使用数字图像相关性对焊接试样共振疲劳测试中的裂纹监测

1. 标本制备 注意：使用焊接或加工设备具有潜在危险。工作应由合格的人员根据制造商提供的指示执行。 使用所需的焊接几何形状（例如，对角焊缝、纵向加强剂、圆角焊缝）制备试样。如果测量整个试样宽度，则试样尺寸可能受所用摄像机系统所描绘的区域的限制。在此进行的测试中，使用了两个不同厚度的板之间的多层 K-butt 焊缝的试样（图1）。样品采用金属有源气体焊接结构钢S355制成。有关标本制备的更多信息，可在弗里德里希和埃勒斯21号找到。 如有必要，通过研磨来缓解相互竞争的裂纹位置。这些可能是板的另一侧的焊脚趾或加强剂的另一端。在这里，表面应接地，直到光滑，没有尖锐的凹口，以避免裂缝。 使用清洁布和清洁剂清洁焊缝周围区域的试样表面以脱脂。使用黄铜钢丝刷小心地从焊接表面和焊接脚趾上清除所有松动的材料。表面应无油和无油脂。 使用黑白喷漆的交替应用，应用 DIC 的斑点图案。请勿将喷雾直接指向表面，但让喷雾雾沉降在试样上。不需要连续层。斑点大小应尽可能精细，大小为 0.1 mm（见图2）。注： 哑光漆更可取，以减少反射。 2. 测试设置 注意：使用机械或伺服液压测试设备具有潜在危险。小心操作，并按照制造商提供的说明操作。 放置 DIC 摄像机，以捕获放置在测试机器中的试样上的兴趣区域。确切的设置将取决于所使用的设备。在此进行的测试中，摄像机安装在支架上，可伸向测试机中水平排列的试样（图3）。 仔细调整摄像机目标的对焦，以确保测量区域处于对焦中。在已使用的摄像机上，这是通过拧入或拧出目标来更改镜头和摄像机传感器之间的距离来实现的。 调整灯光的位置以最大化照明（此处使用了四个 16 瓦 LED 灯;这允许测量区域均匀照明，但也可以进行其他配置）。建议使用正确安装在灯光和物镜上的极化滤波器，以减少金属表面的反射。 选择适当的曝光时间。它将取决于测试频率，并且应该是一个负载周期持续时间的足够小（±1/35）的分数。在此提供的测试中，测试频率为 34 Hz 的暴露时间为 0.8 ms。 校准 DIC 系统。该过程将取决于所使用的系统，应在特定的用户手册中描述。 使用选定的曝光时间拍摄一些照片。使用贴切的 DIC 软件计算应变。验证图像质量是否足以计算任何应变，结果中的散点是否过多（在卸载状态应变时应变应接近于零），并且结果覆盖整个感兴趣区域。如果图像太暗，请调整照明。可能有必要打开目标的光圈，尽管这将降低对焦的深度。更亮的斑点图案可能也会有所帮助。 连接来自测试机器的力信号输出以触发摄像机。商用 DIC 系统，包括硬件和软件，允许在负载周期的特定间隔内触发触发器。为此，负载周期由跨越特定值的上升力信号计数。当达到指定的负载循环次数时，将触发摄像机，并重新开始计数。示例触发器列表作为补充文件提供。 执行测试运行以确定触发信号和摄像机曝光之间的延迟。在负载信号峰值之前设置触发器以补偿延迟。如果使用触发列表（参见步骤 2.7），则根据所需的电压负载信号调整参数值。在显示的测试中，摄像机的触发率分别为最大力的91%和96%。这些值仅作为示例给出，并不总是合适的。注： 图像不必在负载峰值处精确拍摄。然而，裂缝应该变得可见。 将触发器设置为负载周期间隔，以便在预期测试持续时间内的图像总数为 100–200（例如，对于具有 106 个负载循环的测试，每 10，000 个周期）。在触发器列表中（请参阅步骤 2.7）中，将循环值调整为所需的负载循环数。 3. 疲劳测试 注意：使用机械或伺服液压测试设备具有潜在危险。小心操作，并按照制造商提供的说明操作。 将试样安装到测试机器中。 如果需要，在加载前获取 DIC 图像。这不是裂纹检测所必需的，但它允许使用 DIC 测量负载下的表面应变。 静态应用第一个负载循环。在最大负载下停止，并为 DIC 拍摄一些图像。一个图像应该足够，但由于 DIC 结果的质量可能并不总是最佳的，因此，如果再选择几张图像进行分析，可能会有所帮助。对于这些图像，可以酌情使用更长的曝光时间。注： 可以省略此静态负载循环，但静态获取的图像质量可能优于动态测试期间获取的图像，从而提高了 DIC 结果。 设置负载范围并启动循环测试。或者，通过包括保持上负载但负载范围减小的间隔来获得海滩标记。对于此处显示的示例，每 40，000 个常规循环在 15，000 个周期中应用了一半的负载范围。海滩标记对于所述过程来说并非必要，但提供了验证检测到的裂纹长度的可能性。 指定静态和动态负载并运行测试，直到试样失败。在试验中应用了0 kN的静态负载和22.5 kN的动态振幅。在应力缓解试样上分别使用了50 kN静态负载和50 kN 动态负载。 4. 后处理 使用贴切软件评估 DIC 并计算试样轴向（加载）方向的应变。商业软件（见材料表），包括菌株的自动计算被采用。关于菌株计算的信息可以在Grédiac和Hild22中找到，在Belloni等人中提供了当前商业和开源DIC软件的概述。使用步骤 3.3 中获取的第一个静态负载周期中的图像作为参考图像。此处，在 DIC 评估中应用了 19 x 19 像素（±0.32 x 0.32 mm）的分面尺寸和 15 x 15 像素的分面距离。 绘制计算应变的图，并将图例设置为相对较高的值（0.5% 到 1.0%）以抑制可能的噪音。根据应用的软件，这些图将在计算位移和应变后的结果部分（4.1）中可用。 运行测试期间获取的图像序列。形成裂纹在升高的菌株方面变得可见。当菌株超过1%时，可能会出现宏观裂纹。 要比较不同的测试结果，可能有兴趣确定裂纹何时达到指定长度。裂纹长度为 ±2 mm，被认为是技术裂纹或宏观裂纹。