CN111398061B - 一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体公开了一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，包括提取实际传动结构的实际焊接参数；建立仿真模型；基于仿真模型，分别制作第一样件和第二样件，第一样件包括圆柱形的第一焊接段和正棱柱形的第一装夹段，第二样件包括圆柱形的第二焊接段和正棱柱形的第二装夹段；装配第一样件和第二样件，通过实际焊接工艺焊接待焊接焊缝并形成测试焊缝；制作装夹夹具，装夹夹具包括能套接于第一装夹段的第一夹持件和能套接于第二装夹段的第二夹持件；将测试传动结构装夹至扭矩试验机并进行破坏扭矩测试。由于第一装夹段和第二装夹段的形状均为规则的正棱柱形状，从而第一夹持件和第二夹持件的结构设计简单，可有效降低成本。

Description

一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法。

背景技术

在汽车传动***零部件设计与制造中，焊接是实现两个零部件间可靠连接的一种最常见工艺方法。在产品结构设计合理且满足相关制造工艺要求的前提下，圆形轴向套接式连接结构由于具有设计简便、制造精度易于保证、便于布置等优点，常见于柔性盘与花键毂、离合器壳体与轴毂、变速器齿轮与结合齿以及小型差速器壳体与从动齿轮等零部件间的焊接制造中，通过焊接使两个部件形成传动结构，以进行扭矩传递和动力传输。

传动结构焊缝的最大承载扭矩作为非常重要的设计输入条件之一，可最大程度地提升产品设计精准度。而在实际产品设计过程中，焊缝分布及强度设计大都依托同类产品的对标、理论计算、模拟分析等相关信息确定。而实际样件的焊缝强度除了受上述设计因素决定外，还受到各种焊接工艺参数的影响，为了保证焊后样件整体结构的安全性，在产品设计计算时选定的安全系数都比较大，因而制造的样件一般都存在过强设计的现象。在一般情况下，过强设计都伴随着制造成本的增加。

因此，为了消除过强设计，需要对实际样件进行破坏扭矩测试，以获取实际样件焊缝的最大承载扭矩。但是，一方面，受制于产品结构形式的影响，实际样件通常结构复杂，且形状不规则，若采用实际样件进行破坏扭矩测试，就需要设计和制造出与实际样件形状相匹配的、结构较为复杂的破坏扭转测试夹具，这将导致测试成本和难度的同时增加。另一方面，采用实际样件进行焊缝破坏扭矩的测试过程中，受制于焊后零件的形状、刚度等多种因素的影响，最先发生破坏的位置往往在非焊接区域，这使得样件焊缝的破坏扭矩测试，无法获取准确的最大承载扭矩。

因此急需开发出一种新的焊缝破坏扭矩测试方法，解决汽车传动结构圆形轴向套接焊缝破坏扭矩无法准确获取的问题，同时还可提升产品设计的精准度，减少过强设计，助力于生产过程降成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，以解决相关技术中采用实际样件进行破坏扭矩测试，受制于焊后零件的形状、刚度等多种因素的影响，需要配套复杂的扭矩测试夹具，导致测试成本和测试难度较大的问题。

本发明提供一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，该圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法包括：

S10：提取实际传动结构的实际焊接参数；

所述实际传动结构包括第一工件和第二工件，所述第一工件套接于所述第二工件，且所述第一工件与所述第二工件间通过焊接形成圆形的实际焊缝，所述实际焊接参数为所述实际焊缝的实际半径、所述实际焊缝的实际深度，以及焊接所述实际焊缝的实际焊接工艺；

S20：建立仿真模型；

所述仿真模型包括第一样件的几何模型和第二样件的几何模型，所述第一样件包括呈圆柱形的第一焊接段以及呈正棱柱形的第一装夹段，所述第一焊接段的中心线与所述第一装夹段的中心线重合，所述第二样件包括呈圆柱形的第二焊接段以及呈正棱柱形的第二装夹段，所述第二焊接段的中心线与所述第二装夹段的中心线重合，所述第一焊接段上设有圆柱形的安装槽，所述第二焊接段能够***所述安装槽；

S30：基于所述仿真模型，分别制作所述第一样件和所述第二样件；

S40：装配所述第一样件和所述第二样件；

将所述第二样件的所述第二焊接段***所述第一样件的所述安装槽，且所述第二焊接段的外周面与所述安装槽的内壁之间形成待焊接焊缝；

S50：通过所述实际焊接工艺焊接所述待焊接焊缝并形成测试焊缝；

所述第一样件和所述第二样件焊接后得到测试传动结构，所述测试焊缝的半径等于所述实际半径，所述测试焊缝的深度等于所述实际深度；

S60：制作装夹夹具；

所述装夹夹具包括第一夹持件和第二夹持件，所述第一夹持件能套接于所述第一装夹段，且能限制所述第一样件沿所述第一焊接段的圆周方向转动，所述第二夹持件能套接于所述第二装夹段且能限制所述第二样件沿所述第二焊接段的圆周方向转动；

S70：将所述测试传动结构装夹至扭矩试验机并进行破坏扭矩测试；

所述扭矩试验机包括固定设置的固定端和能够转动的转动端，将所述第一夹持件夹紧于所述转动端；将所述第二夹持件夹紧于所述固定端；将所述第一夹持件套接于所述第一装夹段；将所述第二夹持件套接于所述第二装夹段；使所述转动端以预设角速度旋转，并直至所述测试焊缝被破坏时停止；采集所述测试焊缝被破坏时所述转动端输出的扭矩值作为所述实际传动结构的所述实际焊缝的最大承载扭矩。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第一夹持件和所述第二夹持件均采用中碳调制钢材质制成。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述转动端设有第一插槽，所述第一夹持件插接于所述第一插槽，所述第一夹持件的外轮廓以及所述第一插槽的轮廓均呈正棱柱形，所述固定端设有第二插槽，所述第二夹持件插接于所述第二插槽，所述第二夹持件的外轮廓以及所述第二插槽的轮廓均呈正棱柱形。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述预设角速度为1°/min～30°/min。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第二样件还包括圆台，所述圆台设置于所述第二焊接段远离所述第二装夹段的一端，且所述圆台与所述第二焊接段同轴心设置，所述圆台和所述第二焊接段同时***所述安装槽；

所述圆台的外周面与所述安装槽的内周面之间的间距为W，1mm≤W≤3mm。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第二焊接段的外接圆直径为D1，所述安装槽的内径为D2，D1＝D2。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第一焊接段的外径为D3，D2+5mm≤D3≤D2+10mm。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第一装夹段邻近所述第一焊接段的一侧的外周面上凸设有环形的台阶，所述台阶的直径的为D4，D2-5mm≤D4≤D2。

作为圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的优选技术方案，所述第一装夹段的外接圆直径D5，D4-5mm≤D5≤D4。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，该圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法包括：提取实际传动结构的实际焊接参数；建立仿真模型；基于仿真模型，分别制作第一样件和第二样件，第一样件包括呈圆柱形的第一焊接段以及呈正棱柱形的第一装夹段，第二样件包括呈圆柱形的第二焊接段以及呈正棱柱形的第二装夹段；装配第一样件和第二样件，通过实际焊接工艺焊接待焊接焊缝并形成测试焊缝，测试焊缝的半径等于实际焊缝的实际半径，测试焊缝的深度等于实际焊缝的实际深度，从而测试焊缝与实际焊缝的焊接参数相同；制作装夹夹具，装夹夹具包括第一夹持件和第二夹持件，第一夹持件能套接于第一装夹段，第二夹持件能套接于第二装夹段，将测试传动结构装夹至扭矩试验机并进行破坏扭矩测试。由于第一装夹段和第二装夹段的形状均为规则的正棱柱形状，从而第一夹持件和第二夹持件的结构设计简单，可有效降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例中圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法的示意图；

图2为本发明实施例中第一样件的结构示意图；

图3为本发明实施例中第二样件的结构示意图；

图4为本发明实施例中测试传动结构的结构示意图；

图5为本发明实施例中扭矩试验机、装夹夹具和测试传动结构的分解示意图一；

图6为本发明实施例中扭矩试验机、装夹夹具和测试传动结构的分解示意图二。

图中：

10、测试传动结构；

1、第一样件；11、第一焊接段；111、安装槽；12、第一装夹段；13、台阶；

2、第二样件；21、第二焊接段；22、第二装夹段；23、圆台；

3、第一夹持件；

4、第二夹持件；

5、扭矩试验机；51、转动端；52、固定端；53、滑轨；54、电机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1，本实施例提供一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，该圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法具体用于间接测试实际传动结构的实际焊缝的最大承载扭矩，有助于提升实际传动结构的设计精准度。实际传动结构包括第一工件和第二工件，第一工件套接于第二工件，相关技术中，第一工件和第二工件通常结构复杂，且形状不规则，直接对实际传动结构的实际焊缝进行测试时，需要设计复杂的夹具，将导致成本增加，同时，实际测试过程中，最先发生破坏的位置往往在非焊接区域，从而无法获取准确的最大承载扭矩。

本实施例中，实际传动结构以变速器齿轮焊接总成为例。第一工件为结合齿，第二工件为变速器齿轮，其制造材质均为16MnCr5H钢。

本实施例提供的该圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法则能够充分解决上述问题，该圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法包括S10～S70，具体如下。

S10：提取实际传动结构的实际焊接参数。

实际焊接参数为实际焊缝的实际半径、实际焊缝的实际深度，以及焊接实际焊缝的实际焊接工艺。

S20：建立仿真模型。

仿真模型包括第一样件1的几何模型和第二样件2的几何模型。其中，第一样件1包括呈圆柱形的第一焊接段11以及呈正棱柱形的第一装夹段12，第一焊接段11的中心线与第一装夹段12的中心线重合。如图2至图4所示，第二样件2包括呈圆柱形的第二焊接段21以及呈正棱柱形的第二装夹段22，第二焊接段21的中心线与第二装夹段22的中心线重合。其中，本实施例示例性地给出了第一装夹段12呈正五棱柱形的方案，第二装夹段22呈正十棱柱形的方案。

第一焊接段11上设有圆柱形的安装槽111，第二焊接段21能够***安装槽111。

S30：基于仿真模型，分别制作第一样件1和第二样件2。

可通过CNC工艺加工第一样件1和第二样件2。优选地，第一样件1的材质与第一工件的材质相同，第二样件2的材质与第二工件的材质相同。本实施例中，第一样件1、第二样件2的制造材质均为16MnCr5H钢。

S40：装配第一样件1和第二样件2。

可通过压装等工艺将第二样件2的第二焊接段21***第一样件1的安装槽111，且第二焊接段21的外周面与安装槽111的内壁之间形成待焊接焊缝。

S50：通过实际焊接工艺焊接待焊接焊缝并形成测试焊缝；

第一样件1和第二样件2焊接后得到测试传动结构10，测试焊缝的半径等于实际半径，测试焊缝的深度等于实际深度。

焊接工艺为激光焊、电子束焊中的一种，具体可依据第一工件和第二工件所要求采用的焊接工艺，选择与其一致的即可。本实施例中，变速器齿轮焊接总成采用电子束焊，从而，焊接待焊接焊缝时也采用电子束焊。

测试焊缝的半径等于实际焊缝的实际半径，测试焊缝的深度等于实际焊缝的实际深度。本实施例中，测试焊缝的深度为3.5mm。

可选地，第二样件2还包括圆台23，圆台23设置于第二焊接段21远离第二装夹段22的一端，且圆台23与第二焊接段21同轴心设置，圆台23和第二焊接段21同时***安装槽111；圆台23的外周面与安装槽111的内周面之间的间距为W，1mm≤W≤3mm。本实施例中，圆台23的外周面与安装槽111的内周面之间的间距具体为1mm。

第二焊接段21的外接圆直径为D1，安装槽111的内径为D2，D1＝D2，且其配合形式为H7/n6，并与要求和变速器齿轮焊接总成中结合齿、变速器齿轮间的配合形式与要求相同。第一焊接段11的外径为D3，D2+5mm≤D3≤D2+10mm。第一装夹段12邻近第一焊接段11的一侧的外周面上凸设有环形的台阶13，台阶13的直径的为D4，长度为L，D2-5mm≤D4≤D2。第一装夹段12的外接圆直径D5，D4-5mm≤D5≤D4。具体地，本实施例中，D1＝60mm；D2＝60mm；D3＝70mm；D4＝60mm；L＝10mm；D5＝55mm。如此设置，保证测试焊缝圆周方向的外侧的实体结构较薄，能够保证在破坏扭矩测试时，测试焊缝优先被破坏，以便于获得准确的测试结果。

需要注意的是，本实施例中，实际传动结构在焊接后还要进行热处理，从而，焊接后得到的测试传动结构10同样按照实际传动结构的热处理要求进行热处理。

S60：制作装夹夹具。

装夹夹具包括第一夹持件3和第二夹持件4，第一夹持件3能套接于第一装夹段12，且能限制第一样件1沿第一焊接段11的圆周方向转动，第二夹持件4能套接于第二装夹段22且能限制第二样件2沿第二焊接段21的圆周方向转动。第一夹持件3和第二夹持件4的制造材料均选择中碳调制钢。

具体地，第一夹持件3上设有正五棱柱形的孔，可套接于第一样件1的第一装夹段12，并且两者形状匹配，间隙量控制在0.2mm～0.5mm。第二夹持件4上设有正十棱柱形的孔，可套接于第二样件2的第二装夹段22，并且两者形状匹配，间隙量控制在0.2mm～0.5mm。

由于本实施例中第一样件1和第二样件2仅具有第一工件和第二工件中实际焊缝的实际焊接参数，从而能够保证其形状规则，进而可大大降低装夹夹具的设计难度，有利于降低成本。

S70：将测试传动结构10装夹至扭矩试验机5并进行破坏扭矩测试；

如图5和图6所示，扭矩试验机5包括固定设置的固定端52和能够转动的转动端51，将第一夹持件3夹紧于转动端51；将第二夹持件4夹紧于固定端52；将第一夹持件3套接于第一装夹段12；将第二夹持件4套接于第二装夹段22；使转动端51以预设角速度旋转，并直至测试焊缝被破坏时停止；采集测试焊缝被破坏时转动端51输出的扭矩值作为实际传动结构的实际焊缝的最大承载扭矩。

其中，转动端51通过电机54驱动转动，可顺时针亦可逆时针方向转动。预设角速度优选为1°/min～30°/min。具体地，本实施例中，转动端51以30°/min的角速度转动。

可选地，该扭矩试验机5还包括滑轨53，滑轨53固定于地面，转动端51可沿滑轨53滑动，固定端52固定于滑轨53上。从而便于通过移动转动端51以将第一夹持件3、测试传动结构10、第二夹持件4以将固定端52沿轴向夹紧。

可选地，转动端51设有第一插槽，第一夹持件3插接于第一插槽，第一夹持件3的外轮廓以及第一插槽的轮廓均呈正棱柱形，固定端52设有第二插槽，第二夹持件4插接于第二插槽，第二夹持件4的外轮廓以及第二插槽的轮廓均呈正棱柱形。具体地，第一夹持件3和第二夹持件4的外轮廓均为正四棱柱形，第一插槽的轮廓和第二插槽的轮廓均呈正四棱柱形，从而，第一夹持件3与第一插槽的轮廓相匹配，第二夹持件4与第二插槽的轮廓相匹配并且两者形状匹配，转动端51可带动第一夹持件3同时转动，固定端52可限制第二夹持件4转动。本实施例中，第一夹持件3与第一插槽的间隙量控制在0.2mm～0.5mm，第二夹持件4与第二插槽的间隙量控制在0.2mm～0.5mm。

可选地，采集测试焊缝被破坏时转动端51输出的扭矩值可通过设置于电机54的输出轴上的扭矩传感器获取，电机54转动，可通过与电机54连接的控制器控制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，包括：

S10：提取实际传动结构的实际焊接参数；

所述实际传动结构包括第一工件和第二工件，所述第一工件套接于所述第二工件，且所述第一工件与所述第二工件间通过焊接形成圆形的实际焊缝，所述实际焊接参数为所述实际焊缝的实际半径、所述实际焊缝的实际深度，以及焊接所述实际焊缝的实际焊接工艺；

S20：建立仿真模型；

所述仿真模型包括第一样件(1)的几何模型和第二样件(2)的几何模型，所述第一样件(1)包括呈圆柱形的第一焊接段(11)以及呈正棱柱形的第一装夹段(12)，所述第一焊接段(11)的中心线与所述第一装夹段(12)的中心线重合，所述第二样件(2)包括呈圆柱形的第二焊接段(21)以及呈正棱柱形的第二装夹段(22)，所述第二焊接段(21)的中心线与所述第二装夹段(22)的中心线重合，所述第一焊接段(11)上设有圆柱形的安装槽(111)，所述第二焊接段(21)能够***所述安装槽(111)；所述第二样件(2)还包括圆台(23)，所述圆台(23)设置于所述第二焊接段(21)远离所述第二装夹段(22)的一端，且所述圆台(23)与所述第二焊接段(21)同轴心设置，所述圆台(23)和所述第二焊接段(21)同时***所述安装槽(111)；

S30：基于所述仿真模型，分别制作所述第一样件(1)和所述第二样件(2)；

S40：装配所述第一样件(1)和所述第二样件(2)；

将所述第二样件(2)的所述第二焊接段(21)***所述第一样件(1)的所述安装槽(111)，且所述第二焊接段(21)的外周面与所述安装槽(111)的内壁之间形成待焊接焊缝；

S50：通过所述实际焊接工艺焊接所述待焊接焊缝并形成测试焊缝；

所述第一样件(1)和所述第二样件(2)焊接后得到测试传动结构(10)，所述测试焊缝的半径等于所述实际半径，所述测试焊缝的深度等于所述实际深度；

S60：制作装夹夹具；

所述装夹夹具包括第一夹持件(3)和第二夹持件(4)，所述第一夹持件(3)能套接于所述第一装夹段(12)，且能限制所述第一样件(1)沿所述第一焊接段(11)的圆周方向转动，所述第二夹持件(4)能套接于所述第二装夹段(22)且能限制所述第二样件(2)沿所述第二焊接段(21)的圆周方向转动；

S70：将所述测试传动结构(10)装夹至扭矩试验机(5)并进行破坏扭矩测试；

所述扭矩试验机(5)包括固定设置的固定端(52)和能够转动的转动端(51)，将所述第一夹持件(3)夹紧于所述转动端(51)；将所述第二夹持件(4)夹紧于所述固定端(52)；将所述第一夹持件(3)套接于所述第一装夹段(12)；将所述第二夹持件(4)套接于所述第二装夹段(22)；使所述转动端(51)以预设角速度旋转，并直至所述测试焊缝被破坏时停止；采集所述测试焊缝被破坏时所述转动端(51)输出的扭矩值作为所述实际传动结构的所述实际焊缝的最大承载扭矩。

2.根据权利要求1所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述第一夹持件(3)和所述第二夹持件(4)均采用中碳调制钢材质制成。

3.根据权利要求1所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述转动端(51)设有第一插槽，所述第一夹持件(3)插接于所述第一插槽，所述第一夹持件(3)的外轮廓以及所述第一插槽的轮廓均呈正棱柱形，所述固定端(52)设有第二插槽，所述第二夹持件(4)插接于所述第二插槽，所述第二夹持件(4)的外轮廓以及所述第二插槽的轮廓均呈正棱柱形。

4.根据权利要求1所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述预设角速度为1°/min～30°/min。

5.根据权利要求1所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述圆台(23)的外周面与所述安装槽(111)的内周面之间的间距为W，1mm≤W≤3mm。

6.根据权利要求1所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述第二焊接段(21)的外接圆直径为D1，所述安装槽(111)的内径为D2，D1＝D2。

7.根据权利要求6所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述第一焊接段(11)的外径为D3，D2+5mm≤D3≤D2+10mm。

8.根据权利要求7所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述第一装夹段(12)邻近所述第一焊接段(11)的一侧的外周面上凸设有环形的台阶(13)，所述台阶(13)的直径的为D4，D2-5mm≤D4≤D2。

9.根据权利要求8所述的圆形轴向套接焊缝破坏扭矩测试方法，其特征在于，所述第一装夹段(12)的外接圆直径D5，D4-5mm≤D5≤D4。

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