一种高精度钢材批量标点机

张树养

(三钢闽光股份有限公司 质量计量部, 三明 365000)

2022年国内的钢产量已经突破108t，钢厂出厂检测、质检站检测、工程项目检测等环节都需要对钢材进行拉伸性能测试，而原始标距是钢材拉伸试验中必不可少的一个过程。行业内多数采用的是机械标点机进行标距，但机械标点机存在效率低、标距数据易失真、不满足GB/T 228.1—2010 《国家金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的要求等方面的问题。因此，对钢材进行拉伸试验时，需要一种更智能、效率更高的批量标点设备来替换老式机械标点机。

基于激光刻线和直线模组共同协调作用[1-4]，笔者研制出了批量试样金属表面标距设备，其目的在于克服现在拉伸试验过程中原始标距遇到的困难。

1 老式机械标点机存在的问题

标点机是钢材在进行拉伸试验前，在试样表面等间距刻出原始标距的一种设备(测试断后伸长率需要原始标距)[5]。现今的拉伸试验中，进行原始标距的设备多数为老式机械标点机(见图1)。

图1 老式机械标点机宏观形貌

1.1 效率低

测试人员需先将钢材试样按顺序地摆放在平台上，然后在标点机冲头下方对试样进行标点。将前面一根试样卸下后，再将下一根试样放上并进行打标，所有标点都需按顺序一根一根地进行，测试人员需将试样从打标平台搬上、卸下，不仅耗费体力，而且打标效率慢，不同规格试样的打标时间如图2所示。从图2可以看出：试样标点的速率约为20 s/根，尤其是在标距大规格试样时，不仅时间消耗更长，而且更耗费测试人员的体力。

图2 不同规格试样打标时间

1.2 数据容易失真

老式机械标点机的标点原理是：采用机械冲头对试样表面进行机械撞击，依据形成的“凹坑”进行标点。机械冲头是易损件，多次撞击后易磨损使打标距离发生偏差，导致试验数据失真。老式机械标点机的精度变化率随时间的变化趋势如图3所示，由图3可知：老式机械标点机在使用30 d后，其精度变化率已经超出了标准GB/T 228.1—2010的要求(≤1%)。

图3 精度变化率随时间的变化趋势

1.3 未能完全满足标准要求

老式机械标点机的机械冲头对试样表面机械撞击形成“凹坑”，对试样表面造成了机械损伤(见图4)，不满足GB/T 228.1—2010中“不得用引起过早断裂的缺口做标记”的要求。

图4 试样表面“凹坑”的宏观形貌

2 新型批量标点机

2.1 批量标点机结构及功能

图5为新型批量标点机的结构，其中：1为激光发生器，用于产生一定功率的激光光束；2为工控机，用于控制激光器的动作、移动机构在x轴和y轴方向上的移动；3为机构框架，用于支撑设备结构；4为y轴移动机构，用于带动激光头沿y轴移动；5为x轴移动机构，用于带动y轴移动机构沿x轴移动；6为激光头高度调节升降台，可以自动根据试样的直径来调节激光头与试样下车上表面的相对高度，使激光焦点始终处于需要操作的试样表面；7为激光头，是设备主要工作部分；8为试样小车，用于盛放、搬运试样。

图5 新型批量标点机的结构示意

2.2 操作步骤

新型批量标点机的具体操作步骤如下所述。

(1) 将需要进行标距操作的同规格试样放置在试样小车上，调整试样位置使其一端紧靠试样小车内壁，将试样小车推送至激光头的工作区域。

(2) 通过电脑输入试样相关参数(如钢种、规格、根数)，选择标距方案(每条线标距的距离)，调节激光头高度使激光聚焦于试样表面。

(3) 按下启动按钮开始刻线。

(4) 待所有试样均完成刻线操作后，设备指示灯闪烁提醒刻线完成。

(5) 将打标完成的试样移出，推到对应的拉伸试验机位置，更换试样小车，继续打标剩余试样。

3 新老标点机比较

3.1 提高效率

新型批量标点机采用激光刻线打标，用推车送样打标一次性可以打标约60根试样，打标完成后可用推车批量送至对应的试验机。老式机械标点机需手动一根一根地将试样搬运上打标平台，打标结束后再一根一根地将试样人工搬至试验机，新型批量标点机的效率比现有老式机械标点机至少提高6倍。

3.2 满足标准要求

新型批量标点机采用激光刻线技术在试样表面进行印记，深度仅约为0.02 mm(手动可以擦掉痕迹)，不会形成凹坑，保证试样表面标记符合GB/T 228.1—2010的要求(见图6)。

图6 新型批量标点机刻线外观

3.3 标点精度更准确

新型批量标点机采用激光刻线[6]，没有机械磨损，移动采用伺服电机控制，精度可达到0.05 mm,能有效地保证试验数据的准确性，同时还可以保持长久的精度稳定性(见图7)。

图7 新老标点机精度变化率随时间变化对比

3.4 适用性强

新型批量标点机既可以在实验室单独使用，也可以将推车送样改成轨道推车送样或AGV(自动引导小车)送样，实现从一端进入标距，标距结束后从另一端移出，全程无人的全自动化流水线操作。

4 结论

新型批量标点机利用激光高刻线精度和伺服电机的高精度(精度达0.001 mm)移动距离控制的特点，使设备在打标效率、精度控制上实现了大幅度提高，有效地改善了老式机械标点机现有的问题。