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

張 松, 陳長奎, 李劍峰

(1. 山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司, 德州 251100； 2. 上海申力試驗機(jī)有限公司, 上海 201411)

材料力學(xué)性能檢測是對鋼鐵材料的各種力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行測定的一項必不可少的工作。試驗所獲得的材料的強(qiáng)度、韌性等性能參數(shù)，對于工程設(shè)計應(yīng)用和材料研究都具有很重要的參考價值，較多場合是直接以試驗結(jié)果為使用依據(jù)的。

突發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情讓整個制造業(yè)遭遇不小的危機(jī)，鋼鐵行業(yè)是一個傳統(tǒng)但又非常特殊的行業(yè)，相關(guān)試驗室又是相對封閉和人員密集的工作場所，不論是日常生產(chǎn)還是在疫情陰霾下，試驗室檢測工作都面臨諸多風(fēng)險。如何讓試驗室利用先進(jìn)技術(shù)提高自動化檢測和抗風(fēng)險的能力，在特殊情況下也可以穩(wěn)定、高質(zhì)量、無人值守地開展檢測工作，值得業(yè)內(nèi)同行思考。

近年來隨著我國智能制造熱流的掀起，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)檢測系統(tǒng)已經(jīng)在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全流程的自動化。國內(nèi)一些大型鋼鐵企業(yè)的力學(xué)試驗室，依靠多套全自動拉伸試驗機(jī)(如圖1)每天可輕松完成1 000多件拉伸試樣的自動檢測。在疫情常態(tài)化的情況下，自動化技術(shù)在鋼鐵行業(yè)試驗室的運用，充分彰顯出快速復(fù)工復(fù)產(chǎn)的優(yōu)勢，危機(jī)下不需要多人值守的自動化試驗室，繪畫出智慧試驗室光明的未來。

1 鋼鐵企業(yè)常規(guī)力學(xué)性能檢驗項目及特點

要建設(shè)好一個自動化力學(xué)試驗室，必須要了解試驗室的檢測流程、特點，掌握當(dāng)前試驗機(jī)和自動化、智能化等最新技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

圖1 全自動電子拉伸試驗機(jī)Fig.1 Automatic electronic tensile test machine

1.1 鋼鐵企業(yè)常規(guī)力學(xué)性能檢驗項目

鋼鐵企業(yè)常規(guī)力學(xué)性能檢驗流程是先將樣坯加工成符合標(biāo)準(zhǔn)的試樣，然后按不同檢驗項目在相應(yīng)試驗機(jī)上進(jìn)行試驗，得出并上傳試驗結(jié)果，其主要檢驗項目和涉及設(shè)備見表1。

1.2 鋼鐵企業(yè)成品力學(xué)性能檢驗特點

鋼鐵企業(yè)成品力學(xué)性能的檢驗量大，設(shè)備要耐用；其產(chǎn)品規(guī)格相對集中、檢驗項目相對簡單，設(shè)備要專業(yè)化配置；檢驗周期緊，來樣不均勻，設(shè)備配置要有一定的富余量；對檢驗的精度要求相對較低，主要判斷產(chǎn)品是否合格。

表1 鋼鐵企業(yè)常規(guī)力學(xué)性能檢驗項目及設(shè)備Tab.1 Conventional mechanical properties inspection items and equipments of iron and steel enterprises

2 建設(shè)自動化力學(xué)檢測試驗室的關(guān)鍵技術(shù)

自動化、智能化建設(shè)適合于有流水線和具有重復(fù)性作業(yè)的企業(yè)，鋼鐵企業(yè)試驗室比較適合開展自動化項目的建設(shè)工作。要建設(shè)一個成功的自動化力學(xué)性能檢測試驗室，必須包含以下基本的關(guān)鍵技術(shù)：通過機(jī)械手實現(xiàn)試樣自動上、下料功能，試樣編號的自動識別，試樣傳送系統(tǒng)，全自動試樣加工，試樣自動收集保存等。國內(nèi)試驗機(jī)制造業(yè)通過近二十年的努力，試驗機(jī)產(chǎn)量和品種得到了快速發(fā)展，技術(shù)水平有了很大的提升，特別是滿足用戶個性化需求的各種試驗機(jī)發(fā)展很快，如全自動拉伸試驗機(jī)、全自動沖擊試驗機(jī)等，下面主要對這兩類在鋼鐵材料力學(xué)性能檢測中最主要、也是最常用的全自動試驗機(jī)進(jìn)行闡述。

2.1 全自動拉伸試驗機(jī)

試驗時試驗人員根據(jù)自動接收到的試驗順序等試驗要求，將經(jīng)過打標(biāo)的試樣用機(jī)械手放入試樣架內(nèi)或通過AGV(自動導(dǎo)引運輸)小車送達(dá)指定的位置→機(jī)械手根據(jù)預(yù)先在試驗程序上設(shè)置好的試樣位置抓取試樣→進(jìn)行試樣長度測量→進(jìn)行試樣平行部分位置對中測量→試樣橫截面尺寸測量(可取n次測量數(shù)據(jù)的最小值或者平均值等)→機(jī)械手將試樣放置到試驗機(jī)(見圖2)測試位置，在確保按平行段對中的情況下自動調(diào)用預(yù)定的試驗方法進(jìn)行試驗→試驗結(jié)束后機(jī)械手自動取下斷樣→自動分揀合格與不合格試樣→試驗數(shù)據(jù)自動保存并發(fā)送給上位機(jī)。

圖2 全自動電液伺服拉伸試驗機(jī)Fig.2 Fully automatic electro-hydraulic servo tensile test machine

下面介紹一下上海申力試驗機(jī)有限公司為滿足用戶個性化需求開發(fā)的全自動拉伸試驗機(jī)專項技術(shù)的運用實例：

(1) 帶全自動引伸計的電子拉伸試驗機(jī)的普及，特別是視頻引伸計的開發(fā)運用，加速了應(yīng)變硬化指數(shù)n值(需配置縱向激光引伸計)和塑性應(yīng)變比r值(需配置縱向激光引伸計+橫向視頻引伸計)等全自動測量技術(shù)的發(fā)展(見圖3)。視頻引伸計技術(shù)的運用也克服了由于試驗室在試樣加工過程中經(jīng)常產(chǎn)生的試樣平行部分加工尺寸偏長，因此試樣容易斷在引伸計標(biāo)距外或標(biāo)距附近難以準(zhǔn)確測量斷后伸長率的難題。

圖3 縱向引伸計+視頻橫向引伸計Fig.3 Longitudinal extensometer+video transverse extensometer

(2) 常規(guī)的全自動拉伸試驗機(jī)在試驗結(jié)束后，機(jī)械手自動取下斷樣→自動分揀合格與不合格試樣→機(jī)械手將斷樣扔到對應(yīng)的料筐里。但經(jīng)常會碰到有些重要的、異常的斷樣需要試驗室保留以備查驗等情況，傳統(tǒng)的模式是試驗室人員要等這一批次試驗全部完畢后再按編號在留樣筐里翻找拼接，這種方式原始繁瑣、效率低。現(xiàn)在斷樣收集專用料斗的配套設(shè)計(見圖4)，機(jī)械手可以按需按組收集需要保留的斷樣，大大方便了試樣留存工作。

圖4 帶斷樣回收裝置的全自動拉伸試驗機(jī)Fig.4 Fully automatic tensile test machine with broken material recovery device

(3) 許多鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的螺紋鋼或圓鋼，由于軋鋼工藝的需要，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是呈盤狀的，俗稱盤圓或盤螺。為了保證試樣可以正常地在拉伸試驗機(jī)上裝夾或保證試驗時的同軸度，此類產(chǎn)品在做拉伸試驗前，需要對帶有一定弧度的樣品進(jìn)行矯直處理。在GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》5.3.2.2款中也有規(guī)定，當(dāng)試料需要壓平或矯直時，壓平或矯直試料應(yīng)在冷狀態(tài)下進(jìn)行。

現(xiàn)在線材盤圓盤螺拉伸試樣矯直方法主要有3種，即手工敲打矯直、機(jī)械沖壓矯直、多次彎曲矯直等。

手工敲打矯直。人工用木錘、橡皮錘或銅錘等進(jìn)行敲擊達(dá)到矯直的目的。其缺點一是在敲擊過程中試樣容易反彈，安全性差；二是由于是人工敲擊，敲擊后的平直度相對較差，用引伸計測量時影響測量數(shù)據(jù)的真實性；三是敲擊點會對試樣產(chǎn)生局部加工硬化，性能檢測的均勻性相對較差，且影響程度不可控制；四是人工矯直的勞動強(qiáng)度高，工作效率低。

機(jī)械沖壓矯直。采用3點彎曲方式，用試樣下方放置行程限位的方式進(jìn)行沖壓矯直，勞動強(qiáng)度不高、工作效率高、矯直點有局部硬化現(xiàn)象、對試樣性能檢測數(shù)據(jù)有較大的影響。

多次彎曲矯直。采用類似軋鋼機(jī)軋輥的形式達(dá)到矯直的功能，此矯直方式有兩種：一是對壓方式，兩個壓輥相對安裝，產(chǎn)生擠壓彎曲。勞動強(qiáng)度低、工作效率高、矯直效果尚可、有硬化現(xiàn)象、對試驗數(shù)據(jù)有影響。二是采用多輪交叉安裝矯直方式，對試樣只產(chǎn)生彎曲作用，不產(chǎn)生擠壓力，勞動強(qiáng)度低、工作效率高、矯直效果良好、有輕微硬化現(xiàn)象、對性能的影響相對較小。

目前絕大部分試驗室都是采用人工矯直的方法，上海申力試驗機(jī)有限公司在常規(guī)全自動試驗機(jī)里配套開發(fā)的全自動盤條多輪交叉彎曲矯直系統(tǒng)(見圖5)，比較完美地避免了用其他方式矯直過程中缺陷的產(chǎn)生。

圖5 帶螺紋鋼自動矯直全自動拉伸試驗機(jī)Fig.5 Automatic straightening fully automatic tensile test machine with screw steel

對有一定弧度的盤條試樣進(jìn)行全自動機(jī)械矯直是全自動檢測發(fā)展的趨勢，其與通過人工矯直等方式檢測所得到的數(shù)據(jù)肯定會存在差異。山東永鋒鋼鐵試驗室聯(lián)合上海申力試驗機(jī)有限公司就這個問題開展了驗證試驗，驗證結(jié)果見表2。

由表2可知，人工矯直和全自動機(jī)械矯直的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率基本相同；屈服強(qiáng)度有10 MPa左右的差異，雖然在精度控制范圍之內(nèi)，但也需要進(jìn)行具體的分析，其性能差異與線材加熱溫度和冷卻速度不均勻等引起的材料組織差異、與螺紋鋼引伸計的裝夾方式等都有關(guān)系。

表2 人工矯直和機(jī)械矯直的拉伸性能測試結(jié)果對比Tab.2 Comparison of tensile properties test results between manual straightening and mechanical straightening

盤條產(chǎn)品在工程的使用過程中，終究還是要通過拉直或其他方式矯直后才可以使用，這就迫切需要在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議中統(tǒng)一檢測方法，否則新的檢測技術(shù)就無法發(fā)展。

2.2 全自動沖擊試驗機(jī)

十年前，國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)試驗室從國外引進(jìn)了推桿式全自動沖擊試驗機(jī)，之后國內(nèi)的試驗機(jī)廠家也仿制了這種類型的全自動沖擊試驗機(jī)。由于結(jié)構(gòu)上的原因,此類全自動沖擊試驗機(jī)在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生如下5種缺陷或問題。

(1) 沖擊試樣制冷裝置經(jīng)常會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，特別是制冷溫度越低，和環(huán)境溫差越大，結(jié)霜現(xiàn)象越嚴(yán)重，容易因結(jié)霜對推桿系統(tǒng)造成阻力，使得推送機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生卡死等狀況。

(2) 送樣過程中，沖擊試樣在試驗機(jī)砧座40 mm的跨距間容易掉樣。

(3) 試驗過程中，沖擊試樣機(jī)砧座上黏接的毛刺無法自動清除，影響試樣的定位精度。

(4) 在GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中8.2.2款規(guī)定：當(dāng)使用液體介質(zhì)冷卻試樣時，試樣應(yīng)在此溫度上保持至少5 min。當(dāng)使用氣體介質(zhì)冷卻試樣時，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持至少20 min。但此類全自動沖擊試驗機(jī)的冷卻方式是屬于氣體還是液體冷卻方式至今不明確，經(jīng)常造成甲乙雙方在保溫時間設(shè)定上有分歧。即將頒布實施的新版GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在修訂的過程中將此類的冷卻方式明確為氣體介質(zhì)冷卻，且試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保溫時間至少由20 min提高到30 min。

(5) 此類全自動沖擊試驗機(jī)在試驗過程中由于是采用端面定位方式，沖擊試樣的缺口對稱面至端部距離27.5 mm的長度尺寸公差的加工要求由±0.42 mm上升到±0.165 mm，為了這個加工尺寸公差的提高，就需要將原來的加工工藝進(jìn)行較大的改變，花費更長的加工時間。

以上的5種問題大大影響了鋼鐵企業(yè)在大生產(chǎn)檢驗中的沖擊試樣加工和試驗的工作效率，所以這種類型的全自動沖擊試驗機(jī)至今尚未實現(xiàn)普及應(yīng)用，或制冷送樣裝置被棄之不用。

上海申力試驗機(jī)有限公司新開發(fā)的全自動沖擊試驗機(jī)(見圖6)，完全克服了上述推桿式全自動沖擊試驗機(jī)的問題。試驗時試驗人員根據(jù)自動接收到的試驗順序、試驗溫度等試驗要求，將沖擊試樣通過機(jī)械手放置到可以按照指令自動制冷控制的低溫槽→達(dá)到規(guī)定溫度的保溫時間→沖擊試驗機(jī)自動取擺→機(jī)械手自動快速抓取轉(zhuǎn)移經(jīng)過冷卻后的試樣，通過對中系統(tǒng)送到指定位置→沖擊試驗機(jī)自動放擺沖擊→試驗機(jī)自動分揀合格與不合格試樣→試驗數(shù)據(jù)自動保存并發(fā)送給上位機(jī)。新開發(fā)的全自動沖擊試驗機(jī)完全符合新版GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)的各項要求，如試樣從冷卻裝置中移出至打斷的時間精確掌控，轉(zhuǎn)移裝置與試樣接觸部分應(yīng)與試樣一起冷卻等要求。

圖6 新型全自動沖擊試驗機(jī)Fig.6 A new type of automatic impact test machine

3 鋼鐵材料力學(xué)檢測自動化有待突破的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 激光引伸計、視頻引伸計、全自動引伸計、高低溫引伸計等主要配套件的國產(chǎn)化。

(2) 全自動彎曲試驗機(jī)和彎曲試驗結(jié)果的自動判定技術(shù)。

(3) 對沖擊和落錘試樣斷口的自動判定技術(shù)。

4 結(jié)束語

(1) 目前我國智慧試驗室的建設(shè)工作還處于初級階段，許多相關(guān)技術(shù)還不成熟，試驗室要根據(jù)自己擬突破的關(guān)鍵技術(shù)、根據(jù)現(xiàn)有場地和資金等情況，結(jié)合技術(shù)的發(fā)展來綜合考慮規(guī)劃。對于項目實施可能3 a(年)不見效、項目中新技術(shù)含量超過三分之一的項目，建議要慎重考慮，切忌盲目跟風(fēng)。

(2) 我國現(xiàn)在高端試驗機(jī)還是被歐美等國際品牌的試驗機(jī)公司所壟斷。部分國內(nèi)用戶的需求定位也不合理，造成資金和引進(jìn)設(shè)備的浪費，同時也阻礙了我國試驗機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

(3) 要積極倡導(dǎo)國內(nèi)相關(guān)試驗室與試驗設(shè)備制造企業(yè)合作開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，在高檔或?qū)Ｓ迷囼炘O(shè)備的研發(fā)制造方面取得重大突破，促進(jìn)試驗設(shè)備在自動化技術(shù)方面水平的提升，切實減少高檔試驗設(shè)備的進(jìn)口數(shù)量。