣體 方式進(jìn)行冷卻,試樣在規(guī)定溫度下的保溫時間不低 于30 min,而 液 體 介 質(zhì) 中 的 保 溫 時 間 只 要 大 于 5min即可。推桿式全自動沖擊試驗機(jī)溫度控制系 統(tǒng)如圖1所示。
2 智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)
智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)(見圖2)[3]是基 于視覺定位與多軸機(jī)器人來完成試樣的定位與送樣 的,可實現(xiàn)沖擊試驗全程無人值守。其工作原理為: 機(jī)器人自動夾取料框,再將料框放入低溫槽中進(jìn)行冷 卻,完成冷卻和保溫后,通過機(jī)器人的視覺系統(tǒng)完成 試樣的定位、抓取與送樣,直至試驗機(jī)完成放擺沖擊。
智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)相比于其他沖擊 試驗機(jī)有著明顯的優(yōu)勢,具體如下所述。
(1)試驗效率高。機(jī)器人不會疲勞,也不會因 為人員休息、就餐等而中斷工作,只要擺放好試樣, 設(shè)定好程序,就可以連續(xù)作業(yè)直至所有試驗完成,工作效率要遠(yuǎn)高于人工效率;另外,其低溫裝置一般為 低溫槽,每次保溫試樣的數(shù)量可以超過100件,也可 以由一套系統(tǒng)控制幾臺低溫槽,其試驗效率可遠(yuǎn)高 于推桿式全自動沖擊試驗機(jī)。
(2)試驗數(shù)據(jù)的離散性小。張華偉[3]等的統(tǒng)計 結(jié)果表明,智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)得到的沖 擊吸收能量分布區(qū)間更窄,離散程度更小,數(shù)據(jù)分布 比較集中。這是因為:① 基于機(jī)器人的視覺系統(tǒng)可 實現(xiàn)試樣的對中,能夠保證試樣在砧座上對中;② 工作中智能機(jī)器人不會疲勞,單個試樣的沖擊時間 基本恒定,這保證了試驗結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性。
(3)智能機(jī)器人送樣可大幅減小操作人員的勞 動強(qiáng)度,能夠提高工作的安全性;另外,智能系統(tǒng)還 可實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動采集與上傳,避免人員記錄 數(shù)據(jù)與上傳數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)錯誤。
目前,智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)的冷卻系 統(tǒng)主要通過壓縮機(jī)制冷乙醇來實現(xiàn),為保證視覺機(jī) 器人準(zhǔn)確地完成沖擊試樣缺口的識別與對中,需要 保證冷卻介質(zhì)的清澈和透明,一般試驗溫度不能低 于-80 ℃。智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)更適合 應(yīng)用于試樣數(shù)量比較多、試驗溫度比較統(tǒng)一、溫度要 求不低于-80 ℃的鋼廠中。
3 全自動沖擊試驗機(jī)在 LNG 儲罐用鋼上的 應(yīng)用試驗
3.1 試驗方法
高錳奧氏體鋼具有價格低、低溫穩(wěn)定性好、熱膨 脹系數(shù)低、低周疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點,具有替代鋁合 金、不銹鋼、9Ni鋼等 LNG 儲罐材料的潛力[5-7]。其 工作溫度為室溫(10~35 ℃)至-163 ℃,為保證使 用的安全性,需要考察高錳奧氏體鋼在使用溫度下 的低溫沖擊性能。以40mm 厚的高錳奧氏體鋼為對 象,按照 GB/T229-2020標(biāo)準(zhǔn)加工規(guī)格(長×寬× 高)為10mm×10mm×55mm 的沖擊試樣,分別 采用手動式?jīng)_擊試驗機(jī)與推桿式全自動沖擊試驗機(jī) 進(jìn)行沖擊試驗,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。
3.2 試驗結(jié)果與統(tǒng)計分析
由于冷卻方式不同,手動式?jīng)_擊試驗機(jī)可實現(xiàn) 的最低溫度為 -140 ℃,較難實現(xiàn)溫度為 -196~ -140 ℃(液氮浸泡);推桿式全自動沖擊試驗機(jī)可 實現(xiàn) 的 最 低 溫 度 為 -180 ℃,較 難 實 現(xiàn) 溫 度 為 -196~-180 ℃,但-196 ℃(液氮浸泡)可通過手 動送樣實現(xiàn)。兩種沖擊試驗機(jī)測試結(jié)果柱狀圖如圖 3所示。從測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
(1)推 桿 式 全 自 動 試 驗 機(jī) 可 以 覆 蓋 室 溫 至 -180 ℃的所有溫度,配合手動式?jīng)_擊試驗機(jī)可實 現(xiàn) -196 ℃ 的 沖 擊 試 驗,基 本 能 夠 滿 足 高 于 -196 ℃的沖擊試驗需求。對于 LNG 儲罐用高錳 鋼,現(xiàn)有的試驗方法完全能夠滿足-163 ℃的使用 環(huán)境。將兩種沖擊方式相結(jié)合可實現(xiàn) LNG 儲罐用 高錳鋼在室溫至-196 ℃的沖擊試驗,高錳鋼的沖 擊吸收功-溫度曲線如圖4所示。
(2)在試驗前認(rèn)真檢驗了沖擊試樣缺口對稱面 至試樣 端 部 距 離 的 加 工 精 度,均 滿 足 標(biāo) 準(zhǔn) GB/T 229-2020對自動送樣試驗機(jī)的制備要求,且試驗 前認(rèn)真打磨掉了試樣端部的毛刺,保障了全自動沖 擊試驗機(jī)試驗過程中試樣的對中性。由圖3可知, 在相同溫度條件下,兩種試驗機(jī)的測試結(jié)果無明顯 差異,但手動式?jīng)_擊試驗機(jī)測試結(jié)果的離散性略高 于全自動沖擊試驗機(jī)。因為人員的操作習(xí)慣不同、 放置試樣位置的偏差以及每次送樣時間的不確定會 影響手動式?jīng)_擊試驗結(jié)果。使用全自動沖擊試驗機(jī) 可消除因為人員操作不穩(wěn)定導(dǎo)致的偏差,降低沖擊 試驗結(jié)果的離散性。
4 結(jié)語
推桿式和智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)都具有明顯的優(yōu)點,但也有自身的局限性。雖然推桿式全 自動沖擊試驗機(jī)的試驗效率較低,但是最低溫度可 達(dá)-180 ℃。該試驗機(jī)適用于材料的超低溫沖擊性 能評價;智能機(jī)器人全自動沖擊試驗機(jī)的工作效率 高,適用于批量大、溫度適中的鋼廠和第三方實驗 室。筆者在材料研發(fā)過程中,將推桿式全自動沖擊 試驗機(jī)與手動式?jīng)_擊試驗機(jī)配合使用,滿足了絕大 多數(shù)低溫沖擊試驗的要求。
參考文獻(xiàn):
[1] 桂立豐.機(jī)械工程材料測試手冊-力學(xué)卷[M].沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001.
[2] 許鶴君.金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度檢測中的一些關(guān)鍵 問題[J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2017,53(6):422- 427,433.
[3] 張華偉,秦小梅,于寶峰,等.智能機(jī)器人全自動沖擊 試驗系統(tǒng)在夏比擺錘沖擊試驗中的應(yīng)用[J].理化檢 驗(物理分冊),2019,55(11):775-778,794.
[4] 張松,陳長奎,李劍峰.全自動試驗技術(shù)助力復(fù)工復(fù) 產(chǎn)彰 顯 無 人 值 守 優(yōu) 勢 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊), 2020,56(6):1-5.
[5] 薛侃時,孫大涌,王濱,等.提高高錳奧氏體超低溫鋼 低溫韌性的方法[J].機(jī)械工程學(xué)報,1998,34(6):11- 15,22.
[6] 陳亞魁,王紅鴻,孟亮,等.超低溫高錳鋼埋弧焊焊縫 金屬微觀組織及沖擊韌性分析[J].武漢科技大學(xué)學(xué) 報,2020,43(5):321-325.
[7] 黃維,張志勤,高真鳳.石油及 LNG 儲罐用鋼現(xiàn)狀及 最新研究進(jìn)展[J].上海金屬,2016,38(2):74-78.