專利名稱：一種焊縫材料參數(shù)識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊縫材料參數(shù)識別方法，尤其涉及一種基于DIC技術(shù)和硬度試驗識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
拼焊板是將幾塊不同強度、不同厚度的鋼板焊接成一塊整體板，以滿足零部件不同部位對材料性能的不同要求，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在減輕零件重量、減少零件數(shù)量以及提高結(jié)構(gòu)功能等方面。隨著現(xiàn)代社會對環(huán)境保護、資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的重視，拼焊板在汽車制造中運用的越來越廣泛，拼焊板技術(shù)也成為汽車制造業(yè)中最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。在對金屬板材進行焊接的過程中，由于熱量的影響，焊縫區(qū)域發(fā)生了相變，材料參數(shù)發(fā)生了變化，這使得焊縫區(qū)域的材料參數(shù)與母材相比較，有很大的差異，焊縫的材料參數(shù)如何準(zhǔn)確獲得也便成為了一個急待解決的工程難題。 目前，國內(nèi)外有關(guān)拼焊板力學(xué)性能研究的報道較多，并取得了一定的研究成果。如Abdullah等通過拉伸試驗和硬度試驗，利用混合法得到了拼焊板(母材為AISI 1005和STMA370)焊縫區(qū)域的材料參數(shù)。香港理工大學(xué)的Cheng等利用激光在焊縫區(qū)域打上直徑為Imm和深度為IOum的圓形柵格，并且為了盡量減少母材和熱影響區(qū)域(HAZ)的影響，其切割出的拉伸試件寬度只有I. 5-2mm,在拉伸的過程中，利用一個實時攝像記錄系統(tǒng),記錄下試件上的柵格變化和拉伸機的載荷變化，利用塑性體積不變假設(shè)和塑形力學(xué)公式，得到了焊縫區(qū)域的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。Reis等利用屈服應(yīng)力和材料硬度的比值關(guān)系，得到低碳鋼拼焊板各區(qū)域的材料力學(xué)參數(shù)。Zhan等利用混合法和硬度試驗分別得到了拼焊管道的焊縫和熱影響區(qū)的材料參數(shù)。張士宏等通過橫向和縱向拉伸試驗對拼焊板的塑性變形能力進行了測試和分析研究。同濟大學(xué)的林建平基于焊縫和母材應(yīng)變相等的假設(shè)，研究了焊縫強度系數(shù)K和焊縫硬化指數(shù)n對拼焊板試件抗拉強度和平均延伸率的影響。然而，上述方法中存在忽略熱影響區(qū)影響或焊縫寬度較難確定等缺陷。因此，急需一種相對簡單、精度較高并容易實現(xiàn)的方法對焊縫處的材料參數(shù)進行識別。隨著數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)(DIC Digital ImageCorrelation)技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了大量的運用。DIC技術(shù)為我們提供了一種測定實時應(yīng)變的方法，這樣結(jié)合硬度實驗成為了一種識別局部力學(xué)材料參數(shù)新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、精度高并容易實現(xiàn)的焊縫處的材料參數(shù)識別方法。本發(fā)明的焊縫材料參數(shù)識別方法包括如下步驟步驟I :確定一種材料硬化模型；步驟2 :制備焊縫硬度試驗試件；步驟3 :對步驟2中的試件進行硬度試驗，根據(jù)硬度試驗測得的硬度值進行焊縫分區(qū)，并獲得焊縫各區(qū)的硬度值；步驟4 :制備拼焊板拉伸試件；步驟5 :對拉伸試件分區(qū)，采用DIC設(shè)備獲取拉伸試件各區(qū)實時全場主、次應(yīng)變值；步驟6 :根據(jù)步驟3中得到的硬度值和步驟5中得到主、次應(yīng)變值，通過塑性力學(xué)公式計算得到焊縫各區(qū)的材料參數(shù)；步驟7 :建立拉伸實驗有限元模型并且驗證所建立的有限元模型的精度并進行修正；步驟8 :將步驟6中計算得到的焊縫各區(qū)材料參數(shù)輸入步驟7的有限元模型中，驗證檢測方法的準(zhǔn)確性，如果仿真結(jié)果不精確，則返回到步驟2，重新利用硬度試驗對焊縫區(qū) 域進行分區(qū)，重復(fù)步驟2、3、4、5、6、7、8。本發(fā)明采用材料硬化模型為冪指數(shù)材料硬化模型C=K e n，其中，O為真實應(yīng)力，e為真實應(yīng)變，K是強度系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。所述拼焊板為同厚異材的拼焊板，其中母材為DP980和DP600，厚度為2mm。在步驟2中將所述試件切割為IOmmX IOmmX 2mm的試件,并且清洗所述試件表面，去除氧化皮和外來污物，打磨、拋光試件表面，使試件表面符合硬度實驗要求在步驟3中焊縫分區(qū)可分為熔池區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。在步驟4中利用線切割工藝加工出拉伸試件，在試件表面上噴上一層白漆，在白漆上隨機噴上黑色油漆斑點。在步驟5中對拉伸試件分區(qū)的方式為以焊縫中心為基準(zhǔn)線，在垂直焊縫方向上的整個拉伸試件區(qū)域以0. ImmXO. Imm進行網(wǎng)格劃分。采用DIC設(shè)備的工作步驟為測量拉伸試件表面變形量，采集拉伸試件變形前后的圖像，然后采用干涉算法軟件對圖像進行計算，獲得試件表面的全場主、次應(yīng)變值。步驟6中計算得到焊縫各區(qū)的材料參數(shù)為應(yīng)變硬化指數(shù)值和強度系數(shù)值。步驟7中驗證的方式為對母材拉伸試件進行拉伸實驗，獲得母材的材料參數(shù)，將得到的母材材料參數(shù)代入所建立的有限元模型中進行拉伸仿真實驗，獲得母材拉伸仿真實驗載荷一位移曲線，將該曲線與母材實際拉伸實驗載荷一位移曲線進行比較，驗證所建立的有限元模型的精度，其中所述母材為DP980，獲得的母材材料參數(shù)為強度系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)。本發(fā)明利用DIC技術(shù)和硬度測試儀器，結(jié)合有限元數(shù)值模擬和實驗驗證，提供了一種準(zhǔn)確獲得焊縫區(qū)域靜態(tài)材料參數(shù)的簡單方法，拓寬了 DIC技術(shù)的使用范圍。本發(fā)明可以取代忽略焊縫區(qū)域或忽略熱影響區(qū)域材料參數(shù)的方法，考慮焊縫不同區(qū)域的材料參數(shù)，更能真實的反映焊縫處的力學(xué)性能，具有一定的實用價值和工程意義。


圖I為本發(fā)明檢測方法的流程示意圖；圖2為本發(fā)明硬度測試CAD示意圖；圖3為本發(fā)明硬度實驗測試過程示意圖；圖4為本發(fā)明通過硬度實驗獲得的硬度分布圖5為本發(fā)明中拼焊板拉伸試件CAD圖；圖6為本發(fā)明DIC裝置示意圖；圖7為本發(fā)明方法中通過DIC技術(shù)獲得的試件發(fā)生緊縮時焊縫區(qū)域的主次應(yīng)變分布圖；圖8為本發(fā)明通過對有限元仿真與拉伸實驗獲得的拼焊板載荷一位移曲線圖。
具體實施方式
以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明采用材料硬化模型為冪指數(shù)材料硬化模型C=K e n，該硬化模型由Hollomon在1944年提出，其中，O為真實應(yīng)力，e為真實應(yīng)變，K是強度系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，其作為判定材料塑性的重要力學(xué)指標(biāo)，用于描述材料的加工硬化行為。試驗研究表明，很多金屬的硬化曲線近似于拋物線形狀，對于立方晶格的退火金屬(如鋼板和鋁合金等)，在塑性變形階段具有拋物線形式的拉伸曲線，其硬化曲線都可相當(dāng)精確地用Hollomon的冪指數(shù)硬化模型來表示。因此，根據(jù)該硬化模型，確定了應(yīng)變硬化指數(shù)n和強度系數(shù)K，便確定了該種材料的塑性變形曲線，也即獲得了焊縫區(qū)域的材料參數(shù)。如圖(I)為本發(fā)明檢測方法的具體流程圖，該實例中所用的拼焊板為同厚異材拼焊板，母材為DP980和DP600，厚度為2mm。其中DP980和DP600為雙相鋼，這種鋼板具有屈服點低、初始加工硬化速率高以及強度和延性匹配好等特點，是一種強度高、成形性好的新型沖壓用鋼，可以進一步滿足汽車減重、節(jié)能的需要。其具體步驟如下(I)制備焊縫硬度試驗試件將試件進行切割以制成IOmmX IOmmX2mm的試件以便能夠符合硬度實驗要求；試件表面應(yīng)光滑平坦，無氧化皮及外來污物，尤其不應(yīng)有油脂；由于硬度實驗對試件表面的粗糙度有要求，因而還需要對試件表面進行打磨、拋光等工序，使試件表面符合硬度實驗要求。(2)焊縫準(zhǔn)確分區(qū)對于步驟(I)所制備的試件，在垂直焊縫方向上的整個焊縫區(qū)域內(nèi)選取若干個點進行硬度試驗，試驗過程中試件應(yīng)平穩(wěn)地放在試驗臺的臺架上，并使壓頭軸線與試件表面垂直，已避免試件產(chǎn)生位移，試驗過程中，硬度試驗儀應(yīng)該避免受到?jīng)_擊和振動。圖(2)給出了硬度實驗測試CAD示意圖，為了最大程度上減少誤差，這里測定四條線(分別為測試線1-4)的硬度值，如圖(3)中的(a)和(b)處所示，為了減輕硬度實驗過程中相鄰兩個測試點之間的隆起或沉陷的影響，每條線上兩個相鄰測定點之間的距離為
0.1mm，如圖(3)中的(c)即為放大的硬度測試點，之后選取其平均值作為最后的焊縫硬度分布圖。測得的硬度值如圖(4)所示，根據(jù)這真實的硬度值分布圖進行分區(qū)，大致可以分為熔池區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)焊縫各區(qū)域的硬度值差別很大，因而非常有必要對焊縫區(qū)域進行分區(qū)，分別按照這個硬度值分布圖對焊縫進行詳細(xì)分區(qū)，獲得焊縫各區(qū)域的硬度值。(3)拉伸試件的制備根據(jù)GB/T 228 - 2002，利用線切割技術(shù)加工出拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，然后在試件表面上噴上一層白漆，隨后在白色油漆上噴隨機的黑色油漆斑點，這樣便于在利用DIC技術(shù)時，在試件表面可以獲取隨機散斑，形成很好的干涉，其試件CAD圖如圖(5)所示。(4)獲取焊縫各區(qū)域發(fā)生集中性失穩(wěn)時的主、次應(yīng)變值￡l、e20 DIC設(shè)備示意圖如圖(6)所示，采用DIC技術(shù)測量表面變形量，通過處理變形圖像，獲取待測目標(biāo)物體表面變形前后的數(shù)字圖像，提供目標(biāo)物體表面的子像素精度的全場位移，并通過位移場計算出應(yīng)變。在DIC測量過程中，目標(biāo)物體變形前后的圖像被采集，然后采用干涉算法軟件對圖像進行計算，獲得試件表面的全場應(yīng)變值。為了與前面的硬度劃分的區(qū)域一致，以焊縫中心為基準(zhǔn)線，在垂直焊縫方向上的整個試件區(qū)域以0. ImmXO. Imm進行網(wǎng)格劃分，在拉伸過程中，計算機將會自動地對所劃分的研究區(qū)域進行處理，獲得這些研究區(qū)域?qū)崟r的全場主、次應(yīng)變，試件發(fā)生緊縮時，焊縫區(qū)域的主、次應(yīng)變分布圖如圖(7)所示。(5)應(yīng)變硬化指數(shù)n值和強度系數(shù)K值的計算公式推導(dǎo)根據(jù)彈塑性力學(xué)理論推導(dǎo)出應(yīng)變硬化指數(shù)n值與主次應(yīng)變值以及強度系數(shù)K值與硬度值的計算公式，獲得焊縫各個區(qū)域的靜態(tài)力學(xué)材料參數(shù)，具體推導(dǎo)步驟如下I)應(yīng)變硬化指數(shù)n值的理論計算公式推導(dǎo)。
拼焊板試件在拉伸過程中，焊縫受到兩側(cè)母材的約束，其應(yīng)變狀態(tài)介于單向拉伸和平面應(yīng)變之間。假設(shè)主應(yīng)力方向和主應(yīng)變方向均為沿焊縫方向，則應(yīng)變強度增量de i為 dE=-(1+4-B+m2dE3(I)
'l + m3其中，m表示應(yīng)力狀態(tài)比即; P表示應(yīng)變狀態(tài)比即/^g，r為厚向異性系數(shù)。當(dāng)試件達(dá)到某一變形程度時，材料的強化率與厚度的減薄率恰好相等，溝槽一集中性失穩(wěn)即開始發(fā)生，用數(shù)學(xué)式表示為
do, dt ,— = ~ = -d￡i
1 (2)結(jié)合式(I)和式(2)，即得集中性失穩(wěn)產(chǎn)生時的應(yīng)變?yōu)?br> 、L Irtn ,e (l+r)f-TT7-+nr
(3)此時板面內(nèi)得主、次應(yīng)變Epe2分別為
! + (I — w)r1+廣⑷
S、=-:-;—n
_l + m將上式變形可得n= e !+ e 2 (5)利用DIC技術(shù)可以得到焊縫區(qū)發(fā)生集中性失穩(wěn)時的主、次應(yīng)變值￡l、e2，根據(jù)式
(5)可以得到焊縫的硬化指數(shù)n值。2)強度系數(shù)K值的理論計算公式推導(dǎo)。根據(jù)工程經(jīng)驗，材料硬度值和材料的應(yīng)力值有一個直接的關(guān)系HV HV
WP此處cw、cp分別為焊縫和母材的屈服應(yīng)力，HVW、HVp分別為焊縫和母材區(qū)域的硬度值。材料拉伸過程中，在屈服點即彈性階段和塑性階段的臨界點時，同時滿足彈性階段和塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變條件O =E e(7)O =K e n將(式6)和式(7)聯(lián)立，易得材料K值、n值與硬度三者的關(guān)系式為
權(quán)利要求
1.一種基于DIC技術(shù)和硬度試驗識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，包括如下步驟 步驟I :確定一種材料硬化模型； 步驟2 :制備焊縫硬度試驗試件； 步驟3 :對步驟2中的試件進行硬度試驗，根據(jù)硬度試驗測得的硬度值進行焊縫分區(qū)，并獲得焊縫各區(qū)的硬度值； 步驟4:制備拼焊板拉伸試件； 步驟5 :對拉伸試件分區(qū)，采用DIC設(shè)備獲取拉伸試件各區(qū)實時全場主、次應(yīng)變值； 步驟6 :根據(jù)步驟3中得到的硬度值和步驟5中得到主、次應(yīng)變值，通過塑性力學(xué)公式計算得到焊縫各區(qū)的材料參數(shù)； 步驟7 :建立拉伸實驗有限元模型并且驗證所建立的有限元模型的精度并進行修正； 步驟8 :將步驟6中計算得到的焊縫各區(qū)材料參數(shù)輸入步驟7的有限元模型中，驗證檢測方法的準(zhǔn)確性，如果仿真結(jié)果不精確，則返回到步驟2，重新利用硬度試驗對焊縫區(qū)域進行分區(qū)，重復(fù)步驟2、3、4、5、6、7、8。
2.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，步驟I中的材料硬化模型為冪指數(shù)材料硬化模型。
3.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，所述拼焊板為同厚異材的拼焊板，其中母材為DP980和DP600，厚度為2mm。
4.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，在步驟2中將所述試件切割為IOmmX IOmmX 2mm的試件。
5.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，在步驟2中清洗所述試件表面，去除氧化皮和外來污物，打磨、拋光試件表面，使試件表面符合硬度實驗要求。
6.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，步驟3中焊縫分區(qū)可分為熔池區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。
7.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，在步驟4中利用線切割工藝加工出拉伸試件，在試件表面上噴上一層白漆，在白漆上隨機噴上黑色油漆斑點。
8.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，在步驟5中采用DIC設(shè)備的工作步驟為測量拉伸試件表面變形量，采集拉伸試件變形前后的圖像，然后采用干涉算法軟件對圖像進行計算，獲得拉伸試件表面的全場主、次應(yīng)變值。
9.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，在步驟5中對拉伸試件分區(qū)的方式為以焊縫中心為基準(zhǔn)線，在垂直焊縫方向上的整個拉伸試件區(qū)域以0.ImmX 0. Imm進行網(wǎng)格劃分。
10.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，步驟6中計算得到焊縫各區(qū)的材料參數(shù)為應(yīng)變硬化指數(shù)值和強度系數(shù)值。
11.如權(quán)利要求I所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，步驟7中驗證的方式為對母材拉伸試件進行拉伸實驗，獲得母材的材料參數(shù)，將得到的母材材料參數(shù)代入所建立的有限元模型中進行拉伸仿真實驗，獲得母材拉伸仿真實驗載荷一位移曲線，將該曲線與母材實際拉伸實驗載荷一位移曲線進行比較，驗證所建立的有限元模型的精度。
12.如權(quán)利要求11所述的識別拼焊板的焊縫材料參數(shù)的方法，其特征在于，所述母材為DP980，獲得的母材材料參數(shù)為強度系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DIC技術(shù)和硬度試驗識別拼焊板焊縫材料參數(shù)的方法。所述方法包括如下步驟確定材料硬化模型；制備焊縫硬度試驗試件；對所述制備的試件進行硬度試驗，根據(jù)硬度試驗所測得的試件硬度值進行焊縫分區(qū)，并獲得焊縫各區(qū)的硬度值；制備拼焊板拉伸試件；對拉伸試件分區(qū)，采用DIC設(shè)備獲取拉伸試件各區(qū)實時全場主、次應(yīng)變值；根據(jù)所獲得的硬度值和主、次應(yīng)變值，通過塑性力學(xué)公式計算得到焊縫各區(qū)的材料參數(shù)；建立拉伸實驗有限元模型并且驗證所建立的有限元模型的精度并進行修正；將計算得到的焊縫區(qū)域材料參數(shù)輸入有限元模型中，驗證檢測方法的準(zhǔn)確性。本發(fā)明利用DIC技術(shù)和硬度測試儀器，結(jié)合有限元數(shù)值模擬和實驗驗證，提供了一種準(zhǔn)確獲得焊縫區(qū)域靜態(tài)材料參數(shù)的簡單方法，拓寬了DIC技術(shù)的使用范圍。
文檔編號G01N3/40GK102778403SQ201210159850
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者付磊, 孫光永, 徐峰祥, 李光耀, 龔志輝 申請人:湖南大學(xué)