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與智能機器人全自動沖擊試驗 機系統,總結了兩種系統的優缺點。分別采用手動式沖擊試驗機與推桿式全自動沖擊試驗機對液 化天然氣儲罐用高錳鋼進行了一系列低溫沖擊試驗,結果表明:兩種試驗機獲得的沖擊吸收功無明 顯差異,但手動式沖擊試驗機測試結果的離散性較大。
關鍵詞:全自動沖擊試驗機;液化天然氣儲罐;高錳鋼;沖擊吸收功
中圖分類號:TG115 文獻標志碼: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,但因試樣的加工工藝簡單,且試驗時 間短,試驗數據對材料的組織結構、缺陷等敏感,夏 比沖擊試驗成為評價金屬材料沖擊韌性應用最廣泛 的傳統力學性能試驗方法之一[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 試驗機砧座上→手動控制試驗機完成放錘沖擊→記 錄沖擊試驗結果。傳統手動式沖擊試驗有以下幾個 特點。
(1)制冷方式多樣化,不僅可以采用物理法,還 可以采用機械法。前者選擇乙醇、汽油、烷烴等有機 溶劑為低溫介質,干冰、液氮等為冷卻劑,冷卻劑揮 發時吸收熱量,從而達到冷卻介質的效果,只要選擇 合適的介質與冷卻劑,就可以達到最低-140 ℃的 低溫環境;后者一般采用無水乙醇為介質,利用壓縮 機原理來制冷,該方法調節方便、制冷迅速、溫度穩 定性好,但一般最低只能達到-80 ℃的低溫環境。
(2)試樣數量靈活、尺寸規格多樣化。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,不可避免地會發生人為因素導 致部分試樣無法嚴格按照標準程序進行試驗的問 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果 的穩定性;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行對中不太精確;④ 人工記錄試驗結果時,無法完全避免登記錯誤。
隨著自動化、信息化、智能化技術的不斷發展, 近十幾年來,沖擊試驗方法發展很快,自動化沖擊試 驗機也越來越多地應用在鋼廠、檢測機構等領域。 筆者對目前市面上常見的兩類自動化沖擊試驗機進 行了對 比,并 分 析 其 優 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
推桿式全自動沖擊試驗機的工作原理為:將試 樣裝入可拆卸試樣架上,試驗機啟動后,自動送樣系 統的氣缸將試樣架上的試樣逐個推入低溫裝置內, 待試樣完成降溫、保溫后,由另外一組氣缸將試樣送 至試驗機砧座上,試驗機自動完成放擺沖擊,并記錄 試驗結果。整個試驗過程由微機發出指令,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 試驗機的優勢在于其冷卻系統。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 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,從而達到冷卻低溫室中試 樣的目的。這種結構設計可保證低溫室中溫度的穩 定性,由于采用的冷卻介質是空氣,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 卻劑最低可達到-180 ℃,配合液氮環境,能夠滿足 絕大部分材料的低溫沖擊試驗需求。
受結構設計與工作原理的制約,推桿式全自動沖 擊試驗機在使用過程中也常會發生如下一些問題[3-4]。
(1)容易出現試樣卡死現象。由于冷卻系統內 部濕度與環境濕度相同,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到試 樣表面,容易出現試樣黏連或者凍到低溫室內腔上的 問題,導致試樣被卡死,從而影響試驗的持續進行。
(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砧座上,為保證送 樣速度,避 免 送 樣 時 間 過 長 而 導 致 試 驗 過 程 超 過 5s,需要將氣缸調節到合適的壓力。如果氣缸壓力 不穩,或者調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掉樣現象。
(3)試樣精確定位難度增大。推桿式自動送樣 系統采 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 要嚴格很多;另一方面,如果試樣端面 上的毛刺、沖擊試驗機砧座上黏結的毛刺未被清除 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 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的容量要小很多;② 按照 GB/T229-2020標準的要求,如果采用氣體 方式進行冷卻,試樣在規定溫度下的保溫時間不低 于30 min,而 液 體 介 質 中 的 保 溫 時 間 只 要 大 于 5min即可。推桿式全自動沖擊試驗機溫度控制系 統如圖1所示。
2 智能機器人全自動沖擊試驗機
智能機器人全自動沖擊試驗機(見圖2)[3]是基 于視覺定位與多軸機器人來完成試樣的定位與送樣 的,可實現沖擊試驗全程無人值守。其工作原理為: 機器人自動夾取料框,再將料框放入低溫槽中進行冷 卻,完成冷卻和保溫后,通過機器人的視覺系統完成 試樣的定位、抓取與送樣,直至試驗機完成放擺沖擊。
智能機器人全自動沖擊試驗機相比于其他沖擊 試驗機有著明顯的優勢,具體如下所述。
(1)試驗效率高。機器人不會疲勞,也不會因 為人員休息、就餐等而中斷工作,只要擺放好試樣, 設定好程序,就可以連續作業直至所有試驗完成,工作效率要遠高于人工效率;另外,其低溫裝置一般為 低溫槽,每次保溫試樣的數量可以超過100件,也可 以由一套系統控制幾臺低溫槽,其試驗效率可遠高 于推桿式全自動沖擊試驗機。
(2)試驗數據的離散性小。張華偉[3]等的統計 結果表明,智能機器人全自動沖擊試驗機得到的沖 擊吸收能量分布區間更窄,離散程度更小,數據分布 比較集中。這是因為:① 基于機器人的視覺系統可 實現試樣的對中,能夠保證試樣在砧座上對中;② 工作中智能機器人不會疲勞,單個試樣的沖擊時間 基本恒定,這保證了試驗結果的穩定性與可靠性。
(3)智能機器人送樣可大幅減小操作人員的勞 動強度,能夠提高工作的安全性;另外,智能系統還 可實現試驗數據的自動采集與上傳,避免人員記錄 數據與上傳數據過程中出現錯誤。
目前,智能機器人全自動沖擊試驗機的冷卻系 統主要通過壓縮機制冷乙醇來實現,為保證視覺機 器人準確地完成沖擊試樣缺口的識別與對中,需要 保證冷卻介質的清澈和透明,一般試驗溫度不能低 于-80 ℃。智能機器人全自動沖擊試驗機更適合 應用于試樣數量比較多、試驗溫度比較統一、溫度要 求不低于-80 ℃的鋼廠中。
3 全自動沖擊試驗機在 LNG 儲罐用鋼上的 應用試驗
3.1 試驗方法
高錳奧氏體鋼具有價格低、低溫穩定性好、熱膨 脹系數低、低周疲勞性能優良等優點,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標準加工規格(長×寬× 高)為10mm×10mm×55mm 的沖擊試樣,分別 采用手動式沖擊試驗機與推桿式全自動沖擊試驗機 進行沖擊試驗,并對數據進行統計分析。
3.2 試驗結果與統計分析
由于冷卻方式不同,手動式沖擊試驗機可實現 的最低溫度為 -140 ℃,較難實現溫度為 -196~ -140 ℃(液氮浸泡);推桿式全自動沖擊試驗機可 實現 的 最 低 溫 度 為 -180 ℃,較 難 實 現 溫 度 為 -196~-180 ℃,但-196 ℃(液氮浸泡)可通過手 動送樣實現。兩種沖擊試驗機測試結果柱狀圖如圖 3所示。從測試結果可以得出以下結論。
(1)推 桿 式 全 自 動 試 驗 機 可 以 覆 蓋 室 溫 至 -180 ℃的所有溫度,配合手動式沖擊試驗機可實 現 -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,現有的試驗方法完全能夠滿足-163 ℃的使用 環境。將兩種沖擊方式相結合可實現 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 準 GB/T 229-2020對自動送樣試驗機的制備要求,且試驗 前認真打磨掉了試樣端部的毛刺,保障了全自動沖 擊試驗機試驗過程中試樣的對中性。由圖3可知, 在相同溫度條件下,兩種試驗機的測試結果無明顯 差異,但手動式沖擊試驗機測試結果的離散性略高 于全自動沖擊試驗機。因為人員的操作習慣不同、 放置試樣位置的偏差以及每次送樣時間的不確定會 影響手動式沖擊試驗結果。使用全自動沖擊試驗機 可消除因為人員操作不穩定導致的偏差,降低沖擊 試驗結果的離散性。
4 結語
推桿式和智能機器人全自動沖擊試驗機都具有明顯的優點,但也有自身的局限性。雖然推桿式全 自動沖擊試驗機的試驗效率較低,但是最低溫度可 達-180 ℃。該試驗機適用于材料的超低溫沖擊性 能評價;智能機器人全自動沖擊試驗機的工作效率 高,適用于批量大、溫度適中的鋼廠和第三方實驗 室。筆者在材料研發過程中,將推桿式全自動沖擊 試驗機與手動式沖擊試驗機配合使用,滿足了絕大 多數低溫沖擊試驗的要求。
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