Digital bilde korrelasjon brukes i tretthet tester på en resonans testing maskin for å oppdage makroskopisk sprekker og overvåke sprekk forplantning i sveisede eksemplarer. Sprekker på prøve flaten blir synlig som økte stammer.
En prosedyre ved hjelp av digital bilde korrelasjon (DIC) å oppdage sprekker på sveiset prøver under tretthet tester på resonans testing maskiner presenteres. Det er ment som en praktisk og reproduserbar prosedyre for å identifisere makroskopisk sprekker på et tidlig stadium og overvåke sprekk forplantning under tretthet tester. Den består av belastningen felt målinger på sveis ved hjelp av DIC. Bilder tas ved faste belastnings syklus intervaller. Sprekker blir synlige i den beregnede belastningen feltet som forhøyede stammer. På denne måten kan hele bredden av en liten skala prøve overvåkes for å oppdage hvor og når en sprekk initierer. Deretter er det mulig å overvåke utviklingen av crack lengde. Fordi de resulterende bildene lagres, kan resultatene være kontrollerbar og sammenlignbare. Prosedyren er begrenset til sprekker initiere på overflaten og er beregnet for tretthet tester under laboratorieforhold. Ved å visualisere det sprekk, den presenterte prosedyren tillater direkte observasjon av macrocracks fra dannelsen til brudd på prøven.
Sveiser er spesielt utsatt for tretthet skader. Deres fatigue eiendom er vanligvis bestemt opp på liten-skalaen prøver det kan effektivt testet. Under testene brukes en syklisk belastning. Omsider en sprekk vil initiere og vokse til makroskopisk størrelse. Det sprekk ville så avle og spre igjennom prøven. Testen kjøres vanligvis til prøven svikter i sin helhet. Resultatet av testen er antall Last sykluser til feil for den brukte lasten. Denne siste feilen er vanligvis åpenbar. På den andre side, sprekk innvielsen er flere innviklet å avgjøre. Imidlertid kan det være av interesse for undersøkelser på parametre som ikke er ensartet over prøven tykkelse eller som påvirker den sprekk initiering spesielt (for eksempel, rester påkjenninger eller etter sveis behandlinger).
Det finnes ulike metoder for påvisning av sprekker under tretthet tester. Det enkleste er visuell inspeksjon, fargestoff penetrasjon testing, eller anvendelsen av strekk målere. Mer sofistikerte metoder inkluderer termografi, ultralyd, eller Eddy nåværende testing. Crack forplantning kan bestemmes ved hjelp treffende strekk målere, akustisk utslipp, eller den potensielle drop metoden.
Den foreslåtte prosedyren bruker digital bilde korrelasjon (DIC) for å visualisere overflaten stammer på prøven. Den gjør det mulig påvisning av dannelsen av makroskopisk sprekker under tretthet tester. Videre kan sprekk forplantning overvåkes over varigheten av testen. For DIC brukes et uregelmessig mønster på prøveoverflaten og overvåkes av kameraer. Fra forvrengningen av mønsteret under lasting, er overflaten stammer beregnet. Sprekker vises som forhøyede belastninger overskrider en definert terskelverdi (> 1%) og dermed bli synlig.
Med forkant av beregningsorientert teknologi, DIC blir mer og mer populært for industrielle og forskningsprogrammer. Flere kommersielle måling programvaresystemer samt åpen kildekode-programvare er tilgjengelig1. Den foreslåtte prosedyren tilbyr en annen bruk av en teknologi som allerede er tilgjengelig i et økende antall forskningsanlegg i mekanisk og sivilingeniør kunst.
Sammenlignet med visuelle inspeksjoner eller fargestoff penetrasjon testing, er den foreslåtte prosedyren ikke basert på subjektive persepsjon, som avhenger av en operatør erfaring og den lokale geometri på sveisen tå. Selv med høy forstørrelse kan det være utfordrende å oppdage sprekker på et tidlig stadium (dvs. sprekk initiering), spesielt hvis den nøyaktige plasseringen er ikke kjent på forhånd. Videre bruker DIC resultatene lagres og derfor reproduserbar og sammenlignbare, mens visuell inspeksjon er bare mulig øyeblikk.
Prosedyren gjør det mulig å overvåke hele bredden av prøven eller lengden på sveisen ved å bruke en full felts måling. Ved hjelp av strekk målere, ville det være nødvendig å bruke flere målere over prøven bredde, fordi deres måling er lokalisert. Endringene i belastningen gauge signalet vil avhenge av avstand og posisjon i forhold til sprekken. Resultatet vil avhenge av om sprekken ville starte i mellom to målere eller ved en tilfeldighet foran en.
En annen fordel med DIC er at det er visuelt, og det gir et beskrivende bilde av sprekken. Ved hjelp av strekk målere for sprekk deteksjon eller akustiske utslipp for sprekkvekst, er sprekk lengden i seg selv ikke overvåkes, men det bestemmes av endringer i den målte belastningen eller akustiske signaler hhv. For eksempel i Shrama et al.2 dic tillatt for forståelsen og tolkningen av akustiske utslipps signaler. Andre påvirke faktorer eller forstyrrende signaler kan påvirke det målte signalet, noe som fører til usikkerhet og krever nøye tolkning av resultatene.
Ulike anvendelser av DIC å overvåke sprekker i tretthet tester har blitt rapportert. I mange tilfeller dic brukes til å vurdere belastningen feltet på sprekk spissen3,4,5 og bestemme stress intensitet faktorer6,7,8 eller oppdage tretthet skader på en mikroskopisk skala9,10. I disse tilfellene brukes mikroskopiske bilder til å undersøke interesseområder i området noen få millimeter. De testede prøvene består av bearbeidet grunnmateriale med dimensjoner i millimeter området. Større måle områder ble tatt opp av Tavares et al.11 for å bestemme stress intensive faktorer, av Shrama et al.2 for å studere akustiske utslipps signaler, og ved Hasheminejad et al.12 for å undersøke sprekker i asfalt betong. Poncelet et al.13 søkt dic å oppdage sprekk initiering basert på den relative belastningen økning over et visst antall Last sykluser. Testene ble utført på prøver med en bearbeidet overflate. Sveiset14,15 eller påloddet eksemplarer16 ble studert ved hjelp av dic å registrere utviklingen av belastninger under tretthet tester. Prøvene ble observert fra siden, som viser utviklingen av sprekken i dybden retning, på kanten av prøven.
Alle de nevnte eksperimentene ble utført på servo-hydraulisk testing maskiner med Last frekvenser av noen få hertz (< 15 Hz). Vanligvis testene ble avbrutt for å spille inn bilder for DIC. Vanlanduit et al.17 tok bilder under kjøringen test og anvendt algoritmer for å kompensere for de ulike testing og bildeopptak frekvenser. Lorenzino et al.18 utførte tester på en resonans testing maskin og tatt dic bilder med mikroskopiske kameraer. Kovárík et al.19,20 utførte tester på en resonans testing maskin med en frekvens på 100 Hz uten avbrudd, ved hjelp av en prosedyre svært lik den som presenteres her. Testene ble utført på flate, belagte prøver under bøying belastninger. Et enkelt kamera og en utløst blits ble brukt til å ta bilder av et område på ~ 20 x 15 mm. forskjellige sprekk vurderinger basert på belastnings feltet og på Forskyvningsfeltet ble brukt.
Prosedyren som presenteres i denne utredningen er brukt på sveiset prøver presentere et hakk, og dermed en stress konsentrasjon. En 3D DIC-system med to kameraer er ansatt, noe som gjør det mulig å gjøre rede for ut av flyet forskyvninger av prøven. Kameraene utløses mens belysningen er konstant. Crack deteksjon er basert på belastningen feltet målt på et område på 55 x 40 mm.
Prosedyren tilbyr en robust og sammenlignbar måte å oppdage sprekker i tretthet tester. Videre gir det en oversikt over crack forplantning. Det gjelder på resonans testing maskiner med høy lasting frekvenser. Testene må ikke avbrytes for målinger, og ingen operatør må være til stede under testen. Prosedyren kan derfor effektivt brukes på et stort antall tester for å hente informasjon om sprekk initiering og forplantning.
Den presenterte prosedyren består av å bruke DIC å oppdage og overvåke tretthet sprekker på sveiset prøver testet på en resonans testing maskin uten å avbryte testen. Den største utfordringen i programmet er den høye belastningen frekvens av resonans testing maskin. Det krever relativt korte eksponeringstider og dermed høy belysning for oppkjøpet av bildene for DIC tester. Derfor belysning må maksimeres. På den annen side kan refleksjoner på metalloverflaten kreve bruk av polarisering filtre, noe som vil redusere mengden av lys inn i kameraene. For å gjøre bedre bruk av lyset tilgjengelig, blenderåpningen av målene kan forstørres. Dette vil redusere dybden av fokus. Det er derfor nødvendig å sette fokus nøyaktig på avstanden til prøveoverflaten og ut av flyets bevegelse av prøven bør ikke overstige den fokuserte rekkevidden. Oppsettet av kameraene og belysningen krever spesiell forsiktighet.
Ikke desto mindre, det belastninger beregnet av DIC kunne ikke være meget akkurat (skikkelsen 6). De beregnede stammene kan vise høy støy. På noen av fasetter som brukes for DIC, speckle mønsteret kan ikke bli gjenkjent og stammer vil ikke bli beregnet. Men den foreslåtte prosedyren har vist seg robust med hensyn til kvaliteten på DIC resultater. Selv om resultatene ikke er gode nok til å bestemme belastninger på sveisen nettopp, bør det likevel være mulig å oppdage sprekker.
The Butt sveis presentert her har en relativt jevn sveis tå i forhold til andre sveis geometri. Sprekker er sannsynlig å initiere på feil langs sveisen tå med et skarpt hakk og dermed høy stress konsentrasjon. Dessverre kan det ikke være mulig å evaluere belastninger av DIC på disse eksakte steder fordi fasetter som brukes for beregningen kan ikke gjenkjennes. Figur 5 viser for eksempel en sprekk initiering på venstre side av prøven, manglende fasetter ved + 25 mm horisontalt/-5 mm vertikalt. Men som vist i eksempelet, selv om noen fasetter ikke evalueres det er fortsatt mulig å bestemme når sprekken initierer og begynner å vokse. For sveiser med en brattere vinkel og skarpere hakk (f. eks, langsgående stiver, filet sveis) kan det hjelpe å vippe kameraene ~ 15 ° for å øke vinkelen til sveise flaten. Den foreslåtte prosedyren ble brukt på langsgående avstivere også. Til tross for den relativt skarpe hakk på sveisen tå var det mulig å pålitelig oppdage sprekk innvielse.
Makroskopisk sprekker antas når stammer av 1% eller mer er nådd. I en studie av Kovárík et al.20, dic ble brukt til å oppdage sprekker på termisk spray-belagt, unnotched prøver. Det ble uttalt at terskelverdien for crack deteksjon kan settes i størrelsesområdet 0,5% og 1% uten vesentlig innvirkning på resultatene. Disse verdiene bekreftes av sammenligningen med strand merkene (Figur 4 og figur 5). En lavere verdi vil føre til en tidligere sprekk oppdagelse, men kan være mer utsatt for usikkerhet og produsere mindre sammenlignbare resultater. En høyere verdi vil føre til en senere anerkjennelse av crack innvielse, men resultatene vil trolig være mer sammenlignbare og reproduserbar.
Bruk av den første belastnings syklusen statisk (trinn 3,3) kan føre til tidkrevende når mange tester utføres. Hvis ingen plast stammer oppstår på sveisen toe (hakk) det kan også utelates og losset tilstand (trinn 3,2) brukes som referanse for belastning beregninger. Hvis ikke, kan ett av bildene som er kjøpt i begynnelsen av den dynamiske testen, brukes hvis bildekvaliteten er tilstrekkelig (se figur 6).
Hvis bare noen få eksemplarer er testet, bør oppstillingstiden ikke undervurderes. Det kan kreve litt tid og gjentakende løkker å installere og sette opp kameraene nøyaktig og utføre kalibreringen for å få riktige bilder for DIC vurdering.
Prøve forberedelser, på den annen side, er rask og billig. Prøvene må bare rengjøres og sprøytes med farge for å påføre speckle patter. Dette kommer på liten kostnad og gjør den foreslåtte DIC-baserte prosedyren praktisk, spesielt hvis et stort antall eksemplarer vil bli testet.
En annen fordel, spesielt for store sett med prøver eller tester som kjører over natten, er at kameraene utløses automatisk, og testene ikke trenger å bli avbrutt.
En begrensning av DIC prosedyren er at som en optisk metode er det begrenset til overflaten sprekker. Videre krever det at området som skal overvåkes være synlig av kameraene mens prøven er montert i test maskinen.
Den presenterte prosedyren ble brukt hovedsakelig til å oppdage starten på tekniske sprekker. Bortsett fra idet bevist, den likeledes innrømmer for vurderingen av sprekk oppblomstringen (e.g., å avgjøre sprekk formering ratene). Resultatet vil være den lengden som er synlig på overflaten. Sprekk front krumning kan imidlertid ikke oppdages.
Prosedyren viste sin anvendelse på sveiset prøver presentere en relativt komplisert overflate topologi. Det bør også være aktuelt for ikke-sveiset prøver, som fravær av geometriske hakk bør lette DIC målinger. En lignende prosedyre er benyttet i Kovárík et al.20 på unnotched prøver.
Videre kan prosedyren også anvendes for tretthet tester på servo-hydraulisk testing maskiner. Her vil testing frekvensen være lavere enn på en resonans testing maskin. Eksponeringstiden for kameraene kan dermed være lengre, noe som bør lette kameraets oppsett.
I konklusjonen, den presenterte prosedyren tilbyr en grei måte å studere utviklingen av sprekker i tretthet tester. Den innrømmer oppdagelsen av teknisk sprekk og avlytting av sprekk formering (e.g., å avgjøre sprekk formering ratene inne fatigue prøver). Den illustrerende karakter av resultatene forenkler deres tolkning og vurdering. Teknikken er anvendelig på resonans testing maskiner med høy lasting frekvenser uten å avbryte testene. Målingene er helautomatisk, så ingen kontinuerlig tilsyn er nødvendig. Det er aktuelt på sveisede prøver som presenterer en relativt komplisert geometri i regionen av interesse. På små prøver gir den dekning av hele bredden av prøven. Videre er prosedyren preget av et enkelt oppsett og grunnleggende etterbehandling, noe som gjør det til et praktisk alternativ til eksisterende metoder.
The authors have nothing to disclose.
Finansiert av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, tysk Research Foundation) 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 |