Digital bild korrelation används i utmattningsprov på en resonanstester maskin för att upptäcka makroskopiska sprickor och övervaka sprickspridning i svetsade prover. Sprickor på preparatytan blir synliga som ökade stammar.
En procedur som använder digital bild korrelation (DIC) för att upptäcka sprickor på svetsade prover under utmattningsprov på resonanstester maskiner presenteras. Det är avsett som ett praktiskt och reproducerbart förfarande för att identifiera makroskopiska sprickor på ett tidigt stadium och övervaka sprickspridning under utmattningsprov. Den består av stam fältmätningar vid svetsen med DIC. Bilder tas vid fasta lastcykel intervall. Sprickor blir synliga i den beräknade stammen fältet som förhöjda stammar. På så sätt kan hela bredden av ett småskaligt exemplar övervakas för att upptäcka var och när en spricka initierar. Därefter är det möjligt att övervaka utvecklingen av spricklängd. Eftersom de resulterande bilderna sparas, resultaten är verifierbara och jämförbara. Förfarandet är begränsat till sprickor som initieras vid ytan och är avsett för utmattningsprov under laboratorieförhållanden. Genom att visualisera sprickan, kan det presenterade förfarandet direkt observation av makro sprickor från deras bildande tills bristning av preparatet.
Svetsar är särskilt utsatta för utmattnings skador. Deras utmattningsegenskaper bestäms vanligen på småskaliga prover som kan testas effektivt. Under testerna tillämpas en cyklisk belastning. Så småningom en spricka kommer att initiera och växa till makroskopisk storlek. Sprickan kommer då att växa och propagera genom preparatet. Testet körs vanligtvis tills preparatet misslyckas i sin helhet. Resultatet av testet är antalet lastcykler tills fel för den tillämpade belastningen. Detta sista misslyckande är vanligtvis uppenbart. Å andra sidan, spricka initiering är mer komplicerat att avgöra. Det kan dock vara av intresse för utredningar av parametrar som inte är enhetliga över preparat tjockleken eller som påverkar sprickinitiering specifikt (t. ex. restspänningar eller behandlingar efter svetsningen).
Det finns olika metoder för detektering av sprickor vid utmattningsprov. Den enklaste är visuell inspektion, Dye penetrationstester, eller tillämpning av töjningsmätare. Mer sofistikerade metoder inkluderar Termografi, ultraljud, eller virvelströmstestning. Spricka spridning kan bestämmas med hjälp av träffande töjningsmätare, akustisk emission, eller den potentiella Drop-metoden.
Det föreslagna förfarandet använder digital bild korrelation (DIC) för att visualisera ytan stammar på preparatet. Det möjliggör detektion av bildandet av makroskopiska sprickor under utmattningsprov. Dessutom kan spricka spridning övervakas under hela provningen. För DIC appliceras ett ojämnt mönster på preparatytan och övervakas av kameror. Från distorsionen av mönstra under att ladda, ytbehandlar stammar beräknas. Sprickor kommer att visas som förhöjda stammar överskrider ett definierat tröskelvärde (> 1%) och blir därför synlig.
Med förskottet av beräkningsteknik, är DIC blir mer och mer populär för industriella och forskningsapplikationer. Flera kommersiella mätprogram varu system samt öppen källkod finns tillgängliga1. Det föreslagna förfarandet erbjuder en annan användning av en teknik som redan finns tillgänglig i ett ökande antal forskningsanläggningar inom mekanisk och anläggningsteknik.
Jämfört med visuella inspektioner eller Dye penetrationstester, är det föreslagna förfarandet inte grundas på subjektiv perception, som beror på en operatörs erfarenhet och den lokala geometrin på svetsen tå. Även med hög förstoring kan det vara svårt att upptäcka sprickor på ett tidigt stadium (dvs, spricka initiering), särskilt om den exakta platsen inte är känd i förväg. Dessutom använder DIC resultaten sparas och därför reproducerbara och jämförbara, medan visuell inspektion är möjlig endast tillfälligt.
Genom att använda en hel fälts mätning kan man övervaka hela bredden på preparatet eller svetsens längd. Med hjälp av töjningsmätare, skulle det vara nödvändigt att tillämpa flera mätare över preparat bredden, eftersom deras mätning är lokaliserad. De förändringar i töjningsmätaren signalen skulle bero på avståndet och positionen i förhållande till sprickan. Resultatet skulle bero på om sprickan skulle initiera i mellan två mätare eller av en slump framför en.
En annan fördel med DIC är att det är visuellt, och det ger en beskrivande bild av sprickan. Med hjälp av töjningsmätare för sprickdetektering eller akustisk emission för spricktillväxt, är själva spricklängden inte övervakad, men den bestäms av förändringar i de uppmätta stam-eller ljudsignalerna respektive. Till exempel i Shrama et al.2 DIC tillåtet för förståelsen och tolkningen av akustiska emissions signaler. Andra påverkande faktorer eller störande signaler kan påverka den uppmätta signalen, vilket leder till osäkerhet och kräver noggrann tolkning av resultaten.
Olika tillämpningar av DIC för att övervaka sprickor i utmattnings test har rapporterats. I många fall DIC används för att bedöma stam fältet på sprickan tips3,4,5 och bestämma stressintensitet faktorer6,7,8 eller upptäcka trötthet skador på en mikroskopisk skala9,10. I dessa fall används mikroskopiska bilder för att undersöka områden av intresse i intervallet några millimeter. De testade exemplaren består av maskinbearbetade grundmaterial med dimensioner i millimeter-området. Större mätområden spelades in av Tavares et al.11 för att bestämma stressintensitetsfaktorer, av shrama et al.2 för att studera akustiska emissions signaler, och av hasheminejad et al.12 för att undersöka sprickor i asfalt betong. Poncelet et al.13 tillämpas DIC att upptäcka spricka initiering baserat på den relativa stammen ökning över ett visst antal lastcykler. Testerna utfördes på prover med en maskinbearbetad yta. Svetsade14,15 eller lödade preparat16 studerades med hjälp av DIC för att registrera utvecklingen av stammar under utmattnings test. Exemplaren observerades från sidan, som visar utvecklingen av sprickan i djup riktningen, på kanten av preparatet.
Alla tidigare nämnda experiment utfördes på servohydrauliska provningsmaskiner med belastnings frekvenser på några Hertz (< 15 Hz). Vanligtvis var testerna avbröts för att spela in bilder för DIC. Vanlanduit et al.17 tog bilder under löptest och tillämpade algoritmer för att kompensera för de olika test-och bild inspelnings frekvenserna. Lorenzino et al.18 utförde tester på en resonanstester maskin och fångade DIC bilder med mikroskopiska kameror. Kovárík et al.19,20 utfört tester på en resonanstester maskin med en frekvens av 100 Hz utan avbrott, med hjälp av ett förfarande mycket likt den som presenteras här. Testerna utfördes på plana, belagda preparat under bocknings laster. En enda kamera och en utlöst blixt användes för att fånga bilder av en yta på ~ 20 x 15 mm. olika sprickbedömningar baserade på fältet för belastnings-och förskjutnings fält tillämpades.
Det förfarande som presenteras i detta dokument tillämpas på svetsade prover som presenterar ett snäpp, och därmed en stress koncentration. En 3D DIC-system med två kameror är anställd, vilket gör det möjligt att redogöra för ut ur planet förskjutningar av preparatet. Kamerorna utlöses medan belysningen är konstant. Sprickdetektering är baserad på stam fältet mätt på en yta av 55 x 40 mm.
Förfarandet ger ett robust och jämförbart sätt att detektera sprickor i utmattningsprov. Dessutom ger det ett register över sprickspridning. Den är tillämplig på resonanstester maskiner med hög lastning frekvenser. Proven behöver inte avbrytas för mätningar, och ingen operatör behöver närvara under provningen. Förfarandet kan därför effektivt tillämpas på ett stort antal tester för att hämta information om spricka initiering och förökning.
Det presenterade förfarandet består av att använda DIC för att upptäcka och övervaka trötthet sprickor på svetsade prover testas på en resonanstester maskin utan att avbryta testet. Den största utmaningen i ansökan är den höga belastnings frekvensen av resonanstester maskinen. Det kräver relativt korta exponeringstider och därmed hög belysning för förvärvet av bilderna för DIC-testerna. Därför måste belysningen maximeras. Å andra sidan, reflektioner på den metalliska ytan kan kräva användning av polariserings filter, vilket kommer att minska mängden ljus in i kamerorna. För att bättre utnyttja det tillgängliga ljuset kan bländaren för målen förstoras. Detta kommer att minska djupet i fokus. Det är därför nödvändigt att ställa in skärpan exakt på avståndet mellan preparatytan och ut ur planet rörelsen av preparatet bör inte överstiga det fokuserade området. Installationen av kamerorna och belysningen kräver särskild omsorg.
Men de stammar som beräknats av DIC kanske inte är mycket exakta (figur 6). De beräknade stammarna kan visa hög brus. På några av de fasetter som används för DIC kanske speckle-mönstret inte känns igen och stammar kommer inte att beräknas. Men det föreslagna förfarandet har visat sig robust med avseende på kvaliteten på DIC resultat. Även om resultaten inte är tillräckligt bra för att bestämma stammarna vid svetsen exakt, bör det fortfarande vara möjligt att upptäcka sprickor.
Den Butt Weld presenteras här har en relativt slät svetsa tå jämfört med andra svets geometrier. Sprickor kommer sannolikt att initiera på brister längs svetsen tå med en vass snäpp och därmed hög stress koncentration. Tyvärr kan det inte vara möjligt att utvärdera stammar av DIC på dessa exakta platser eftersom fasetter som används för beräkningen inte kan identifieras. Figur 5 visar till exempel en spricka som inleds på provexemplarets vänstra sida, saknade fasetter på + 25 mm horisontellt/-5 mm vertikalt. Men som visas i exemplet, även om några fasetter inte utvärderas är det fortfarande möjligt att avgöra när sprickan initierar och börjar växa. För svetsar med en brantare vinkel och skarpare Hack (t. ex. längsgående förstyvning, filé svetsa) kan det hjälpa att luta kamerorna ~ 15 ° för att öka vinkeln till svets ytan. Det föreslagna förfarandet tillämpades även på längsgående förstyvningar. Trots den relativt skarpa skåra vid svetsen tån det var möjligt att tillförlitligt upptäcka spricka initiering.
Makroskopiska sprickor antas när stammar på 1% eller mer uppnås. I en studie av Kovárík et al.20, DIC tillämpades för att upptäcka sprickor på termisk spray-belagda, unnotched prover. Det angavs att tröskelvärdet för sprickdetektering kunde fastställas i intervallet 0,5% och 1% utan att signifikant påverka resultaten. Dessa värden bekräftas av jämförelsen med strand märkena (figur 4 och figur 5). Ett lägre värde kommer att leda till en tidigare sprickdetektering men kan vara mer benägna att osäkerhet och ger mindre jämförbara resultat. Ett högre värde kommer att leda till ett senare erkännande av sprickinitiering, men resultaten kommer förmodligen att vara mer jämförbara och reproducerbara.
Att tillämpa den första belastnings cykeln statiskt (steg 3,3) kan resultera i tidskrävande när många tester utförs. Om inga plast stammar uppstår vid svetstån (skåran) kan det också utelämnas och det lossade villkoret (steg 3,2) används som referens för belastnings beräkningar. I annat fall kan en av de bilder som förvärvats i början av det dynamiska testet användas om bildkvaliteten är tillräcklig (se figur 6).
Om endast ett fåtal prover testas bör Omställningstiden inte underskattas. Det kan kräva en viss tid och iterativa loopar att installera och ställa in kamerorna korrekt och utföra kalibreringen för att få rätt bilder för DIC bedömning.
Preparat beredning, å andra sidan, är snabb och billig. Proverna behöver endast rengöras och sprayas med färg för att applicera speckle-Pattern. Detta kommer till föga kostnad och gör det föreslagna DIC-baserade förfarandet praktiskt, särskilt om ett stort antal prover kommer att testas.
En ytterligare fördel, särskilt för stora uppsättningar av prover eller tester som körs över natten, är att kamerorna utlöses automatiskt, och testerna behöver inte avbrytas.
En begränsning av DIC-förfarandet är att som en optisk metod är det begränsat till ytan sprickor. Dessutom kräver det att det område som ska övervakas ska synas av kamerorna medan preparatet monteras i provnings maskinen.
Det presenterade förfarandet användes främst för att upptäcka början av tekniska sprickor. Men som visat, det gör det också möjligt för bedömning av spricktillväxt (t. ex., för att bestämma spricka spridnings frekvens). Resultatet blir den längd som syns på ytan. Crack främre krökning kan dock inte upptäckas.
Förfarandet visade sin tillämplighet på svetsade exemplar presentera en relativt komplicerad yta topologi. Det bör också vara tillämpligt på icke-svetsade prover, eftersom avsaknaden av geometriska Hack bör underlätta DIC mätningar. Ett liknande förfarande har tillämpats i Kovárík et al.20 på icke-notched exemplar.
Dessutom skulle förfarandet också kunna tillämpas för utmattningsprov på servohydrauliska provningsmaskiner. Här skulle Testfrekvensen vara lägre än på en resonanstester maskin. Exponeringstiden av kamerorna kunde thus vara längre, som bör underlätta kamerainställningen.
Sammanfattningsvis erbjuder det presenterade förfarandet ett enkelt sätt att studera utvecklingen av sprickor i utmattningsprov. Det möjliggör detektering av tekniska sprickor och övervakning av sprickspridning (t. ex. för att bestämma sprickspridnings hastigheter i utmattningsprov). Resultatens belysande karaktär underlättar tolkningen och bedömningen. Tekniken är tillämplig på resonanstester maskiner med hög lastning frekvenser utan att avbryta testerna. Mätningarna är helt automatiserade, så ingen kontinuerlig övervakning behövs. Det är tillämpligt på svetsade prover som uppvisar en relativt komplicerad geometri i regionen av intresse. På småskaliga exemplar, det tillåter täckning av hela bredden av preparatet. Dessutom är förfarandet kännetecknas av en enkel installation och grundläggande efter bearbetning, vilket gör det till ett praktiskt alternativ till befintliga metoder.
The authors have nothing to disclose.
Finansierat av Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, den tyska forskningsstiftelsen) 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 |