Surveillance des fissures dans les tests de fatigue par résonance des spécimens soudés à l'aide de la corrélation d'image numérique
Summary
La corrélation d’image numérique est utilisée dans les tests de fatigue sur une machine d’essai de résonance pour détecter les fissures macroscopiques et surveiller la propagation des fissures chez les spécimens soudés. Les fissures à la surface du spécimen deviennent visibles à mesure que les souches augmentent.
Abstract
Une procédure utilisant la corrélation d’image numérique (DIC) pour détecter des fissures sur des spécimens soudés pendant des essais de fatigue sur des machines d’essai de résonance est présentée. Il est conçu comme une procédure pratique et reproductible pour identifier les fissures macroscopiques à un stade précoce et surveiller la propagation des fissures pendant les tests de fatigue. Il consiste en des mesures de champ de souches à la soudure à l’aide de DIC. Les images sont prises à intervalles de cycle de charge fixe. Les fissures deviennent visibles dans le champ de contrainte computé sous forme de souches élevées. De cette façon, toute la largeur d’un spécimen à petite échelle peut être surveillée pour détecter où et quand une fissure s’initie. Par la suite, il est possible de surveiller le développement de la longueur de la fissure. Étant donné que les images obtenues sont enregistrées, les résultats sont vérifiables et comparables. La procédure est limitée aux fissures qui s’initiaient à la surface et est destinée aux tests de fatigue dans des conditions de laboratoire. En visualisant la fissure, la procédure présentée permet l’observation directe des macrofissures de leur formation jusqu’à la rupture du spécimen.
Introduction
Les soudures sont particulièrement sujettes aux dommages causés par la fatigue. Leurs propriétés de fatigue sont généralement déterminées sur des spécimens à petite échelle qui peuvent être testés efficacement. Pendant les essais, une charge cyclique est appliquée. Finalement, une fissure va initier et se développer à la taille macroscopique. La fissure se développera alors et se propagera à travers le spécimen. Le test est généralement exécuté jusqu’à ce que le spécimen échoue dans son intégralité. Le résultat de l’essai est le nombre de cycles de charge jusqu’à la défaillance de la charge appliquée. Cet échec final est généralement évident. D’autre part, l’initiation de fissure est plus complexe à déterminer. Cependant, il pourrait être intéressant d’enquêter sur des paramètres qui ne sont pas uniformes sur l’épaisseur du spécimen ou qui affectent spécifiquement l’initiation de la fissure (p. ex., stress résiduel ou traitements post-soudure).
Différentes méthodes existent pour la détection des fissures lors des tests de fatigue. Les plus simples sont l’inspection visuelle, l’essai de pénétration de teinture, ou l’application des jauges de contrainte. Les méthodes plus sophistiquées incluent la thermographie, l’ultrason, ou l’essai de courant de remous. La propagation des fissures peut être déterminée à l’aide de jauges de contrainte apposite, d’émissions acoustiques ou de la méthode de chute potentielle.
La procédure proposée utilise la corrélation d’image numérique (DIC) pour visualiser les souches de surface sur le spécimen. Il permet de détecter la formation de fissures macroscopiques lors des tests de fatigue. En outre, la propagation des fissures peut être surveillée pendant toute la durée du test. Pour le DIC, un motif irrégulier est appliqué à la surface du spécimen et surveillé par des caméras. De la distorsion du modèle sous la charge, les souches de surface sont calculées. Les fissures apparaîtront lorsque les souches élevées dépasseront une valeur seuil définie (-gt; 1%) et donc devenir visible.
Avec l’avancée des technologies de calcul, DIC est de plus en plus populaire pour les applications industrielles et de recherche. Plusieurs systèmes logiciels de mesure commerciale ainsi que des logiciels open-source sont disponibles1. La procédure proposée offre une autre utilisation d’une technologie déjà disponible dans un nombre croissant d’installations de recherche en génie mécanique et civil.
Par rapport aux inspections visuelles ou aux essais de pénétration des colorants, la procédure proposée n’est pas fondée sur la perception subjective, qui dépend de l’expérience de l’opérateur et de la géométrie locale à l’orteil de soudure. Même avec un grossissement élevé, il peut être difficile de détecter les fissures à un stade précoce (c.-à-d., l’initiation des fissures), surtout si l’emplacement exact n’est pas connu à l’avance. En outre, à l’aide de DIC les résultats sont enregistrés et donc reproductibles et comparables, alors que l’inspection visuelle n’est possible que momentanément.
À l’aide d’une mesure sur le terrain, la procédure permet de surveiller toute la largeur du spécimen ou la longueur de la soudure. À l’aide de jauges de contrainte, il serait nécessaire d’appliquer plusieurs jauges sur la largeur du spécimen, car leur mesure est localisée. Les changements dans le signal de la jauge de contrainte dépendraient de la distance et de la position par rapport à la fissure. Le résultat dépendrait de la question de savoir si la fissure s’instaurerait entre deux jauges ou par hasard devant une seule.
Un autre avantage de DIC est qu’il est visuel, et il donne une image descriptive de la fissure. À l’aide de jauges de contrainte pour la détection des fissures ou l’émission acoustique pour la croissance des fissures, la longueur de la fissure elle-même n’est pas surveillée, mais elle est déterminée par des changements dans la souche mesurée ou les signaux acoustiques respectivement. Par exemple, dans Shrama et coll.2 DIC a permis la compréhension et l’interprétation des signaux d’émission acoustique. D’autres facteurs influençants ou interférant des signaux peuvent affecter le signal mesuré, ce qui entraîne des incertitudes et exige une interprétation attentive des résultats.
Diverses applications du DIC pour surveiller les fissures dans les tests de fatigue ont été signalées. Dans de nombreux cas, DIC est utilisé pour évaluer le champ de tension à la pointe de fissure3,4,5 et de déterminer les facteurs d’intensité du stress6,7,8 ou de détecter les dommages de fatigue sur un microscopique échelle9,10. Dans ces cas, des images microscopiques sont utilisées pour étudier les zones d’intérêt dans la gamme de quelques millimètres. Les spécimens testés sont constitués de matériaux de base usinés avec des dimensions de l’ordre de millimètres. Des zones de mesure plus importantes ont été enregistrées par Tavares et coll.11 pour déterminer les facteurs d’intensité du stress, par Shrama et coll.2 pour étudier les signaux d’émission acoustique, et par Hasheminejad et al.12 pour étudier les fissures dans le béton d’asphalte. Poncelet et coll.13 ont appliqué le DIC pour détecter l’initiation des fissures en fonction de l’incrément relatif de la contrainte sur un certain nombre de cycles de charge. Les essais ont été effectués sur des spécimens à surface usinée. Soudés14,15 ou brazed spécimens16 ont été étudiés à l’aide de DIC pour enregistrer le développement de souches pendant les tests de fatigue. Les spécimens ont été observés sur le côté, montrant le développement de la fissure dans la direction de la profondeur, sur le bord du spécimen.
Toutes les expériences susmentionnées ont été menées sur des machines d’essai servo-hydrauliques avec des fréquences de charge de quelques hertz (lt; 15 Hz). Habituellement, les tests ont été interrompus pour enregistrer les images pour DIC. Vanlanduit et coll.17 ont pris des images pendant le test en cours d’exécution et ont appliqué des algorithmes pour compenser les différentes fréquences de test et d’enregistrement d’images. Lorenzino et coll.18 ont effectué des tests sur une machine de test de résonance et capturé des images DIC avec des caméras microscopiques. Kovûrûk et coll.19,20 ont effectué des tests sur une machine de test de résonance avec une fréquence de 100 Hz sans interruptions, en utilisant une procédure très similaire à celle présentée ici. Les essais ont été effectués sur des spécimens plats et enduits sous des charges de flexion. Une seule caméra et un flash déclenché ont été utilisés pour capturer des images d’une zone de 20 x 15 mm. Différentes évaluations de fissures basées sur le champ de contrainte et sur le champ de déplacement ont été appliquées.
La procédure présentée dans cet article est appliquée aux spécimens soudés présentant un cran, et donc une concentration de stress. Un système DIC 3D avec deux caméras est utilisé, ce qui permet de tenir compte des déplacements hors plan du spécimen. Les caméras sont déclenchées alors que l’éclairage est constant. La détection des fissures est basée sur le champ de tension mesuré sur une superficie de 55 x 40 mm.
La procédure offre un moyen robuste et comparable de détecter les fissures dans les tests de fatigue. En outre, il fournit un enregistrement de la propagation des fissures. Il est applicable sur les machines de test de résonance avec des fréquences de chargement élevées. Les tests n’ont pas besoin d’être interrompus pour les mesures, et aucun opérateur n’a besoin d’être présent pendant le test. La procédure peut donc être appliquée efficacement à un grand nombre de tests pour récupérer des informations sur l’initiation et la propagation des fissures.
Protocol
Representative Results
Discussion
La procédure présentée consiste à utiliser le DIC pour détecter et surveiller les fissures de fatigue sur les échantillons soudés testés sur une machine d’essai de résonance sans interrompre l’essai. Le principal défi dans l’application est la fréquence de charge élevée de la machine de test de résonance. Il nécessite des temps d’exposition relativement courts et donc un éclairage élevé pour l’acquisition des images pour les tests DIC. Par conséquent, l’éclairage doit être maximisé. D’autre part, les réflexions sur la surface métallique peuvent nécessiter l’utilisation de filtres de polarisation, ce qui réduira la quantité de lumière entrant dans les caméras. Pour mieux utiliser la lumière disponible, l’ouverture des objectifs peut être élargie. Cela réduira la profondeur de mise au point. Il est donc nécessaire de fixer l’accent exactement à la distance de la surface du spécimen et le mouvement hors du plan de l’échantillon ne doit pas dépasser la plage focalisée. La configuration des caméras et de l’éclairage nécessite un soin particulier.
Néanmoins, les souches calculées par DIC pourraient ne pas être très précises (figure 6). Les souches calculées peuvent montrer un bruit élevé. Sur certaines des facettes utilisées pour dic, le motif de tache peut ne pas être reconnu et les souches ne seront pas calculées. Mais la procédure proposée s’est avérée robuste en ce qui concerne la qualité des résultats du DIC. Même si les résultats ne sont pas assez bons pour déterminer les souches à la soudure avec précision, il devrait toujours être possible de détecter les fissures.
La soudure mégotprésentée ici a un orteil de soudure relativement lisse par rapport à d’autres géométries de soudure. Les fissures sont susceptibles d’initier à des imperfections le long de l’orteil de soudure avec une encoche pointue et donc une forte concentration de stress. Malheureusement, il peut ne pas être possible d’évaluer les souches par DIC à ces endroits précis parce que les facettes utilisées pour le calcul peuvent ne pas être reconnues. Par exemple, la figure 5 montre une fissure initiant sur le côté gauche du spécimen, les facettes manquantes à 25 mm horizontales / -5 mm verticales. Mais comme le montre l’exemple, même si certaines facettes ne sont pas évaluées, il est toujours possible de déterminer quand la fissure commence et commence à croître. Pour les soudures avec un angle plus raide et des encoches plus nettes (p. ex., raidisseur longitudinal, soudure de filet), il peut être utile d’incliner les caméras à 15 degrés pour augmenter l’angle de la surface de soudure. La procédure proposée a également été appliquée sur les raidisseurs longitudinals. Malgré l’encoche relativement forte à l’orteil de soudure, il a été possible de détecter de façon fiable l’initiation des fissures.
Des fissures macroscopiques sont supposées lorsque des souches de 1 % ou plus sont atteintes. Dans une étude réalisée par Kovûrôk et coll.20, DIC a été appliqué pour détecter les fissures sur les spécimens thermiques enduits de pulvérisation et non notifiés. Il a été indiqué que la valeur seuil pour la détection des fissures pouvait être fixée à une fourchette de 0,5 % et de 1 % sans affecter de façon significative les résultats. Ces valeurs sont confirmées par la comparaison avec les marques de plage(figure 4 et figure 5). Une valeur plus faible entraînera une détection plus précoce des fissures, mais pourrait être plus sujette aux incertitudes et produire des résultats moins comparables. Une valeur plus élevée conduira à une reconnaissance ultérieure de l’initiation des fissures, mais les résultats seront probablement plus comparables et reproductibles.
L’application statique du premier cycle de charge (étape 3.3) peut prendre du temps lorsque de nombreux tests sont effectués. Si aucune souche plastique ne se produit à l’orteil de soudure (encoche), elle peut également être omise et l’état déchargé (étape 3.2) utilisé comme référence pour les calculs de contrainte. Dans le cas contraire, l’une des images acquises au début du test dynamique peut être utilisée si la qualité de l’image est adéquate (voir Figure 6).
Si seulement quelques spécimens sont testés, le temps d’configuration ne doit pas être sous-estimé. Il peut prendre un certain temps et des boucles itératives pour installer et configurer les caméras avec précision et effectuer l’étalonnage pour obtenir des images appropriées pour l’évaluation DIC.
La préparation des échantillons, par contre, est rapide et peu coûteuse. Les spécimens n’ont qu’à être nettoyés et pulvérisés de couleur pour appliquer le crépitement de tache. Cela a peu de frais et rend pratique la procédure proposée basée sur le DIC, en particulier si un grand nombre de spécimens seront testés.
Un autre avantage, en particulier pour de grands ensembles de spécimens ou d’essais en cours d’exécution pendant la nuit, est que les caméras sont déclenchées automatiquement, et les tests n’ont pas besoin d’être interrompus.
Une restriction de la procédure DIC est qu’en tant que méthode optique, elle est limitée aux fissures de surface. En outre, il exige que la zone à surveiller soit visible par les caméras pendant que le spécimen est monté dans la machine d’essai.
La procédure présentée a été utilisée principalement pour détecter le début des fissures techniques. Mais comme nous l’avons démontré, il permet également d’évaluer la croissance des fissures (p. ex., pour déterminer les taux de propagation des fissures). Le résultat sera la longueur visible sur la surface. La courbure avant de fissure ne peut pas être détectée, cependant.
La procédure a prouvé son applicabilité sur des spécimens soudés présentant une topologie de surface relativement compliquée. Elle devrait également s’appliquer aux spécimens non soudés, car l’absence d’encoches géométriques devrait faciliter les mesures du DIC. Une procédure similaire a été appliquée dans l’adresse de Kovûrûk et coll.20 sur des spécimens non notés.
En outre, la procédure pourrait également être appliquée pour les tests de fatigue sur les machines d’essai servo-hydrauliques. Ici, la fréquence d’essai serait plus faible que sur une machine de test de résonance. Le temps d’exposition des caméras pourrait donc être plus long, ce qui devrait faciliter la configuration de la caméra.
En conclusion, la procédure présentée offre un moyen simple d’étudier le développement des fissures dans les tests de fatigue. Il permet la détection des fissures techniques et la surveillance de la propagation des fissures (p. ex., pour déterminer les taux de propagation des fissures dans les tests de fatigue). La nature illustrative des résultats facilite leur interprétation et leur évaluation. La technique s’applique aux machines de test de résonance avec des fréquences de chargement élevées sans interrompre les tests. Les mesures sont entièrement automatisées, donc aucune supervision continue n’est nécessaire. Il s’applique aux spécimens soudés présentant une géométrie relativement compliquée dans la région d’intérêt. Sur les spécimens à petite échelle, il permet une couverture de toute la largeur du spécimen. En outre, la procédure est caractérisée par une configuration simple et le post-traitement de base, ce qui en fait une alternative pratique aux méthodes existantes.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) EH 485/4-1.
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 |
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