デジタル画像相関を用いた溶接試料の共振疲労試験における亀裂モニタリング

Summary

デジタル画像相関は、共振試験機の疲労試験で、大きな亀裂を検出し、溶接された試料の亀裂伝播を監視するために使用されます。試料表面の亀裂は、歪みの増加として目に見えるようになります。

Abstract

共振試験機の疲労試験中に溶接された試料のひび割れを検出するデジタル画像相関(DIC)を用いた手順を提示する。これは、早期にマクロスコピック亀裂を識別し、疲労試験中に亀裂の伝播を監視するための実用的で再現可能な手順として意図されています。それはDICを使用して溶接のひずみ分野の測定から成っている。画像は一定の負荷サイクル間隔で撮影されます。ひび割れは、高いひずみとして計算されたひずみフィールドで表示されます。これにより、小規模な試料の全幅を監視して、亀裂がいつ開始されたかを検出できます。続いて、亀裂長さの発生を監視することができる。結果のイメージは保存されるため、結果は検証可能で同等です。プロシージャは表面で始まるひび割れに限られ、実験室の条件の下で疲労テストのために意図されている。亀裂を可視化することにより、提示された手順は、試料の破裂まで、その形成からマクロクラックの直接観察を可能にする。

Introduction

溶接は、特に疲労損傷を受けやすい。その疲労特性は、一般的に効率的にテストすることができる小規模な標本で決定されます。テスト中に、周期的な荷重が適用されます。最終的に亀裂が開始され、マクロスコピックサイズに成長します。亀裂は、その後成長し、標本を介して伝播します。テストは通常、標本が完全に失敗するまで実行されます。テストの結果は、適用された荷重の障害が発生するまでのロード サイクルの数です。通常、この最終的な失敗は明らかです。一方、亀裂の開始は、決定がより複雑です。ただし、試料の厚さに対して均一でないパラメータや、亀裂の開始に特に影響を与えるパラメータ(残留応力や溶接後処理など)に関する調査に関心がある場合があります。

疲労試験中のひび割れの検出には、さまざまな方法が存在します。最も簡単なのは、目視検査、染料浸透試験、または歪みゲージの適用です。より洗練された方法は、サーモグラフィー、超音波、または渦電流試験が含まれます。亀裂伝播は、アポサイト歪みゲージ、音響放出、または潜在的な落下方法を使用して決定することができる。

提案された手順では、デジタル画像相関(DIC)を使用して、試料の表面株を可視化します。それは疲労テストの間に大間の亀裂の形成の検出を可能にする。さらに、亀裂伝播は、試験の期間中に監視することができる。DICの場合、不規則なパターンが試料表面に適用され、カメラで監視されます。荷重下のパターンの歪みから、表面株が計算されます。高い株が定義されたしきい値(> 1%) を超えると亀裂が表示されます。したがって、表示されます。

計算技術の進歩に伴い、DICは産業および研究用途でますます人気が高まっています。いくつかの商用測定ソフトウェアシステムとオープンソースソフトウェアが利用可能です¹.提案された手順は、機械および土木工学の研究施設の増加で既に利用可能な技術の別の使用を提供しています.

目視検査や染料の浸透試験と比較して、提案された手順は、オペレータの経験と溶接つま先のローカルジオメトリに依存する主観的な知覚に基づいていません。高い倍率であっても、特に正確な位置が事前に知られていない場合は、早期に亀裂を検出するのが難しい場合があります。.さらに、DICを使用して結果が保存され、再現性と比較可能であるのに対し、目視検査は一時的にしか可能です。

フルフィールド測定を使用して、手順は、試料の全幅または溶接の長さを監視することができます。ひずみゲージを使用すると、測定が局在化するため、試料幅に複数のゲージを適用する必要があります。ひずみゲージ信号の変化は、亀裂に対する距離と位置によって異なります。結果は、亀裂が2つのゲージの間で開始されるか、または偶然1の前で開始されるかどうかに依存します。

DICのもう一つの利点は、それが視覚的であり、それは亀裂の説明的なイメージを与える。ひび割れの成長のためのひび割れ検出または音響放出のための歪みゲージを使用して、亀裂の長さ自体は監視されませんが、それぞれ測定された歪みまたは音響信号の変化によって決定されます。例えば、Shrama^ら2DICでは、音響発光信号の理解と解釈が可能でした。その他の影響を与える要因や干渉信号は、測定された信号に影響を与える可能性があり、不確実性につながり、結果を慎重に解釈する必要があります。

疲労試験の亀裂を監視するDICの様々な応用が報告されている。多くの^{場合、DICは、亀裂先端3、4、5}の歪みフィールドを評価し、応力強度係^{数6、7、8を}決定^したり、顕微鏡上の疲労損傷を検出するために使用されますスケール^9,10.このような場合、顕微鏡画像は、数ミリメートルの範囲で関心のある領域を調査するために使用されます。テストされた標本はミリメートルの範囲の次元が付いている機械で作られる基材から成っている。より大きな測定領域は、Tavares et al.¹¹によって、応力強度因子を決定するために、Shrama^ら2によって音響放出信号を研究し、Hasheminejad^ら12によってアスファルトコンクリートの亀裂を調査した。Poncelet et al.¹³は、一定数の負荷サイクルにわたって相対的なひずみ増分に基づいて亀裂開始を検出するためにDICを適用した。試験は機械加工された表面を有する標本に対して行われた。溶接^{された14、15}またはろう付き検^体16は、疲労試験中の株の発達を記録するためにDICを用いて研究した。標本は側面から観察され、標本の端に深さ方向の亀裂の発達を示した。

前述のすべての実験は、数ヘルツ(<15 Hz)の負荷周波数を持つサーボ油圧試験機で行われました。通常、DIC のイメージを記録するためにテストが中断されました。Vanlanduit et al.¹⁷は、実行中のテスト中に画像を撮影し、異なるテストと画像記録周波数を補正するためにアルゴリズムを適用しました。Lorenzino et al.¹⁸は共振試験機で試験を行い、顕微鏡カメラでDIC画像を撮影した。Kovárík et al.^19,20は、ここで提示されたものと非常によく似た手順を使用して、中断することなく100 Hzの周波数を持つ共振試験機でテストを行いました。試験は曲げ負荷の下で平らな、コーティングされた標本で行われた。単一のカメラとトリガフラッシュを使用して、約20 x 15 mmの領域の画像をキャプチャしました。

この論文で提示される手順は、ノッチを提示する溶接標本に適用され、したがって応力濃度である。2台のカメラを備えた3D DICシステムを採用し、試料の平面変位を考慮することができます。照明が一定の間、カメラがトリガされます。ひび割れの検出は55 x 40 mmの区域で測定されるひずみ分野に基づいている。

この手順は、疲労試験のひび割れを検出する堅牢で同等の方法を提供します。さらに、亀裂伝播の記録を提供する。それは高い負荷の頻度の共鳴のテスト機械に適当である。テストは測定のために中断される必要はなく、オペレータはテスト中に存在する必要はない。したがって、この手順を多数のテストに効率的に適用して、亀裂の開始と伝播に関する情報を取得できます。

Protocol

1. 検体調

注意:溶接装置や加工装置の使用は、潜在的に危険です。作業は、有資格者によって、メーカーが提供する指示に従って実行する必要があります。

1. 所望の溶接幾何学(例えば、バット溶接、縦硬化機、フィレット溶接)で標本を準備します。試料全体の幅を測定する必要がある場合、試料のサイズは、使用されるカメラシステムによって描かれた領域によって制限される可能性があります。ここで提示された試験では、厚さの異なる2枚のプレート間に多層Kバット溶接を含む標本を用いた(図1)。試料は金属活動性ガス溶接を使用して構造鋼S355から成っていた。標本製剤に関する詳細は、フリードリヒとエーラー^ズ21で見つけることができます。
2. 必要に応じて、粉砕することにより、競合する亀裂の位置を軽減します。これらは、プレートの反対側の溶接つま先、またはスチフナーのもう一方の端である可能性があります。ここでは、表面は、亀裂を避けるために滑らかで鋭いノッチがないように接地する必要があります。
3. 洗浄布と脱脂剤を使用して、溶接の周りの領域の標本表面をきれいにします。真鍮ワイヤーブラシを使用して、溶接面と溶接つま先から緩い材料をすべて慎重に取り外します。表面はオイルとグリースフリーでなければなりません。
4. 黒と白のスプレー塗料の交互のアプリケーションを使用してDICのスペックルパターンを適用します。スプレーを表面に直接向けないようにしますが、スプレーミストを試料に落ち着かせてください。連続レイヤーは必要ありません。スペックルサイズは、マグニチュード0.1mmで可能な限り細かくする必要があります(図2参照)。
   注:マット塗料は、反射を減らすために好ましいです。

2. テスト設定

注意:機械的またはサーボ油圧試験装置の使用は、潜在的に危険です。注意して動作し、製造元の指示に従ってください。

1. DICカメラを配置して、試験機に設置された試料の対象領域をキャプチャします。正確なセットアップは、使用される機器によって異なります。ここで提示されたテストでは、カメラは試験機に水平に配置された標本の上に達する足場に取り付けられました(図3)。
2. 測定された領域がフォーカスされていることを確認するために、カメラの目的のフォーカスを細心の注意を払って調整します。採用されたカメラでは、レンズとカメラのセンサー間の距離を変更するために目的をねじ込むか、または外にねじ込むことによって行われます。
3. 照明を最大化するためにライトの位置を調整します(ここでは、4つの16ワットLEDライトが使用され、測定領域の均一な照明が可能でしたが、他の構成も可能です)。金属表面の反射を減らすために、ライトと目的に適切に取り付けられた偏光フィルタを使用することをお勧めします。
4. 十分な露出時間を選択します。これは、テストの頻度に依存し、1つのロードサイクルの持続時間の小さな分数(〜1/35)でなければなりません。ここで提示されたテストでは、34 Hz のテスト周波数の露出時間は 0.8 ミリ秒でした。
5. DIC システムの調整を行います。手順は、採用されたシステムに依存し、特定のユーザーマニュアルに記載する必要があります。
6. 選択した露出時間で写真を撮ります。アポサイトDICソフトウェアを使用して歪みを計算します。画像品質が株を計算するのに十分であることを確認し、結果の散布が過剰ではないことを確認し(アンロード状態のひずみではゼロに近い必要があります)、結果が対象の領域全体をカバーしていることを確認します。画像が暗すぎる場合は、照明を調整します。これは焦点の深さを減らすが、目的の絞りを開く必要があるかもしれません。明るい斑点パターンも役立つかもしれません。
7. テストマシンからのフォース信号出力を接続してカメラをトリガします。ロードサイクルの特定の間隔でトリガをオフに設定できるハードウェアとソフトウェアを含む商用DICシステムが使用されました。この目的のために、負荷サイクルは、特定の値を横切る上昇力信号によってカウントされます。指定した負荷サイクル数に達すると、カメラがトリガーされ、カウントが再び開始されます。例示的なトリガーリストは、補足ファイルとして提供されます。
8. テスト実行を実行して、トリガ信号とカメラ露出の間の遅延を判別します。遅延を補正するために、ロード信号のピーク前にトリガーを設定します。トリガリスト(ステップ2.7を参照)を使用する場合は、電圧で必要な負荷信号にパラメータ値を調整します。示されたテストでは、カメラはそれぞれ最大力の91%と96%でトリガされました。これらの値は例としてのみ指定され、必ずしも適切であるとは限りません。
   注: イメージを負荷のピーク時に正確に撮影する必要はありません。それにもかかわらず、亀裂が見えるはずです。
9. トリガをロード サイクルの間隔に設定して、予想されるテスト期間の画像の合計数が 100-200 の大きさ(たとえば、10⁶のロード サイクルを持つテストの 10,000 サイクルごとに)に設定します。トリガーリスト(ステップ2.7を参照)では、ループの値を所望のロードサイクル数に調整します。

3. 疲労試験

注意:機械的またはサーボ油圧試験装置の使用は、潜在的に危険です。注意して動作し、製造元の指示に従ってください。

1. 試験機に試料を取り付けます。
2. 必要に応じて、読み込む前に DIC イメージを取ります。これは亀裂検出には必要ありませんが、DICを使用して負荷下の表面歪みを測定することができます。
3. 最初のロード サイクルを静的に適用します。最大負荷で停止し、DICのためのいくつかの画像を取ります。1 つのイメージで十分ですが、DIC 結果の品質が常に最適であるとは限らないため、分析用に選択できる画像をもう少し増やすと便利な場合があります。これらの画像では、必要に応じて露光時間を長くすることができます。
   注:この静的負荷サイクルは省略できますが、静的に取得された画像は、動的テスト中に取得した画像よりもおそらく高品質であり、DICの結果が向上します。
4. 荷重範囲を設定し、周期検定を開始します。必要に応じて、上部負荷が維持されるが、負荷範囲が減少する間隔を含めて、ビーチ マークを取得します。ここに示す例では、荷重範囲の半分が 40,000 サイクルごとに 15,000 サイクルで適用されました。ビーチマークは、提示された手順のために必要ではありませんが、検出された亀裂の長さを検証する可能性を提供します。
5. 静的および動的負荷を指定し、検体が故障するまでテストを実行します。提示されたテストでは、0 kN の静的負荷と 22.5 kN の動的振幅が適用されました。応力緩和標本には、それぞれ50kNの静的荷重と50kNの動的負荷が使用された。

4. 後処理

1. DICを評価し、アポサイトソフトウェアを使用して検体の軸(ローディング)方向の歪みを計算します。株の自動計算を含む商用ソフトウェア(材料の表を参照)が採用されました。株の計算に関する情報は、Grédiacとヒル^ド22で見つけることができ、現在の商用およびオープンソースのDICソフトウェアの概要は、Belloni^ら1で与えられています。ステップ 3.3 で取得した最初の静的荷重サイクルのイメージを参照イメージとして使用します。ここでは、19 x 19 ピクセル (約 0.32 x 0.32 mm) のファセット サイズと 15 x 15 ピクセルのファセット距離を DIC 評価に適用しました。
2. 計算されたひずみのプロットを作成し、プロットの凡例を比較的高い値(0.5%~1.0%)に設定します。可能なノイズを抑制します。適用されたソフトウェアに応じて、これらのプロットは、変位とひずみが計算された後の結果セクションで利用可能になります(4.1)。
3. テストの期間中に取得したイメージ シーケンスを実行します。形成亀裂は、上昇株の面で表示されます。株が1%を超えると、マクロスコピッククラックが発生する可能性があります。
4. 異なるテスト結果を比較するには、亀裂が指定された長さに達するタイミングを判断することが重要な場合があります。約2mmの亀裂長さは、技術的またはマクロ的な亀裂と考えられていた。

Representative Results

亀裂を検出し、亀裂伝播を監視するために、試料の荷重方向に歪みをプロットした。ひび割れは、上昇株(>1%)の面で目に見えるようになりました。

2つの疲労試験から得られた結果を提示する。テストは異なる負荷および負荷比率で行われた。結果は、2 つのテスト間の直接比較を目的としたものではなく、これらのテストの典型的な結果を表し、提示されたプロシージャの機能を示します。

溶接された状態での検体の亀裂の発生を図4に示す。試料には、冷却中の溶接の収縮に起因する残留応力が含まれていました。それらはX線回折および穴掘削によって測定され、溶接^{シミュレーション21}によって計算された。試料の中央に引張残留応力があるため、亀裂は中心線で開始されます。まず、歪みは形成亀裂の位置で増加し始めた。2mm(N=755,000)の長さで1%を超えた場合、技術的な亀裂が想定された。その後、亀裂は両側に対称的に伝播した。検出された亀裂の長さは、試験中に生成されたビーチマークと比較され、良好な一致を示した。DICの結果のビデオは、ビーチマークの形成中に亀裂の伝播がどのように減速したかを示しています。

ストレス緩和標本の亀裂の発生を図5に示す。亀裂開始は残留応力の影響を受けなかった。溶接に沿って異なる場所で形成されたいくつかの亀裂。574,000サイクル後に2mmの亀裂が検出された。その後、単一の亀裂が成長し、最終的に統一されました。検出された亀裂の長さは、再びビーチマークと比較されました。

ビーチマークの生成は、DIC技術を使用して検出された亀裂の長さを検証する良い可能性を提供しています。さらに、それは標本表面で測定される長さと亀裂の深さを相関させる可能性を提供する。亀裂の初期段階では、表面に近い、はっきりと見えるビーチマークを得ることは困難な場合があります。ここで、その結果はDICアプローチの利点を示した。

図4および図5に示すように、手順の結果は、溶接部の亀裂の発生を示す一連の画像(またはビデオ)である。これらの画像から、亀裂の起源と数を判定することができる。さらに、亀裂が特定の長さに達した時期を判断するために使用できます。長さ2mmの亀裂は、マクロスコピックまたは技術的と考えられていた。この亀裂の長さは画像から確実に取り出することができ、この研究では一連のテストの結果を比較するために使用されました。さらに、エンジニアリングの観点からは、この亀裂の長さは、利用可能な検査技術を使用してサービスで検出可能であろう。得られた画像から亀裂の長さを測定し、それを負荷サイクルの数に関連付けることによって、亀裂成長曲線をプロットしたり、クラック成長率を決定することも可能です。これらは、亀裂伝播の破壊機械計算に関心があるかもしれません。

図1:疲労試験に使用する多層Kバット溶接標本。ミリメートル単位の寸法。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:溶接時のデジタル画像相関のスペックルパターン。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:DICカメラと、試料の上に設置された足場構造でサポートされているライトを使用してセットアップをテストします。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:亀裂の発生を示す荷重方向(垂直)のパーセントひずみと、溶接された条件での検体上のビーチマークとの比較。N = ロード サイクル数。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:荷重方向(垂直)のパーセント歪みは、ひび割れの発生とストレス緩和された標本のビーチマークとの比較を示す。N = ロード サイクル数。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 6: 最初の静的荷重サイクル(N = 1)の最大荷重における荷重方向のパーセントひずみと、異なる負荷サイクル数での疲労試験の開始時。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

補足ファイル 1: トリガーリスト。このファイルを表示するには、ここをクリックしてください(右クリックしてダウンロードしてください)。

Discussion

提示された手順は、DIを使用して、テストを中断することなく、共振試験機でテストされた溶接された試料の疲労亀裂を検出し、監視することです。アプリケーションの主な課題は、共振試験機の高負荷周波数です。これは、DICテストのための画像の取得のための比較的短い露光時間と高い照明を必要とします。したがって、照明を最大化する必要があります。一方、金属表面の反射は偏光フィルタを使用する必要があり、カメラに入る光の量を減らします。利用可能な光をより良く利用するために、目的の絞りを拡大してもよい。これにより、フォーカスの深さが減少します。したがって、試料表面の距離に正確に焦点を設定する必要があり、試料の平面外の動きは、焦点範囲を超えてはなりません。カメラと照明のセットアップには、特に注意が必要です。

それにもかかわらず、DICによって計算された株は非常に正確ではないかもしれません(図6)。計算されたひずみは、高ノイズを示す場合があります。DIC に使用されるファセットの一部では、スペックル パターンが認識されず、ひずみが計算されない場合があります。しかし、提案された手順は、DICの結果の品質に関して堅牢であることが証明されています。結果が溶接で歪を正確に決定するのに十分でない場合でも、亀裂を検出することは可能であるべきです。

ここで提示されるお尻の溶接は、他の溶接ジオメトリと比較して比較的滑らかな溶接つま先を持っています。亀裂は、鋭いノッチと高い応力濃度で溶接つま先に沿って不完全に開始する可能性が高いです。残念ながら、計算に使用されるファセットが認識されない可能性があるため、これらの正確な位置でDICによって歪みを評価することができない場合があります。例えば、図5は、標本の左側に亀裂が始まり、+25mm水平/-5mmの垂直でファセットが欠落している。しかし、この例に示すように、一部のファセットが評価されていない場合でも、亀裂がいつ開始され、成長し始めるかは依然として判断可能です。急な角度と鋭いノッチを持つ溶接(例えば、縦方向のスチフタ、フィレット溶接)の場合、溶接面への角度を高めるためにカメラを〜15°傾けるのに役立ちます。提案された手順は、縦方向の硬化剤にも適用されました。溶接つま先で比較的鋭いノッチにもかかわらず、亀裂開始を確実に検出することが可能であった。

1%以上の株に達すると、マクロスコピッククラックが想定されます。Kovárík et al.²⁰による研究では、DICは熱スプレーコーティングされたノッチのない標本の亀裂を検出するために適用されました。亀裂検出の閾値は、結果に大きな影響を与えることなく、0.5%と1%の範囲で設定できると述べました。これらの値は、ビーチマーク(図4および図5)との比較によって確認されます。値を小さくすると、以前の亀裂検出につながりますが、不確実性が生じやすく、比較の結果が少なくなる可能性があります。値を大きいほど、後で亀裂の認識が生まれますが、結果はおそらくより比較可能で再現可能になります。

最初のロード サイクルを静的に適用する (ステップ 3.3) と、多くのテストが実行されるときに時間がかかる場合があります。溶接つま先(ノッチ)でプラスチック株が発生しない場合は、歪み計算の基準としてアンロードされた状態(ステップ3.2)も省略される可能性があります。それ以外の場合は、動的テストの開始時に取得した画像の 1 つを、画質が適切な場合に使用できます (図 6参照)。

少数の検体のみがテストされる場合、セットアップ時間を過小評価しないでください。カメラを正確に取り付けてセットアップし、DIC評価のための適切な画像を得るためにキャリブレーションを実行するには、時間と反復ループが必要な場合があります。

一方、試料調製は、迅速かつ安価である。試料は、斑点のパターを適用するために、洗浄し、色でスプレーする必要があります。これは少し費用がかからず、提案されたDICベースのプロシージャは、特に多数の標本がテストされる場合に実用的になります。

特に一晩実行される大規模な標本やテストの場合は、カメラが自動的にトリガされ、テストを中断する必要がないというさらなる利点があります。

DIC手順の制限は、光学的方法として表面亀裂に限定されるということです。さらに、検体を試験機に取り付ける間、監視領域をカメラで可視化する必要があります。

提示された手順は、主に技術的な亀裂の開始を検出するために使用されました。しかし、実証されているように、それはまた、亀裂の成長の評価を可能にする(例えば、クラック伝搬速度を決定する)。結果は、サーフェス上に表示される長さになります。ただし、亀裂前面曲率は検出できません。

この手順は、比較的複雑な表面トポロジを提示する溶接された標本に対する適用性を証明した。幾何学的なノッチがない場合はDIC測定を容易にする必要がありますので、溶接されていない標本にも適用可能です。同様の手順は、ノッチのない標本にコバリック^ら20で適用されています。

さらに、この手順はサーボ油圧試験機の疲労試験にも適用できます。ここでは、共振試験機よりも試験頻度が低くなります。したがって、カメラの露出時間が長くなる可能性があるため、カメラのセットアップが容易になります。

結論として、提示された手順は、疲労試験における亀裂の開発を研究する簡単な方法を提供します。それは技術的な亀裂の検出およびひび割れの伝播の監視を可能にする(例えば、疲労試験のひび割れの伝搬率を決定する)。結果の例示的な性質は、その解釈と評価を容易にする。この技術は、テストを中断することなく、高負荷周波数の共振試験機に適用可能です。測定は十分に自動化されているので、連続的な監督は必要ない。これは、対象領域に比較的複雑な形状を提示する溶接標本に適用可能です。小規模な標本では、それは標本の全幅のカバレッジを可能にする。さらに、この手順は簡単なセットアップと基本的な後処理が特徴で、既存の方法に代わる実用的な方法です。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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