全自动试验技术助力复工复产彰显无人值守优势

2020-06-18陈长奎李剑峰

理化检验(物理分册) 2020年6期

张松, 陈长奎, 李剑峰

(1. 山东莱钢永锋钢铁有限公司, 德州 251100； 2. 上海申力试验机有限公司, 上海 201411)

材料力学性能检测是对钢铁材料的各种力学性能指标进行测定的一项必不可少的工作。试验所获得的材料的强度、韧性等性能参数，对于工程设计应用和材料研究都具有很重要的参考价值，较多场合是直接以试验结果为使用依据的。

突发的新型冠状病毒肺炎疫情让整个制造业遭遇不小的危机，钢铁行业是一个传统但又非常特殊的行业，相关试验室又是相对封闭和人员密集的工作场所，不论是日常生产还是在疫情阴霾下，试验室检测工作都面临诸多风险。如何让试验室利用先进技术提高自动化检测和抗风险的能力，在特殊情况下也可以稳定、高质量、无人值守地开展检测工作，值得业内同行思考。

近年来随着我国智能制造热流的掀起，国内钢铁企业检测系统已经在许多领域实现了全流程的自动化。国内一些大型钢铁企业的力学试验室，依靠多套全自动拉伸试验机(如图1)每天可轻松完成1 000多件拉伸试样的自动检测。在疫情常态化的情况下，自动化技术在钢铁行业试验室的运用，充分彰显出快速复工复产的优势，危机下不需要多人值守的自动化试验室，绘画出智慧试验室光明的未来。

1 钢铁企业常规力学性能检验项目及特点

要建设好一个自动化力学试验室，必须要了解试验室的检测流程、特点，掌握当前试验机和自动化、智能化等最新技术的发展状况。

图1 全自动电子拉伸试验机Fig.1 Automatic electronic tensile test machine

1.1 钢铁企业常规力学性能检验项目

钢铁企业常规力学性能检验流程是先将样坯加工成符合标准的试样，然后按不同检验项目在相应试验机上进行试验，得出并上传试验结果，其主要检验项目和涉及设备见表1。

1.2 钢铁企业成品力学性能检验特点

钢铁企业成品力学性能的检验量大，设备要耐用；其产品规格相对集中、检验项目相对简单，设备要专业化配置；检验周期紧，来样不均匀，设备配置要有一定的富余量；对检验的精度要求相对较低，主要判断产品是否合格。

表1 钢铁企业常规力学性能检验项目及设备Tab.1 Conventional mechanical properties inspection items and equipments of iron and steel enterprises

2 建设自动化力学检测试验室的关键技术

自动化、智能化建设适合于有流水线和具有重复性作业的企业，钢铁企业试验室比较适合开展自动化项目的建设工作。要建设一个成功的自动化力学性能检测试验室，必须包含以下基本的关键技术：通过机械手实现试样自动上、下料功能，试样编号的自动识别，试样传送系统，全自动试样加工，试样自动收集保存等。国内试验机制造业通过近二十年的努力，试验机产量和品种得到了快速发展，技术水平有了很大的提升，特别是满足用户个性化需求的各种试验机发展很快，如全自动拉伸试验机、全自动冲击试验机等，下面主要对这两类在钢铁材料力学性能检测中最主要、也是最常用的全自动试验机进行阐述。

2.1 全自动拉伸试验机

试验时试验人员根据自动接收到的试验顺序等试验要求，将经过打标的试样用机械手放入试样架内或通过AGV(自动导引运输)小车送达指定的位置→机械手根据预先在试验程序上设置好的试样位置抓取试样→进行试样长度测量→进行试样平行部分位置对中测量→试样横截面尺寸测量(可取n次测量数据的最小值或者平均值等)→机械手将试样放置到试验机(见图2)测试位置，在确保按平行段对中的情况下自动调用预定的试验方法进行试验→试验结束后机械手自动取下断样→自动分拣合格与不合格试样→试验数据自动保存并发送给上位机。

图2 全自动电液伺服拉伸试验机Fig.2 Fully automatic electro-hydraulic servo tensile test machine

下面介绍一下上海申力试验机有限公司为满足用户个性化需求开发的全自动拉伸试验机专项技术的运用实例：

(1) 带全自动引伸计的电子拉伸试验机的普及，特别是视频引伸计的开发运用，加速了应变硬化指数n值(需配置纵向激光引伸计)和塑性应变比r值(需配置纵向激光引伸计+横向视频引伸计)等全自动测量技术的发展(见图3)。视频引伸计技术的运用也克服了由于试验室在试样加工过程中经常产生的试样平行部分加工尺寸偏长，因此试样容易断在引伸计标距外或标距附近难以准确测量断后伸长率的难题。

图3 纵向引伸计+视频横向引伸计Fig.3 Longitudinal extensometer+video transverse extensometer

(2) 常规的全自动拉伸试验机在试验结束后，机械手自动取下断样→自动分拣合格与不合格试样→机械手将断样扔到对应的料筐里。但经常会碰到有些重要的、异常的断样需要试验室保留以备查验等情况，传统的模式是试验室人员要等这一批次试验全部完毕后再按编号在留样筐里翻找拼接，这种方式原始繁琐、效率低。现在断样收集专用料斗的配套设计(见图4)，机械手可以按需按组收集需要保留的断样，大大方便了试样留存工作。

图4 带断样回收装置的全自动拉伸试验机Fig.4 Fully automatic tensile test machine with broken material recovery device

(3) 许多钢铁企业生产的螺纹钢或圆钢，由于轧钢工艺的需要，生产出来的产品是呈盘状的，俗称盘圆或盘螺。为了保证试样可以正常地在拉伸试验机上装夹或保证试验时的同轴度，此类产品在做拉伸试验前，需要对带有一定弧度的样品进行矫直处理。在GB/T 2975—2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》5.3.2.2款中也有规定，当试料需要压平或矫直时，压平或矫直试料应在冷状态下进行。

现在线材盘圆盘螺拉伸试样矫直方法主要有3种，即手工敲打矫直、机械冲压矫直、多次弯曲矫直等。

手工敲打矫直。人工用木锤、橡皮锤或铜锤等进行敲击达到矫直的目的。其缺点一是在敲击过程中试样容易反弹，安全性差；二是由于是人工敲击，敲击后的平直度相对较差，用引伸计测量时影响测量数据的真实性；三是敲击点会对试样产生局部加工硬化，性能检测的均匀性相对较差，且影响程度不可控制；四是人工矫直的劳动强度高，工作效率低。

机械冲压矫直。采用3点弯曲方式，用试样下方放置行程限位的方式进行冲压矫直，劳动强度不高、工作效率高、矫直点有局部硬化现象、对试样性能检测数据有较大的影响。

多次弯曲矫直。采用类似轧钢机轧辊的形式达到矫直的功能，此矫直方式有两种：一是对压方式，两个压辊相对安装，产生挤压弯曲。劳动强度低、工作效率高、矫直效果尚可、有硬化现象、对试验数据有影响。二是采用多轮交叉安装矫直方式，对试样只产生弯曲作用，不产生挤压力，劳动强度低、工作效率高、矫直效果良好、有轻微硬化现象、对性能的影响相对较小。

目前绝大部分试验室都是采用人工矫直的方法，上海申力试验机有限公司在常规全自动试验机里配套开发的全自动盘条多轮交叉弯曲矫直系统(见图5)，比较完美地避免了用其他方式矫直过程中缺陷的产生。

图5 带螺纹钢自动矫直全自动拉伸试验机Fig.5 Automatic straightening fully automatic tensile test machine with screw steel

对有一定弧度的盘条试样进行全自动机械矫直是全自动检测发展的趋势，其与通过人工矫直等方式检测所得到的数据肯定会存在差异。山东永锋钢铁试验室联合上海申力试验机有限公司就这个问题开展了验证试验，验证结果见表2。

由表2可知，人工矫直和全自动机械矫直的抗拉强度和断后伸长率基本相同；屈服强度有10 MPa左右的差异，虽然在精度控制范围之内，但也需要进行具体的分析，其性能差异与线材加热温度和冷却速度不均匀等引起的材料组织差异、与螺纹钢引伸计的装夹方式等都有关系。

表2 人工矫直和机械矫直的拉伸性能测试结果对比Tab.2 Comparison of tensile properties test results between manual straightening and mechanical straightening

盘条产品在工程的使用过程中，终究还是要通过拉直或其他方式矫直后才可以使用，这就迫切需要在产品标准或技术协议中统一检测方法，否则新的检测技术就无法发展。

2.2 全自动冲击试验机

十年前，国内部分钢铁企业试验室从国外引进了推杆式全自动冲击试验机，之后国内的试验机厂家也仿制了这种类型的全自动冲击试验机。由于结构上的原因,此类全自动冲击试验机在使用过程中经常会发生如下5种缺陷或问题。

(1) 冲击试样制冷装置经常会产生结霜现象，特别是制冷温度越低，和环境温差越大，结霜现象越严重，容易因结霜对推杆系统造成阻力，使得推送机构经常发生卡死等状况。

(2) 送样过程中，冲击试样在试验机砧座40 mm的跨距间容易掉样。

(3) 试验过程中，冲击试样机砧座上黏接的毛刺无法自动清除，影响试样的定位精度。

(4) 在GB/T 229—2007 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准中8.2.2款规定：当使用液体介质冷却试样时，试样应在此温度上保持至少5 min。当使用气体介质冷却试样时，试样应在规定温度下保持至少20 min。但此类全自动冲击试验机的冷却方式是属于气体还是液体冷却方式至今不明确，经常造成甲乙双方在保温时间设定上有分歧。即将颁布实施的新版GB/T 229标准，已经在修订的过程中将此类的冷却方式明确为气体介质冷却，且试样应在规定温度下保温时间至少由20 min提高到30 min。

(5) 此类全自动冲击试验机在试验过程中由于是采用端面定位方式，冲击试样的缺口对称面至端部距离27.5 mm的长度尺寸公差的加工要求由±0.42 mm上升到±0.165 mm，为了这个加工尺寸公差的提高，就需要将原来的加工工艺进行较大的改变，花费更长的加工时间。

以上的5种问题大大影响了钢铁企业在大生产检验中的冲击试样加工和试验的工作效率，所以这种类型的全自动冲击试验机至今尚未实现普及应用，或制冷送样装置被弃之不用。

上海申力试验机有限公司新开发的全自动冲击试验机(见图6)，完全克服了上述推杆式全自动冲击试验机的问题。试验时试验人员根据自动接收到的试验顺序、试验温度等试验要求，将冲击试样通过机械手放置到可以按照指令自动制冷控制的低温槽→达到规定温度的保温时间→冲击试验机自动取摆→机械手自动快速抓取转移经过冷却后的试样，通过对中系统送到指定位置→冲击试验机自动放摆冲击→试验机自动分拣合格与不合格试样→试验数据自动保存并发送给上位机。新开发的全自动冲击试验机完全符合新版GB/T 229标准的各项要求，如试样从冷却装置中移出至打断的时间精确掌控，转移装置与试样接触部分应与试样一起冷却等要求。