디지털 이미지 상관 관계를 사용하여 용접된 시편의 공진 피로 테스트에서 균열 모니터링
Summary
디지털 이미지 상관 관계는 공진 테스트 기계의 피로 테스트에 사용되어 거시적 균열을 감지하고 용접 된 표본의 균열 전파를 모니터링합니다. 시편 표면의 균열은 증가 된 균주로 볼 수 있게됩니다.
Abstract
공진 테스트 기계의 피로 테스트 중에 용접된 시편에 대한 균열을 감지하기 위해 디지털 이미지 상관 관계(DIC)를 사용하는 절차가 제공됩니다. 초기 단계에서 거시적 균열을 식별하고 피로 테스트 중 균열 전파를 모니터링하는 실용적이고 재현 가능한 절차로 사용됩니다. DIC를 사용하여 용접시 변형 필드 측정으로 구성됩니다. 이미지는 고정 된 부하 주기 간격으로 촬영됩니다. 균열은 계산된 변형률 필드에서 상승된 변형률로 표시됩니다. 이렇게 하면 소규모 시편의 전체 폭을 모니터링하여 균열이 시작되는 위치와 시기를 감지할 수 있습니다. 이어서, 크랙 길이의 발달을 모니터링할 수 있다. 결과 이미지가 저장되므로 결과를 검증할 수 있고 비교할 수 있습니다. 절차는 표면에 개시 균열로 제한되며 실험실 조건하에서 피로 테스트를 위한 것입니다. 균열을 시각화함으로써 제시 된 절차는 시편의 파열까지 형성에서 거시 균열을 직접 관찰 할 수 있습니다.
Introduction
용접은 특히 피로 손상이 발생하기 쉽습니다. 피로 특성은 일반적으로 효율적으로 테스트할 수 있는 소규모 시편에서 결정됩니다. 테스트 중에 순환 하중이 적용됩니다. 결국 균열이 시작되고 거시적 크기로 증가합니다. 균열은 그 때 증가하고 견본을 통해 전파됩니다. 시험은 일반적으로 표본이 완전히 실패할 때까지 실행됩니다. 테스트 결과는 적용된 하중에 대한 실패까지의 부하 주기 수입니다. 이 최종 실패는 일반적으로 명백합니다. 다른 한편으로는, 균열 개시를 결정하는 것이 더 복잡하다. 그러나 시편 두께에 균일하지 않거나 균열 개시에 특히 영향을 미치는 매개 변수(예: 잔류 응력 또는 용접 후 처리)에 대한 조사에 관심이 있을 수 있습니다.
피로 테스트 중 균열을 감지하기 위한 다양한 방법이 있습니다. 가장 간단한 것은 육안으로 검사, 염료 침투 테스트 또는 스트레인 게이지 의 적용입니다. 더 정교한 방법은 열모학, 초음파, 또는 에디 전류 시험을 포함합니다. 균열 전파는 apposite 스트레인 게이지, 음향 방출 또는 잠재적 인 낙하 방법을 사용하여 결정 될 수있다.
제안된 절차는 디지털 이미지 상관 관계(DIC)를 사용하여 시편에 표면 균주를 시각화합니다. 그것은 피로 테스트 중 거시적 균열의 형성을 감지 할 수 있습니다. 또한 테스트 기간 동안 균열 전파를 모니터링할 수 있습니다. DIC의 경우, 불규칙한 패턴이 시편 표면에 적용되고 카메라에 의해 모니터링됩니다. 하중 하의 패턴의 왜곡에서 표면 변형이 계산됩니다. 상승된 균주가 정의된 임계값(> 1%)을 초과할 때 균열이 나타납니다. 따라서 볼 수 있습니다.
DIC는 컴퓨팅 기술의 발전과 함께 산업 및 연구 애플리케이션에서 점점 더 인기를 끌고 있습니다. 여러 상용 측정 소프트웨어 시스템뿐만 아니라 오픈 소스 소프트웨어를 사용할 수 있습니다1. 제안 된 절차는 기계 및 토목 공학의 연구 시설의 증가에서 이미 사용할 수있는 기술의 또 다른 사용을 제공합니다.
육안 검사 또는 염료 침투 테스트와 비교하여 제안된 절차는 작업자의 경험과 용접 발가락의 로컬 지오메트리에 따라 달라지는 주관적인 지각을 기반으로 하지 않습니다. 높은 배율이 있더라도, 특히 정확한 위치가 사전에 알려지지 않은 경우, 초기 단계(즉, 균열 개시)에서 균열을 감지하는 것이 어려울 수 있습니다. 또한 DIC를 사용하면 결과가 저장되므로 재현 가능하고 비교할 수 있는 반면 육안 검사는 순간적으로만 가능합니다.
전체 필드 측정을 사용하여 절차는 시편의 전체 폭 또는 용접 길이를 모니터링 할 수 있습니다. 스트레인 게이지를 사용하면 측정이 국한되어 있으므로 시편 너비에 여러 게이지를 적용해야 합니다. 스트레인 게이지 신호의 변화는 크랙을 기준으로 한 거리와 위치에 따라 달라집니다. 결과는 균열이 두 게이지 사이에 시작하거나 하나 앞에 우연히 시작 여부에 따라 달라집니다.
DIC의 또 다른 장점은 시각적이며 균열의 설명 이미지를 제공한다는 것입니다. 균열 증가를 위해 균열 감지 또는 음향 방출을 위한 스트레인 게이지를 사용하여 균열 길이 자체는 모니터링되지 않지만 측정된 스트레인 또는 음향 신호의 변화에 의해 각각 결정됩니다. 예를 들어, Shrama등에서 2 DIC는 음향 방출 신호의 이해와 해석을 허용했다. 다른 영향을 미치는 요인이나 간섭 신호는 측정된 신호에 영향을 미침되어 불확실성을 초래하고 결과를 신중하게 해석해야 합니다.
피로 테스트의 균열을 모니터링하기 위한 DIC의 다양한 응용 이 보고되었습니다. 많은 경우에 DIC는 균열 팁3,4,5에서 변형 필드를 평가하고 응력 강도 인자6,7,8을 결정하거나 현미경의 피로 손상을 감지하는 데 사용됩니다. 규모9,10. 이러한 경우, 현미경 이미지는 몇 밀리미터의 범위에서 관심 영역을 조사하는 데 사용됩니다. 테스트된 시편은 밀리미터 범위의 치수를 가진 가공된 기재로 구성됩니다. 더 큰 측정 영역은 Tavares 등11에 의해 스트레스 강도 요인을 결정하기 위해, Shrama et al.2에 의해 음향 방출 신호를 연구하고, 하슈미네자드외 12에 의해 아스팔트 콘크리트의 균열을 조사하도록 기록되었습니다. Poncelet등. 13은 특정 수의 부하 사이클에 대한 상대 변형 증분에 기초하여 균열 개시를 검출하기 위해 DIC를 적용하였다. 시험은 가공된 표면을 가진 견본에 수행되었습니다. 용접된14,15 또는 납땜 된 시편(16)은 피로 시험 동안 균주의 발달을 기록하기 위해 DIC를 사용하여 연구되었다. 시편은 측면에서 관찰되어 시편의 가장자리에서 깊이 방향으로 균열이 개발되는 것을 보여 주어 졌습니다.
앞서 언급한 모든 실험은 몇 헤르츠(&15 Hz)의 부하 주파수를 가진 서보 유압 테스트 기계에서 수행되었습니다. 일반적으로 DIC에 대한 이미지를 기록하기 위해 테스트가 중단되었습니다. Vanlanduit 등17은 실행 중인 테스트 중에 이미지를 가져와 다양한 테스트 및 이미지 기록 주파수를 보정하기 위해 알고리즘을 적용했습니다. Lorenzino 등18 공진 테스트 기계에 테스트를 수행하고 현미경 카메라로 DIC 이미지를 캡처했습니다. Kovárík 등.19,20 중단없이 100 Hz의 주파수와 공진 테스트 기계에 테스트를 수행, 여기에 제시 된 것과 매우 유사한 절차를 사용하여. 시험은 굽힘 하중 하에서 평평한 코팅 된 표본에서 수행되었습니다. 단일 카메라와 트리거플래시를 사용하여 ~20 x 15 mm 의 영역의 이미지를 캡처했습니다.
이 백서에 제시된 절차는 노치를 제시하는 용접 된 표본에 적용되어 응력 농도가 됩니다. 두 대의 카메라가 있는 3D DIC 시스템이 사용되어 시편의 평면 변위를 고려할 수 있습니다. 조명이 일정한 동안 카메라가 트리거됩니다. 균열 감지는 55 x 40 mm 영역에서 측정된 스트레인 필드를 기반으로 합니다.
이 절차는 피로 테스트에서 균열을 감지하는 강력하고 유사한 방법을 제공합니다. 또한, 크랙 전파의 기록을 제공한다. 그것은 높은 하중 주파수와 공진 테스트 기계에 적용 할 수 있습니다. 측정을 위해 테스트를 중단할 필요가 없으며 테스트 중에 작업자가 있을 필요가 없습니다. 따라서 이 절차는 많은 수의 테스트에 효율적으로 적용하여 균열 개시 및 전파에 대한 정보를 검색할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 절차는 DIC를 사용하여 시험을 중단하지 않고 공진 테스트 기계에서 테스트한 용접 된 시편에서 피로 균열을 감지하고 모니터링하는 것으로 구성됩니다. 응용 프로그램의 주요 과제는 공진 테스트 기계의 높은 부하 주파수입니다. DIC 테스트를 위한 이미지 수집을 위해서는 상대적으로 짧은 노출 시간과 높은 조명이 필요합니다. 따라서 조명을 최대화해야 합니다. 반면에 금속 표면의 반사는 카메라에 들어오는 빛의 양을 줄이는 편광 필터의 사용을 요구할 수 있습니다. 빛을 더 잘 사용할 수 있도록 목표의 조리개가 확대될 수 있습니다. 이렇게 하면 초점 깊이가 줄어듭니다. 따라서 시편 표면의 거리에 초점을 정확하게 설정하고 시편의 평면 이동이 초점 범위를 초과해서는 안됩니다. 카메라와 조명을 설치하려면 특별한 주의가 필요합니다.
그럼에도 불구하고 DIC에 의해 계산된 균주는 매우 정확하지 않을 수있습니다(그림 6). 계산된 균주는 높은 노이즈를 나타낼 수 있습니다. DIC에 사용되는 일부 패싯에서는 반점 패턴이 인식되지 않을 수 있으며 균주가 계산되지 않습니다. 그러나 제안 된 절차는 DIC 결과의 품질과 관련하여 견고한 것으로 입증되었습니다. 결과가 용접의 균주를 정확하게 결정하기에 충분하지 않더라도 균열을 감지할 수 있어야 합니다.
여기에 제시 된 엉덩이 용접은 다른 용접 형상에 비해 상대적으로 부드러운 용접 발가락을 가지고있다. 균열은 날카로운 노치와 따라서 높은 응력 농도와 용접 발가락을 따라 결함에서 시작 될 가능성이 높습니다. 안타깝게도 계산에 사용되는 면이 인식되지 않을 수 있으므로 이러한 정확한 위치에서 DIC에 의한 균주를 평가하는 것이 불가능할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 5는 시편의 왼쪽에 균열이 들어서고, +25 mm 수평/-5mm 수직에서 패싯이 누락된 것을 나타낸다. 그러나 실시예에 도시된 바와 같이, 일부 패싯이 평가되지 않더라도 균열이 시작되고 증가하기 시작하는 시기를 결정하는 것은 여전히 가능하다. 가파른 각도와 날카로운 노치 (예 : 세로 경직기, 필렛 용접)를 가진 용접의 경우 용접 표면에 각도를 높이기 위해 카메라를 ~15 ° 기울이는 것이 도움이 될 수 있습니다. 제안 된 절차는 세로 경직제에도 적용되었습니다. 용접 발가락에서 비교적 날카로운 노치에도 불구하고 균열 개시를 안정적으로 검출할 수 있었습니다.
거시적 균열은 1 % 이상의 균주에 도달하면 가정됩니다. Kovárík 등20에의한 연구에서, DIC는 열 분무 코팅, 노치가없는 표본에 균열을 검출하기 위해 적용되었다. 크랙 검출에 대한 임계값은 결과에 크게 영향을 미치지 않고 0.5% 및 1% 범위로 설정될 수 있다고 명시되었다. 이러한 값은 해변 마크와의 비교에 의해 확인됩니다(그림4 및 그림 5). 값이 낮을수록 균열 감지가 일찍 시작되지만 불확실성에 취약하고 비교 가능한 결과가 적을 수 있습니다. 값이 높을수록 나중에 균열 이유도 발생하지만 결과는 더 비슷하고 재현 가능할 것입니다.
첫 번째 로드 주기를 정적으로 적용(3.3단계)하면 많은 테스트를 수행할 때 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 용접 토(노치)에서 플라스틱 변형이 발생하지 않으면 스트레인 계산을 위한 기준으로 사용되는 언로드 조건(3.2단계)도 생략될 수 있습니다. 그렇지 않으면 동적 테스트 시작 시 획득한 이미지 중 하나를 이미지 품질이 적절한 경우 사용할 수 있습니다(그림 6참조).
소수의 표본만 테스트하는 경우 설치 시간을 과소평가해서는 안 됩니다. 카메라를 정확하게 설치하고 설정하고 교정을 수행하여 DIC 평가에 적합한 이미지를 얻으려면 약간의 시간과 반복 루프가 필요할 수 있습니다.
반면, 시편 준비는 빠르고 저렴합니다. 표본은 얼룩패터를 적용하기 위해 색상으로 세척하고 분무할 필요가 있습니다. 이것은 적은 비용으로 제공되며 제안 된 DIC 기반 절차가 실용적입니다, 특히 많은 수의 표본을 테스트 할 경우.
특히 하룻밤 사이에 실행되는 대규모 표본 또는 테스트의 경우 카메라가 자동으로 트리거되고 테스트를 중단할 필요가 없다는 이점이 있습니다.
DIC 절차의 제한은 광학 적 방법으로 표면 균열에 제한된다는 것입니다. 또한 시편이 테스트 기계에 장착된 동안 카메라가 모니터링할 영역을 표시해야 합니다.
제시된 절차는 주로 기술적 균열의 시작을 검출하기 위해 사용되었다. 그러나 입증된 바와 같이, 또한 균열 성장의 평가(예를 들어, 균열 전파 속도를 결정하는 것)를 허용한다. 결과는 표면에 표시되는 길이가 됩니다. 그러나 균열 전면 곡률은 감지할 수 없습니다.
이 절차는 비교적 복잡한 표면 토폴로지의 적용 가능성을 입증했습니다. 기하학적 노치가 없기 때문에 DIC 측정을 용이하게 해야 하므로 용접되지 않은 시편에도 적용되어야 합니다. 유사한 절차는 Kovárík 외.20 에 노치가 없는 견본에 적용되었습니다.
또한 서보 유압 테스트 기계의 피로 테스트에도 이 절차를 적용할 수 있습니다. 여기서, 시험 빈도는 공진 시험기보다 낮을 것이다. 따라서 카메라의 노출 시간이 길어질 수 있으므로 카메라 설정이 용이할 수 있습니다.
결론적으로, 제시 된 절차는 피로 테스트에서 균열의 개발을 연구하는 간단한 방법을 제공합니다. 이를 통해 기술적 균열을 감지하고 균열 전파를 모니터링할 수 있습니다(예: 피로 테스트에서 균열 전파 속도를 결정). 결과의 예시적 특성은 해석과 평가를 용이하게합니다. 이 기술은 테스트를 중단하지 않고 높은 하중 주파수를 가진 공진 테스트 기계에 적용 할 수 있습니다. 측정은 완전히 자동화되어 있으므로 지속적인 감독이 필요하지 않습니다. 그것은 관심있는 지역에서 상대적으로 복잡한 형상을 제시 용접 시편에 적용 할 수 있습니다. 소규모 시편에서는 시편의 전체 폭을 커버할 수 있습니다. 또한, 절차는 기존의 방법에 대한 실용적인 대안만들기, 간단한 설정 및 기본 사후 처리에 의해 특징입니다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
도이치 포르충제마인샤프트(DFG, 독일 연구재단) EH 485/4-1의 자금 지원.
Materials
| 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 |
References
- Belloni, V., et al. Digital image correlation from commercial to FOS software: a mature technique for full-field displacement measurements. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XLII-2, 91-95 (2018).
- Shrama, K., Clarke, A., Pullin, R., Evans, S. L. Detection of cracking in mild steel fatigue specimens using acoustic emission and digital image correlation. 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission. , (2014).
- Carroll, J. D., Abuzaid, W., Lambros, J., Sehitoglu, H. High resolution digital image correlation measurements of strain accumulation in fatigue crack growth. International Journal of Fatigue. 57, 140-150 (2013).
- Malitckii, E., Remes, H., Lehto, P., Bossuyt, S. Full-field strain measurements for microstructurally small fatigue crack propagation using digital image correlation method. Journal of Visualized Experiments. (143), e59134 (2019).
- Rabbolini, S., Beretta, S., Foletti, S., Cristea, M. E. Crack closure effects during low cycle fatigue propagation in line pipe steel: An analysis with digital image correlation. Engineering Fracture Mechanics. 148, 441-456 (2015).
- Carroll, J. D., et al. Multiscale analysis of fatigue crack growth using digital image correlation. Proceedings of the XIth International Congress and Exposition on Experimental and Applied Mechanics. , (2008).
- Durif, E., Fregonese, M., Rethore, J., Combescure, A. Development of a digital image correlation controlled fatigue crack propagation experiment. EPJ Web of Conferences. 6, 31012 (2010).
- Maletta, C., Bruno, L., Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E. Crack-tip thermal and mechanical hysteresis in Shape Memory Alloys under fatigue loading. Materials Science & Engineering A. 616, 281-287 (2014).
- Rupil, J., Roux, S., Hild, F., Vincent, L. Fatigue microcrack detection with digital image correlation. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 46 (6), 492-509 (2011).
- Risbet, M., Feissel, P., Roland, T., Brancherie, D., Roelandt, J. M. Digital image correlation technique: application to early fatigue damage detection in stainless steel. Procedia Engineering. 2, 2219-2227 (2010).
- Tavares, P. J., Ramos, T., Braga, D., Vaz, M. A. P., Moreira, P. M. G. P. SIF determination with digital image correlation. International Journal of Structural Integrity. 6 (6), 668-676 (2015).
- Hasheminejad, N., et al. Digital image correlation to investigate crack propagation and healing of asphalt concrete. Proceedings of the 18th International Conference on Experimental Mechanics. , (2018).
- Poncelet, M., et al. Biaxial high cycle fatigue of a type 304L stainless steel: cyclic strains and crack initiation detection by digital image correlation. European Journal of Mechanics / A Solids. 29 (5), 810-825 (2010).
- Corigliano, P., et al. Fatigue assessment of Ti-6Al-4V titanium alloy laser welded joints in absence of filler material by means of full-field techniques. Frattura ed Integrità Strutturale. 43, 171-181 (2018).
- Corigliano, P., Crupi, V., Guglielmino, E., Sili, A. M. Full-field analysis of AL/FE explosive welded joints for shipbuilding applications. Marine Structures. 57, 207-218 (2018).
- Koster, M., Kenel, C., Lee, W., Leinenbach, C. Digital image correlation for the characterization of fatigue damage evolution in brazed steel joints. Procedia Materials Science. 3, 1117-1122 (2014).
- Vanlanduit, S., Vanherzeele, J., Longo, R., Guillaume, P. A digital image correlation method for fatigue test experiments. Optics and Lasers in Engineering. 47, 371-378 (2009).
- Lorenzino, P., Beretta, G., Navarro, A. Application of Digital Image Correlation (DIC) in resonance machines for measuring fatigue crack growth. Frattura ed Integrità Strutturale. 30, 369-374 (2014).
- Kovárík, O., et al. Resonance bending fatigue testing with simultaneous damping measurement and its application on layered coatings. International Journal of Fatigue. 82, 300-309 (2016).
- Kovárík, O., et al. Fatigue crack growth in bodies with thermally sprayed coating. Journal of Thermal Spray Technology. 25 (1-2), 311-320 (2016).
- Friedrich, N., Ehlers, S. A simplified welding simulation approach used to design a fatigue test specimen containing residual stresses. Ship Technology Research. 66 (1), 22-37 (2019).
- Grédiac, M., Hild, F. . Full-field measurements and identification in solid mechanics. , (2013).
