淺談導向管脹接結(jié)構(gòu)強度試驗

郭斌斌， 范晨光， 代成棟

(西南交通大學力學與工程學院， 四川成都 610031)

脹接是根據(jù)金屬具有塑性變形的特點，依靠連接物在連接處內(nèi)外徑的微小偏差先把小的圓管放入比圓管外徑略大的孔內(nèi)，在圓管內(nèi)用專用脹管器把圓管伸到孔里的那一部分脹大使其外壁與被連接物的內(nèi)壁緊密連接并密封的方法[1]。脹接一般應(yīng)用于各換熱器中管子與管板的連接，具有生產(chǎn)工藝簡便、密封優(yōu)良等特點。脹接連接的機理是，脹管時將脹管器插入管子，管壁在其作用下直到發(fā)生塑性變形，管徑顯著增大。此時管孔在受到不斷增大的內(nèi)管外壁擠壓下，隨內(nèi)管的外壁發(fā)生彈性變形，其中也可能存在少量的塑性變形[2]。由于管子發(fā)生的是塑性變形，而管孔仍然處在彈性變形狀態(tài)，管子擴大后的管徑不能回復(fù)縮小成原來的狀態(tài)，而管板孔壁則會發(fā)生彈性恢復(fù)使自身孔徑變小(復(fù)原)，因此通過管板孔壁的彈性恢復(fù)效應(yīng)，管板與塑性變形后的管子緊緊地連接在一起。

導向管的內(nèi)管與外管之間同樣是采取脹接連接。管子與管子的連接也面臨管子與管板連接的問題，即接頭處的彈性變形產(chǎn)生的對管子的應(yīng)力，也就是兩管之間的徑向殘余壓應(yīng)力。此應(yīng)力的大小能真實的反應(yīng)接口的抗拉壓強度，但在制造工藝中卻很難控制這應(yīng)力的大小[3-5]。因此，本文對導向管脹接結(jié)構(gòu)的強度采取了試驗測量。

脹接對于焊接與螺紋連接等其他連接來說具有很鮮明的特點，焊接在臨近失效時，通常只有失效載荷而沒有一個特定的失效變形。對于焊接失效，在失效之前焊接件之間沒有明顯的永久變形，但是對于脹接則需要確定一個對應(yīng)于臨界荷載的許可變形。本試驗對導向管脹接結(jié)構(gòu)的失效強度及對應(yīng)位移進行測量，并研究了力與位移的關(guān)系。

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1.1　試驗內(nèi)容及參數(shù)

試驗內(nèi)容：

(1)雙層脹接試驗件室溫、高溫下的拉伸力-位移曲線、失效載荷。

(2)單層脹接試驗件室溫、高溫下的拉伸力-位移曲線、失效載荷。

(3)雙層脹接試驗件室溫、高溫下的壓縮力-位移曲線、失效載荷。

1.2　試驗材料及設(shè)備

試驗件包含兩種導向管：一種為內(nèi)徑為10.09 mm，一種為內(nèi)徑為11.45 mm。長度均為200 mm，內(nèi)管和外管之間分單層脹接和雙層脹接兩種。

關(guān)于試驗件的單層、雙層脹接(圖1)。

該試驗所需試驗設(shè)備如下：

電子萬能試驗機，電子引伸計，導向管夾具2套，配套螺絲若干，高溫爐以及相關(guān)的輔助設(shè)備，游標卡尺1個，螺旋測微器1個。

試驗裝置如圖2所示。試驗件通過專門設(shè)計的導向管夾具與試驗機加載端連接。拉、壓加載通過試驗機實現(xiàn)，加載力值通過試驗機自帶力傳感器測量，采用速度控制加載的方式，加載速率為0.5 mm/min。脹接處的相對位移采用引伸計測量。

圖2　試驗裝置

試驗的溫度通過熱電偶測量，如圖2所示熱電偶，分上中下三個布置于試驗段。

試驗分別在冷態(tài)室溫20℃±5℃和熱態(tài)330℃±5℃的情況下進行，試驗濕度為室溫正常濕度。

1.3　試驗方法

(1)對試驗件在試驗前的幾何參數(shù)進行測量，其中脹接直徑在0°和90°兩個方向上進行測量。

(2)將輔助夾具安裝到導向管試驗件上，再將試件與試驗機連接，且盡量保證試驗件與載荷軸對中，防止產(chǎn)生附加彎矩。

(3)試驗環(huán)境溫度(室溫或高溫)確認，是否滿足試驗要求。

(4)若為拉伸試驗，給試驗件施加20 N的預(yù)拉伸載荷，加載速度約為0.01 mm/min，然后卸載至載荷為0；安裝引伸計；給試驗件施加拉伸載荷，在過程中記錄試驗件編號以及載荷和位移的值，直至拉伸載荷下降。

(5)若為壓縮試驗，給試驗件施加60 N的壓縮載荷，加載速度約為0.01 mm/min；在熱態(tài)壓縮試驗時，由于高溫使得試驗件發(fā)生熱膨脹，在逐步升溫過程中調(diào)整試驗機的壓頭，從而減小升溫過程中所產(chǎn)生的預(yù)壓載荷，使試驗件預(yù)壓縮載荷維持在60 N；壓縮試驗所加預(yù)載荷之所以為60 N是由于壓縮試驗沒有夾具，為防止試驗件脫落故采用60 N預(yù)載荷；安裝引伸計；給試驗件施加壓縮載荷，在過程中記錄試驗件編號以及載荷和位移的值。

2　試驗結(jié)果及不確定度分析

2.1　試驗結(jié)果

由試驗機直接獲得試驗件強度及載荷-位移曲線。

如圖3、圖4所示，得到了雙層脹接的冷、熱態(tài)的拉伸與壓縮的失效載荷及對應(yīng)位移，單層脹接的冷、熱態(tài)拉伸的失效載荷及對應(yīng)位移。

圖4　壓縮試驗失效載荷及位移

選取其中具有代表性的曲線，如圖5所示，分別有雙層脹接冷態(tài)拉伸與壓縮曲線，雙層脹接熱態(tài)的拉伸與壓縮曲線，單層脹接的冷、熱態(tài)拉伸曲線。試驗件的位移以及載荷分別由引伸計以及試驗機的力傳感器直接測量得到，因此即可得到試驗件的位移與載荷特性曲線。由曲線最大的力得到試驗件的失效載荷，即圖5所示軸力最大點。

2.2　試驗結(jié)果的不確定度分析

不確定度的A類評定是指用測量數(shù)據(jù)列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度，亦稱A類不確定度評定[6]。對被測量X(標準值)，在重復(fù)性條件或復(fù)現(xiàn)性條件下進行n次獨立重復(fù)觀測，觀測值為xi(i=1,2,…,n)。

貝塞爾公式法:

觀測值xi(i=1,2,…,n)的算術(shù)平均值為：

(1)

由貝塞爾公式計算得到測量的試驗標準差：

(2)

(3)

分別以最大載荷以及最大載荷對應(yīng)的位移作為X，進行不確定度分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。試驗測得的失效載荷及其對應(yīng)的位移的不確定度均比較小，證明所測結(jié)果與真值很接近，分散性較小，結(jié)果是值得信賴的。

圖6　試件的失效載荷有效值不確定度分析

圖7　試件的失效位移有效值不確定度分析

3　結(jié)論

本試驗對導向管脹接試驗件在常溫環(huán)境和高溫環(huán)下開展了脹接強度試驗，得到如下結(jié)論：

(1)對于雙層脹接試驗件熱態(tài)的脹接強度低于冷態(tài)的脹接強度。

(2)在相同工況下，雙層導向管脹接試驗件的抗拉強度和抗壓強度非常接近。

(3)對于單層脹接試驗件，熱態(tài)的脹接強度低于冷態(tài)的脹接強度。

(4)在相同工況下，雙層脹接試驗件的抗拉強度要明顯高于單層脹接試驗件。