Digital billed korrelation bruges i udmattelses tests på en resonans test maskine til at detektere makroskopiske revner og overvåge revnedannelse i svejsede prøver. Revner på prøveoverfladen bliver synlige som øgede stammer.
En procedure ved hjælp af digital billed korrelation (DIC) til påvisning af revner på svejsede prøver under udmattelses tests på resonans test maskiner præsenteres. Det er tænkt som en praktisk og reproducerbar procedure til at identificere makroskopiske revner på et tidligt stadium og overvåge crack formering under træthed tests. Den består af måling af stamme felter ved svejsningen med DIC. Billeder tages ved faste belastnings cyklus intervaller. Revner bliver synlige i den beregnede stamme felt som forhøjede stammer. På denne måde kan hele bredden af en lille enhed overvåges for at opdage, hvor og hvornår en revne indleder. Efterfølgende er det muligt at overvåge udviklingen af revnen længde. Fordi de resulterende billeder er gemt, resultaterne er verificerbare og sammenlignelige. Proceduren er begrænset til revner, der starter ved overfladen og er beregnet til udmattelses tests under laboratorieforhold. Ved at visualisere revnen, den præsenterede procedure tillader direkte observation af makrorevner fra deres dannelse indtil brud af prøven.
Svejsninger er særligt tilbøjelige til træthed skader. Deres træthed egenskaber er almindeligt bestemmes på små måleenheder, der kan testes effektivt. Under testene påføres en cyklisk belastning. Til sidst en revne vil indlede og vokse til makroskopisk størrelse. Revnen vil derefter vokse og udbrede gennem prøven. Testen køres normalt, indtil prøven fejler fuldt ud. Resultatet af testen er antallet af belastnings cyklusser, indtil den anvendte belastning er mislykket. Denne sidste fiasko er normalt indlysende. På den anden side, crack indledning er mere kompliceret at bestemme. Det kan dog være af interesse i undersøgelser af parametre, der ikke er ensartede over prøve tykkelsen, eller som påvirker crack initiering specifikt (f. eks. rest belastninger eller post-svejse behandlinger).
Der findes forskellige metoder til påvisning af revner under udmattelses tests. Den enkleste er visuel inspektion, farvestof penetration test, eller anvendelse af stamme målere. Mere sofistikerede metoder omfatter termo grafi, ultralyd, eller hvirvelstrømstestning. Crack formering kan bestemmes ved hjælp af rammende stamme målere, akustisk emission, eller den potentielle dråbe metode.
Den foreslåede procedure bruger digital billed korrelation (DIC) til at visualisere overflade stammer på præparatet. Det giver mulighed for påvisning af dannelsen af makroskopiske revner under udmattelses tests. Desuden kan crack formering overvåges i løbet af testen. For DIC påføres et uregelmæssigt mønster på prøveoverfladen og overvåges af kameraer. Fra fordrejningen af mønsteret under lastning beregnes overflade stammer. Revner vil fremstå som forhøjede stammer overstiger en defineret tærskelværdi (> 1%) og derfor blive synlige.
Med Advance af Computational Technologies, DIC bliver mere og mere populære til industriel og forskning applikationer. Flere kommercielle måle software systemer samt open source-software er tilgængelige1. Den foreslåede procedure giver en anden anvendelse af en teknologi, der allerede findes i et stigende antal forskningsfaciliteter inden for mekanisk og Civilingeniør virksomhed.
Sammenlignet med visuelle inspektioner eller test af farvestof penetration er den foreslåede procedure ikke baseret på subjektiv perception, som afhænger af en operatørs erfaring og den lokale geometri ved svejse tåen. Selv med høj forstørrelse kan det være udfordrende at detektere revner på et tidligt tidspunkt (dvs. knæk initiering), især hvis den nøjagtige placering ikke er kendt på forhånd. Desuden, ved hjælp af DIC resultaterne gemmes og derfor reproducerbare og sammenlignelige, hvorimod visuel inspektion er mulig kun momentant.
Ved hjælp af en fuld felt måling giver proceduren mulighed for at overvåge hele prøvens bredde eller svejse længden. Ved hjælp af stamme målere, ville det være nødvendigt at anvende flere målere over prøven bredde, fordi deres måling er lokaliseret. Ændringerne i stammen gauge signal ville afhænge af afstanden og positionen i forhold til revnen. Resultatet ville afhænge af, om revnen ville indlede mellem to målere eller tilfældigt foran en.
En anden fordel ved DIC er, at det er visuelt, og det giver et beskrivende billede af revnen. Ved hjælp af stamme målere til crack detektion eller akustisk emission for crack vækst, er crack længde i sig selv ikke overvåget, men det er bestemt af ændringer i den målte stamme eller akustiske signaler hhv. For eksempel i Shrama et al.2 dic tilladt for forståelsen og fortolkningen af akustiske emissions signaler. Andre indflydelsesfaktorer eller forstyrrende signaler kan påvirke det målte signal, hvilket fører til usikkerhed og kræver omhyggelig fortolkning af resultaterne.
Forskellige anvendelser af DIC til at overvåge revner i træthed tests er blevet rapporteret. I mange tilfælde bruges dic til at vurdere stamme feltet ved knæk spidsen3,4,5 og fastlægge stress intensitets faktorerne6,7,8 eller detektere træthed skader på en mikroskopisk skala9,10. I disse tilfælde, mikroskopiske billeder bruges til at undersøge områder af interesse i intervallet af et par millimeter. De testede prøver består af bearbejdet basismateriale med dimensioner i millimeter området. Større måleområder blev indspillet af Tavares et al.11 for at bestemme stress intensitets faktorer, af shrama et al.2 for at studere akustiske emissions signaler, og af hasheminejad et al.12 for at undersøge revner i asfalt beton. Poncelet et al.13 anvendt dic til at detektere knæk initiering baseret på den relative stamme tilvækst over et bestemt antal belastnings cyklusser. Testene blev udført på enheder med en bearbejdet overflade. Svejsede14,15 eller lodsede prøver16 blev undersøgt ved hjælp af DIC til at registrere udviklingen af stammer under træthed tests. Enhederne blev observeret fra siden, viser udviklingen af revnen i dybden retning, på kanten af prøven.
Alle de førnævnte eksperimenter blev udført på servo-hydrauliske test maskiner med belastnings frekvenser på et par Hertz (< 15 Hz). Normalt blev testene afbrudt for at optage billederne til DIC. Vanlanduit et al.17 tog billeder under den kørende test og anvendte algoritmer for at kompensere for de forskellige test-og billed optagelses frekvenser. Lorenzino et al.18 udførte tests på en resonans test maskine og erobrede dic billeder med mikroskopiske kameraer. Kovárík et al.19,20 udførte tests på en resonans test maskine med en frekvens på 100 Hz uden afbrydelser, ved hjælp af en procedure meget lig den, der præsenteres her. Testene blev udført på flade, overtrukne prøver under bøjningsbelastninger. Et enkelt kamera og en udløst blitz blev brugt til at fange billeder af et område på ~ 20 x 15 mm. forskellige crack vurderinger baseret på stammen felt og på forskydning felt blev anvendt.
Den procedure, der præsenteres i dette dokument, anvendes på svejsede prøver, der præsenterer et hak, og dermed en stress koncentration. Et 3D DIC-system med to kameraer er ansat, hvilket gør det muligt at konto for ud af plane forskydninger af prøven. Kameraerne udløses, mens belysningen er konstant. Crack detektion er baseret på stamme feltet målt på et areal på 55 x 40 mm.
Proceduren giver en robust og sammenlignelig måde at opdage revner i træthed tests. Endvidere, det giver en rekord af crack formering. Det gælder for resonans test maskiner med høje belastnings frekvenser. Testene behøver ikke at blive afbrudt for målinger, og ingen operatør skal være til stede under testen. Proceduren kan derfor anvendes effektivt på et stort antal tests for at hente oplysninger om crack indledning og formering.
Den præsenterede procedure består af at bruge DIC til at detektere og overvåge træthed revner på svejsede prøver testet på en resonans test maskine uden at afbryde testen. Den største udfordring i ansøgningen er den høje belastnings frekvens af resonans test maskine. Det kræver relativt korte eksponeringstider og dermed høj belysning til erhvervelse af billeder til DIC tests. Derfor skal belysningen maksimeres. På den anden side kan refleksioner på den metalliske overflade kræve brug af polariserings filtre, hvilket vil reducere mængden af lys, der kommer ind i kameraerne. For at gøre bedre brug af det lys, der er til rådighed, kan åbningen af målene udvides. Dette vil reducere dybden af fokus. Det er derfor nødvendigt at sætte fokus nøjagtigt i afstanden mellem prøveoverfladen og prøvestoffets ikke-plane bevægelse må ikke overskride det fokuserede område. Opsætningen af kameraer og belysning kræver særlig omhu.
Ikke desto mindre kan de stammer, der beregnes af DIC, ikke være meget nøjagtige (figur 6). De beregnede stammer kan vise høj støj. På nogle af de facetter, der anvendes til DIC, kan speckle mønsteret ikke genkendes og stammer vil ikke blive beregnet. Men den foreslåede procedure har vist sig robust med hensyn til kvaliteten af DIC resultater. Selv om resultaterne ikke er gode nok til at bestemme de belastninger ved svejsningen præcist, bør det stadig være muligt at detektere revner.
Butt svejsningen præsenteret her har en forholdsvis glat svejstå sammenlignet med andre svejse geometrier. Revner er tilbøjelige til at indlede på ufuldkommenheder langs svejsningen tå med en skarp hak og dermed høj stress koncentration. Desværre, det kan ikke være muligt at evaluere stammer fra DIC på disse nøjagtige steder, fordi de facetter, der anvendes til beregning kan ikke genkendes. For eksempel viser figur 5 en revne, der starter i venstre side af prøven, manglende facetter ved + 25 mm vandret/-5 mm lodret. Men som vist i eksemplet, selv om nogle facetter ikke evalueres, er det stadig muligt at afgøre, hvornår revnen indleder og begynder at vokse. Til svejsninger med en stejlere vinkel og skarpere hak (f. eks. langsgående stivhed, filet svejsning) kan det hjælpe at vippe kameraerne ~ 15 ° for at øge vinklen til svejse overfladen. Den foreslåede procedure blev også anvendt på langsgående stivere. På trods af den relativt skarpe hak ved svejse tåen var det muligt pålideligt at detektere knæk initiering.
Makroskopiske revner antages, når stammer på 1% eller mere er nået. I en undersøgelse af Kovárík et al.20blev dic anvendt til at detektere revner på termiske spray belagte, ikke-indhakksede prøver. Det blev anført, at tærskelværdien for registrering af crack kunne fastsættes i intervallet 0,5% og 1% uden at påvirke resultaterne væsentligt. Disse værdier bekræftes af sammenligningen med strand mærkerne (figur 4 og figur 5). En lavere værdi vil føre til en tidligere crack afsløring, men kan være mere tilbøjelige til usikkerhed og producere mindre sammenlignelige resultater. En højere værdi vil føre til en senere anerkendelse af crack initiering, men resultaterne vil sandsynligvis være mere sammenlignelige og reproducerbare.
Hvis du anvender den første belastnings cyklus statisk (trin 3,3), kan det medføre tidsforbrug, når der udføres mange tests. Hvis der ikke opstår plastik stammer ved svejse tåen (hak), kan det også udelades, og den ubelastede tilstand (trin 3,2) anvendes som reference for stamme beregninger. Ellers kan et af de billeder, der er erhvervet ved begyndelsen af den dynamiske test, anvendes, hvis billedkvaliteten er tilstrækkelig (Se figur 6).
Hvis kun nogle få prøver testes, bør opstillingstiden ikke undervurderes. Det kan kræve lidt tid og iterativ sløjfer at installere og opsætte kameraerne nøjagtigt og udføre kalibreringen for at få ordentlige billeder til dic-vurderingen.
Præparat forberedelse, på den anden side, er hurtig og billig. Prøver behøver kun rengøres og sprøjtes med farve for at anvende speckle patter. Dette kommer med små omkostninger og gør den foreslåede DIC-baserede procedure praktisk, især hvis et stort antal prøver vil blive afprøvet.
En yderligere fordel, især for store sæt af prøver eller tests, der kører natten over, er, at kameraerne udløses automatisk, og testene behøver ikke at blive afbrudt.
En begrænsning af DIC procedure er, at som en optisk metode er det begrænset til overflade revner. Desuden kræver det, at det område, der skal overvåges, kan ses af kameraerne, mens prøven er monteret i test maskinen.
Den præsenterede procedure blev hovedsagelig anvendt til at påvise starten af tekniske revner. Men som påvist, det giver også mulighed for vurdering af crack vækst (f. eks, at bestemme crack formering satser). Resultatet vil være længden synlig på overfladen. Knæk forreste krumning kan ikke detekteres, dog.
Proceduren viste, at den var anvendelig på svejsede prøver med en forholdsvis kompliceret overflade topologi. Det bør også gælde for ikke-svejsede prøver, da fraværet af geometriske hak bør lette de DIC-målinger. En lignende procedure er blevet anvendt i Kovárík et al.20 på ikke-indhakkerede prøver.
Desuden kunne proceduren også anvendes til udmattelses tests på servo-hydrauliske prøvnings maskiner. Her, testfrekvensen ville være lavere end på en resonans test maskine. Eksponeringstid for kameraerne kunne således være længere, hvilket skulle lette kameraets opsætning.
Afslutningsvis, den præsenterede procedure giver en enkel måde at studere udviklingen af revner i træthed tests. Det giver mulighed for påvisning af tekniske revner og overvågning af crack formering (f. eks, at bestemme crack formering satser i træthed tests). Den illustrerende karakter af resultaterne letter deres fortolkning og vurdering. Teknikken gælder for resonans test maskiner med høje belastnings frekvenser uden at afbryde testene. Målingerne er fuldt automatiserede, så der er ikke behov for kontinuerlig overvågning. Det gælder for svejsede prøver, der præsenterer en relativt kompliceret geometri i regionen af interesse. På små enheder, det giver mulighed for dækning af hele bredden af prøven. Desuden er proceduren karakteriseret ved en simpel opsætning og grundlæggende efter behandling, hvilket gør det til et praktisk alternativ til eksisterende metoder.
The authors have nothing to disclose.
Finansieret af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, den tyske forskningsfond) EH 485/4-1.
ARAMIS 5M | gom | DIC system including two 5 megapixel cameras and control unit | |
ARAMIS | gom | v6.3.1-2 | DIC software |
Calibration object | gom | CP 20 | MV 30 x 24 mm2 |
Camera objectives, 50 mm | Titanar 2.8 / 50 | ||
Hydraulic Wedge Grip | MTS | 647.25A02 | |
Hydraulic Grip Supply | MTS | 685.10 | 10,000 Psi |
LED lights | Diana LEDscale | KSP0495-0001A | 4 x 16 W LED lights |
Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 52,0 AUF (2 x for cameras) | |
Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 67,0 AUF (4 x for lights) | |
Resonance testing machine | Schenck | 200 kN resonance testing machine | |
Resonance testing machine control unit | Rumul | v 2.5.3 | Resonance testing machine control unit and software |
Spray paint | Black and white spray paint, matt |