本发明公开了一种金属材料焊接热影响区HAZ试验的快速冷却方法及试验用的工装,其是在现有热力物理模拟实验机的用于夹装金属试样的夹具中增加冷却水道,并使该水道的出水沿贴近金属试样表面方向平行流出,使得金属试样能够四面均匀冷却。本发明避免了冷却水冲击力对金属试样产生的影响,克服了现有技术中采用喷头沿垂直或倾斜朝向金属试样表面方向喷射冷却水对高温金属试样进行急冷造成HAZ金属试样被喷断或冲变形的缺陷,可广泛应用于现有热模拟试验机中,有效的提高了金属材料热模拟试验的精度和成功率。
1.一种金属材料的HAZ试验方法,其特征在于,该试验方法第一步先固定金属试样,即将金属试样的两端分别固定在对应夹具座的两夹块的夹持面之间;第二步,将金属试样加温到设定温度;第三步,通过设置于对应夹具座两夹块中的冷却水通道沿平行于金属试样表面延伸方向喷射冷却水,使冷却水沿金属试样表面由金属试样的两端相对流向金属试样的中部,从而达到对金属试样的快速冷却。
2.根据权利要求1所述的金属材料的HAZ试验方法,其特征在于,在所述对应配合的两夹块的相对面上分别开设有用于与金属试样表面吻合的夹槽,夹槽的内壁面构成夹块的夹持面,在所述各夹块的夹持面上分别开设有与夹槽延伸方向平行的出水槽,各出水槽与所述金属试样表面配合构成所述的冷却水出水通道,各出水槽在对应外端面上的开口与金属试样表面配合构成所述的冷却水通道出水孔。
3.根据权利要求2所述的金属材料的HAZ试验方法,其特征在于,所述的冷却水先通过对应设置的分水装置等量均分为四等分后通入各夹块的冷却水通道中。
4.一种专用于实施如权利要求1所述试验方法的用于金属材料HAZ试验的试验工装,该试验工装包括相对间隔设置的两夹具座,两夹具座中各设有一对相互配合用于夹持在金属试样对应端部的夹块,所述的夹块具有朝向另一夹具座的外端面及与相邻夹块对应配合用于夹持在金属试样表面的夹持面,其特征在于,在所述各夹块中分别开设有冷却水通道,所述的冷却水通道具有开设于对应夹块中的进水通道和用于靠近金属试样表面的出水通道,所述出水通道平行于对应夹块的夹持面并在对应夹块的外端面上设有朝向另一夹具座的出水孔。
5.根据权利要求4所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,在所述对应配合的两夹块的相对面上分别开设有用于与金属试样表面吻合的夹槽,夹槽的内壁面构成夹块的夹持面,在所述各夹块的夹持面上分别开设有与夹槽延伸方向平行的出水槽,各出水槽与所述金属试样表面配合构成所述的冷却水出水通道,各出水槽在对应外端面上的开口与金属试样表面配合构成所述的冷却水通道出水孔。
6.根据权利要求5所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,所述的夹槽为V形槽,在V形槽的两槽壁面上分别开设有所述的出水槽,各出水槽围绕金属试样表面均匀分布。
7.根据权利要求4所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,所述的各夹块采用铜或铜合金制成。
8.根据权利要求4至7任意一项所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,所述冷却水通道出水孔的截面积沿出水方向逐渐增大。
9.根据权利要求4所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,还包括用于连接各夹块中冷却水通道的冷却水分水装置,该分水装置具有一个进水口和相对于进水口均匀分布的四个分水口,各分水口通过软管与各夹块的冷却水通道进水通道相连。
10.根据权利要求9所述的用于金属材料HAZ试验的试验工装,其特征在于,所述的分水装置为空心圆盘结构,所述的进水口设于圆盘的一端端面中心,所述的分水口围绕圆盘中心均匀布设于圆盘的另一端端面上,在分水装置内呈辐射状均布有连通进水口与各分水口的分水通道。技术领域
本发明属于金属材料的热力物理模拟试验技术领域,准确的说是涉及一种在对金属材料进行焊接热影响区HAZ(Heatxa0affectedxa0zone)试验中对金属试样进行快速冷却的冷却方法及用于实施该方法的金属试样试验工装。
背景技术
金属材料的成形性能和新材料的开发在科学研究和工程应用中具有非常重要的作用。随着材料科学的迅速发展,低合金钢、超合金钢、有色金属和不同性能的特种合金在工业上得到广泛的应用,其中,金属材料的热加工,特别是焊接是重要的成形连接方法。在对金属材料进行焊接热影响区HAZ试验时,为满足金属试样新的工艺参数要求,需要对高温金属试样进行快速冷却。我国目前对金属材料进行热力物理模拟试验的设备主要采用的是美国DSI公司生产的Gleeble系列热力物理模拟试验机。这种Gleeble系列热力物理模拟实验机上用于装夹金属试样的夹持装置结构如图1所示,其包括相对间隔设置用于夹持在金属试样两端的左夹具座101和右夹具座102,两夹具座101、102上分别通过斜面滑动装配有两个相对配合用于夹持金属试样的夹块103。现有的快速冷却方法是在两夹具座中分别连通恒温冷却水,如中国专利公开文件CN2627492Y公开了一种电阻型热模拟试验机试验夹头装置,这种冷却装置对一般标准HAZ试验的最大冷却速度达100°C/s,而如果试验需要达到更大的冷却速度,如140°C/s或更高时则难以满足。中国专利公开文件CN201021918Y公开了一种热模拟试验机的试样急冷装置,该装置是在试样的上下方相对设有冷却液喷头,采用垂直于试样的方向将冷却液喷射到金属试样上实施快速冷却。由于金属试样在高温下已接近熔点,因而金属试样的强度已经非常低,一旦受到垂直喷射的水流很容易则会被高速水流冲断或冲变形,造成试验失败;另一方面这种冷却液喷头均设置在金属试样的一侧,而与冷却液喷头相背的金属试样背面难以接触到冷却水,因而冷却液与金属试样之间的接触面积较小,造成金属试样冷却速度较慢,而且金属试样各部分冷却速度不同,造成试验的精度较低。
发明内容
本发明的目的是:提供一种金属材料的HAZ试验方法,以解决目前用热力物理模拟试验机对金属材料进行HAZ试验过程中采用垂直于金属试样表面方向喷射冷却水容易将高温金属试样冲断的问题。该金属材料的HAZ试验方法的技术方案是:一种金属材料的HAZ试验方法,该试验方法第一步先固定金属试样,即将金属试样的两端分别固定在对应夹具座的两夹块的夹持面之间;第二步,将金属试样加温到设定温度;第三步,通过设置于对应夹具座两夹块中的冷却水通道沿平行于金属试样表面延伸方向喷射冷却水,使冷却水沿金属试样表面由金属试样的两端相对流向金属试样的中部,从而达到对金属试样的快速冷却。在所述对应配合的两夹块的相对面上分别开设有用于与金属试样表面吻合的夹槽,夹槽的内壁面构成夹块的夹持面,在所述各夹块的夹持面上分别开设有与夹槽延伸方向平行的出水槽,各出水槽与所述金属试样表面配合构成所述的冷却水出水通道,各出水槽在对应外端面上的开口与金属试样表面配合构成所述的冷却水通道出水孔。所述的冷却水先通过对应设置的分水装置等量均分为四等分后通入各夹块的冷却水通道中。同时,本发明还提供了一种专用于实施上述金属材料HAZ试验方法的金属试样HAZ试验工装,该试验工装的技术方案是:一种用于金属材料HAZ试验的试验工装,该试验工装包括相对间隔设置的两夹具座,两夹具座中各设有一对相互配合用于夹持在金属试样对应端部的夹块,所述的夹块具有朝向另一夹具座的外端面及与相邻夹块对应配合用于夹持在金属试样表面的夹持面,在所述各夹块中分别开设有冷却水通道,所述的冷却水通道具有开设于对应夹块中的进水通道和用于靠近金属试样表面的出水通道,所述出水通道平行于对应夹块的夹持面并在对应夹块的外端面上设有朝向另一夹具座的出水孔。在所述对应配合的两夹块的相对面上分别开设有用于与金属试样表面吻合的夹槽,夹槽的内壁面构成夹块的夹持面,在所述各夹块的夹持面上分别开设有与夹槽延伸方向平行的出水槽,各出水槽与所述金属试样表面配合构成所述的冷却水出水通道,各出水槽在对应外端面上的开口与金属试样表面配合构成所述的冷却水通道出水孔。所述的夹槽为V形槽,在V形槽的两槽壁面上分别开设有所述的出水槽,各出水槽围绕金属试样表面均匀分布。所述的各夹块采用铜或铜合金制成。所述冷却水通道出水孔的截面积沿出水方向逐渐增大。还包括用于连接各夹块中冷却水通道的冷却水分水装置,该分水装置具有一个进水口和相对于进水口均匀分布的四个分水口,各分水口通过软管与各夹块的冷却水通道进水通道相连。所述的分水装置为空心圆盘结构,所述的进水口设于该分水装置的一端端面中心,所述的分水口围绕圆盘中心均匀布设于另一端端面上,在分水装置内呈辐射状均布有连通进水口与各分水口的分水通道。本发明采用在夹具座的夹块中开设冷却水通道,且冷却水通道中的出水通道设有靠近金属试样表面并沿平行于金属试样表面喷射冷却水的出水孔,从而当HAZ试样过程中需要对金属试样进行快速冷却时,可以控制冷却水从夹持在金属试样两端的夹块中沿平行于金属试样表面的方向相向均匀喷射到金属试样表面上,在保证金属试样迅速被冷却的同时避免了冷却水冲击力对金属试样产生的影响,从而克服了现有技术中采用喷头沿垂直或倾斜朝向金属试样表面方向喷射冷却水对高温金属试样进行急冷造成HAZ金属试样被喷断或冲变形的缺陷,可广泛应用于现有热模拟试验机中,有效的提高了金属材料热模拟试验的精度和成功率。
附图说明
图1为现有Gleeble系列热力物理模拟实验机夹持装置的结构示意图;图2为本发明中试验工装的局部结构示意图;图3为本发明的试验工装中夹块具体实施例一的结构示意图;图4为图3中的A-A竖向剖视图;图5为本发明的试验工装中夹块具体实施例二的结构示意图;图6为图5中的B-B竖向剖视图;图7为本发明的试验工装中夹块具体实施例三的结构示意图;图8为图7中的C-C竖向剖视图;图9为本发明的试验工装中夹块具体实施例四的结构示意图;图10为图9中的D-D竖向剖视图;图11为本发明中分水装置的结构示意图;图12为图11的左视图。
具体实施方式
实施例一:本发明主要是在现有金属热模拟物理试验机的基础上对用于HAZ试验的金属材料夹持装置进行的改进。如图2所示,这种用于HAZ试验的金属材料夹持装置包括相对间隔设置的两夹具座1、2,两夹具座1、2中分别设有一对相对配合用于夹持在金属试样对应端部的夹块3,由于用于进行金属材料HAZ试验时使用的金属试样基本为横截面是正方形的矩形体结构,因此本实施例中,其在两夹具座1、2中相对配合的两夹块3的相对面上分别开设的用于夹持金属试样的夹槽为V形槽5,该V形槽5的两槽壁面5-1、5-2相互垂直构成夹块3的两夹持面,两相对配合的夹块3上的V形槽5围成与金属试样截面形状相当的正方形结构。本发明是在各夹块3中分别开设有冷却水通道4。该冷却水通道4具有一个开设于对应夹块3中的进水通道40及用于靠近金属试样表面的出水通道,各出水通道在对应夹块3朝向另一夹具座的外端面31上设有朝向另一夹具座的出水孔。本实施例中,如图3、图4所示,该冷却水通道4的进水通道40由垂直开设于对应夹块3顶面上的盲孔构成,同时,其在各夹块3的V形槽5的两槽壁面5-1、5-2上分别开设有与V形槽5延伸方向平行的出水槽42且该两出水槽42相对于V形槽5对称分布,两出水槽42均为弧形槽,两出水槽42位于V形槽5中部的内端分别通过对应开设的连通孔41与夹块3的冷却水进水通道40连通,两出水槽42的外端与V形槽5同向延伸至对应夹块3朝向另一夹具座的外端面31上形成弧形的开口,其当金属试样被夹持在相对两夹块3的V形槽5中后,V形槽5的两槽壁面5-1、5-2分别与金属试样的表面贴合,使V形槽两槽壁5-1、5-2上的出水槽42与夹持的金属试样的外表面配合构成冷却水通道4的两个出水通道,而两出水槽42位于对应夹块3外端面31上的开口与金属试样表面组成相应出水通道的出水孔。在两夹具座1、2上相对配合的两夹块3分别对应金属试样的四个表面共设有四个出水槽42,各出水槽42围绕金属试样表面均匀布设,使得金属试样的四个侧面均相对设有两个出水孔,其在HAZ试验过程中对高温金属试样进行冷却时,冷却水从金属试样两端相向流动至金属试样表面的中部,从而均匀的包围金属试样,避免了冷却水将高温金属试样冲断或冲变形的缺陷,同时,其不仅提高了金属试样与冷却水的接触面积,加快金属试样的冷却速度,而且使金属试样的各部分得到均匀的降温,避免金属试样因表面冷却速度影响试验精度,使之能够达到HAZ试验要求的快速冷却目的。试验时,第一步先将金属试样的两端分别通过两夹具座1、2上的夹块3夹持固定金属试样的各表面分别与夹块3中V形槽5的两侧槽壁5-1、5-2对应贴合,第二步,通过温控装置对金属试样进行加温,将金属试样加温到HAZ试验要求的温度,第三步,加温停止后,通过设置于对应夹具座1、2中的冷却水通道沿平行于金属试样表面延伸方向喷射冷却水,使冷却水由金属试样的两端相向流动至金属试样的中部,从而使金属试样达到快速冷却的目的。平行于金属试样表面流出的冷却水流保证了高温金属试样不被冷却水冲断或冲变形,进而保证了HAZ试验的成功。本发明的试验工装中还设有一个用于连接各夹块3中的冷却水通道4的分水装置6,如图11、图12所示,该分水装置6为空心圆盘结构,其在一端的端面中心设有进水通道8,另一端的端面上围绕中心均匀布设有四个分水口7,分水装置6内呈辐射状均布有连通进水口8与各分水口7的分水通道9。使用时,冷却水先通过管道进入分水装置的进水通道8中,然后经分水装置内的分水通道9经各分水口7分别通入夹块3的冷却水通道4中,由于各夹块3为可动部件,因此具体使用时连接在分水装置分水口7与各夹块3进水口40之间的管道采用软管。冷却水通过分水装置被均分为四等分可以进一步的保证各夹块3中流过的冷却水均衡,提高该试验工装的冷却能力。实施例二:本实施例二与实施例一的不同之处在于各夹块3上开设的出水槽42与进水通道40之间的连通结构,如图5、图6所示,在V形槽5中部的槽底开设有一个与冷却水通道进水口40连通的连通孔41,位于V形槽两槽壁面5-1、5-2上的两出水槽42通过对应设置的连接槽43与该连通孔41连接,该两连接槽43与对应的出水槽42同时与金属试样的表面配合共同组成冷却水通道4的出水通道。实施例三:本实施例三与实施例一的不同之处在于各夹块3上开设的出水槽42的结构,如图7、图8所示,各夹块3上开设的两出水槽42的截面在水流方向上逐渐增大,以便使冷却水在流出时逐渐减速,一方面可以减小冷却水在金属试样中部相遇时对试样的冲击力,另一方面还可以延长冷却水与金属试样之间的接触时间,实现冷却水的充分利用,减速水资源的浪费。实施例四:本实施例四与实施例二的不同之处在于各夹块3上开设的出水槽42的结构,如图9、图10所示,各夹块3上开设的两出水槽42的截面在水流方向上逐渐增大。本发明不局限于上述实施例,各夹块中的冷却水通道的出水口也可以开设于靠近其V形槽两侧槽壁处,其出口的形状可以为圆形、椭圆形或扁宽的条形等形状;两夹具座之间位于同侧的两夹块上的出水口可以相对设置也可以在金属试样的宽度方向上错开设置,其也可以在金属试样长度方向上错开一定的角度,从而使冷却水斜向流过金属试样的表面;各夹块3上夹槽的形状随金属试样截面形状而变化,其可以为矩形、圆弧形等形状;上述各种等效变形的技术方案均在本发明的保护范围之内。