一种用于焊接接头疲劳极限评估的热边界条件控制方法

摘要

本发明公开了一种用于焊接接头疲劳极限评估的热边界条件控制方法，属于焊接接头疲劳性能评估试验方法技术领域。本发明通过划定一个统一大小的采样窗口，以部分试件作为温度演化的分析目标。基于线性偏微分方程边值问题的叠加原理将测量得到的原始温度数据拆分成两部分：边界条件引起的温升和能量耗散引起的温升。在此基础上，进一步将能量耗散引起的温升用于疲劳性能评定，并提供了相应的数据处理方法。本发明公开的热边界控制方法在保证了焊接接头疲劳极限评估结果准确性和实验周期短的基础上，其显著优势在于不再需要像现有技术那样安装额外的温度控制设备，并且在理论上能达到理想的控制效果。相较于现有技术具有显著的新颖性和先进性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于焊接接头疲劳极限评估的热边界条件控制方法，属于焊接接头疲劳性能评估试验方法技术领域。

背景技术

焊接作为一种重要的先进制造技术被广泛应用于工业生成的各个方面。在工程结构的服役过程中焊接接头通常要承受反复施加的循环载荷。因此，焊接接头的疲劳性能对于整体结构的承载能力来说至关重要。在设计和生产制造之前必须对焊接接头的疲劳性能进行有效的评估。

疲劳过程可以看作是在循环载荷作用下材料内部热力学状态的不可逆演化。根据非平衡热力学，任何不可逆过程都不可避免地伴随着能量耗散。能量耗散和疲劳损伤演化之间存在着紧密的联系，并会引起材料温度的升高。能量耗散引起的温度升高已经被证明可以被用来对材料的疲劳性能进行有效的评估。这种基于材料在疲劳过程中自身温度升高的疲劳性能评估方法被称为“温度方法”。目前，很多研究表明温度方法同样适用于焊接接头疲劳性能的评估。相较于传统的统计学方法，温度方法一个显著的优势在于能在较短的时间内获取接头的疲劳性能。

温度方法只考察由材料自身能量耗散引起得温度升高。然而，除了材料自身的能量耗散之外，边界条件同样会对试件的温度造成影响。边界条件变化所导致的试件温度变化与疲劳损伤无关。这部分温升会对采用温度方法的疲劳性能评估结果造成干扰。因此，在基于温度升高的疲劳性能评估中，必须减小甚至去除边界条件变化所造成的影响，否则难以保证结果的可信度。

在实际的疲劳试验过程中，边界条件通常是随时间变化的。为了使热边界条件在疲劳试验过程中保持一致，一些研究者通过在疲劳试验机的夹具上安装循环冷却装置来抑制试件两端的温度升高，例如Facchinetti等人在论文《Identification of Self-HeatingPhenomena Under Cyclic Loadings Using Full-Field Thermal and KinematicMeasurements:Application to High-Cycle Fatigue of Seam Weld Joints》中所采取的方法。然而，通过实验方法控制热边界条件的方法需要付出相当大成本来购置和安装额外的温度控制设备。并且，加装在夹具外围的温度控制装置需要先对夹具整体进行冷却，然后再实现对夹持在夹具内部试件的冷却。这种间接的温度控制方法所能达到的实际效果有限。综上，现有技术通过实验方法控制热边界条件的成本较高且效果不理想。这一问题为现有基于温度升高的疲劳性能评估技术的实际应用增添了诸多困难，并且仍然有可能会造成不可靠的评估结果。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即现有技术通过实验方法控制热边界条件的成本较高且效果不理想。进而提供一种温度数据处理方法来实现对热边界条件的控制，即一种用于焊接接头疲劳极限评估的热边界条件控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在根据由循环载荷引起的温度升高进行疲劳极限评估之前按照如下步骤对试验获得的原始温度数据进行处理：1)以部分试件作为温度演化的分析目标，在试件中心划定一个尽可能大的矩形采样窗口；2)建立一个二维温度模型来描述位于采样窗口中的试件在疲劳试验中的温度演化过程，记为T(x,y,t)；3)基于线性偏微分方程边值问题的叠加原理，将温度模型T(x,y,t)拆分成两个部分T

经过处理后的温度数据T

本发明用于焊接接头疲劳极限评估的热边界条件控制方法，采用本发明所提出的数据处理方法进行边界条件的控制不需要安装其他额外的温度控制设备，且在理论上能达到理想的控制效果。相较于现有的采取实验手段控制热边界条件的方法具有显著的新颖性和先进性。

附图说明

图1为疲劳试件尺寸示意图，其中左边为试件整体尺寸，右上坡口尺寸，右下为接头余高的平均尺寸(单位：mm)。

图2为采样窗口示意图。

图3为红外热成像仪采集到的原始温度数据T(x,y,t)(GF接头，峰值应力为100MPa，第100秒)。

图4为边界条件引起的温度升高T

图5为能量耗散引起的温度升高T

图6为典型的温度演化曲线。

图7为基于温度方法的AZ31B焊接接头疲劳极限评定结果(去余高接头,GF)。

图8为基于温度方法的AZ31B焊接接头疲劳极限评定结果(完整接头,AW)。

图9为AZ31B镁合金焊接接头的S-N曲线。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本实施例中，试验材料选用10mm的AZ31B挤压镁合金板材，其屈服强度和抗拉强度分别为144MPa和238MPa。焊接采用手工TIG焊方法，焊丝选择与母材同质的直径2.8mm的焊丝。焊接完成后，采用X射线检测方法对接头的质量进行检测。图1为疲劳试件的形状和几何尺寸。疲劳试件长度方向平行于板材的挤压方向，其尺寸依据GB/T 985.1-2008设计。

疲劳试验在PLG-200D疲劳试验机上进行，采用应力控制模式，应力比R＝0.1，载荷频率约为100Hz。在本实施例中对去余高接头(ground flush,GF)和原始完整接头(as-welded,AW)两种试件的疲劳性能进行了分析。试件表面用金相砂纸打磨光滑，为了减少反光同时增加发射率，在试件表面均匀喷涂一层黑色的哑光漆。

在疲劳试验进行的同时，采用InfraTech VarioCAM hr红外热成像仪全程监控试件表面的温度变化。热像仪的采集频率为50Hz，设备的精度NETD<0.08℃。采集到的温度数据以热像图(384×288像素)的形式保存。

在试件中心划定一个矩形的采样窗口，如图2所示。为了能对试件表面温度进行全面监测，窗口的尺寸应尽可能大。但是需要注意，为了保证可以用同一个温度模型描述不同试验中采样窗口中的温度，所有的热像图采样窗口的实际尺寸(而非在热像图上大小)必须保持一致。本实施例中采样窗口的大小选择为55×38mm。

采样窗口中试件的温度演化可以用一个二维非稳态传热模型来描述，如方程1所示。

式中：以试件中心为坐标原点，试件长度方向为Y轴，垂直Y轴的宽度方向为X轴建立坐标系，x、y分别为X轴和Y轴的坐标，T为温度，t为时间，s由能量耗散导致的广义内热源，ρ、C、k分别为密度，比热容和导热系数，L为采样窗口高度，W为采样窗口宽度。在表示试件温度演化的模型T(x,y,t)中，初始条件直接设定为红外热像仪的测量结果。下标

方程1是一个典型的非齐次线性偏微分方程。根据线性边值问题的叠加原理，可以将方程1拆分成两个部分，如方程2所示。

T(x,y,t)＝T

在T

实际的疲劳损伤仅与材料自身的能量耗散有关。因此，本发明提出依据由能量耗散引起的温度升高T

这里给出一个从原始温度数据T(x,y,t)中剔除边界条件引起的温升T

a.通过对热成像数据建模来获得T(x,y,t)，既方程1；

b.从已获得的T(x,y,t)中提取初始和边界条件；

c.按照方程2-2，代入上一步中提取的初始和边界条件，并将热源项设定为零，通过数值计算获得T

d.通过T

红外温度数据量较大，本实施例中采用Matlab语言编写的脚本程序来自动地实现整个数据处理过程。具体的，步骤a和b中温度数据直接热像图中提取(与红外热像仪配套的数据处理软件提供这一功能)，步骤c中T

可以看出，在拆分之前，采样窗口上下两个边界上的温度分布并不规律。并且上边界的温度整体上高于下边界的温度。相对的，经过拆分之后的数据，T

一般情况下，发生疲劳损伤的局部区域有着较大的能量耗散，相应的，这些区域的温度也更高。将采样窗口中的最大温度值称为热点温度。提取被保留的能量耗散温度数据每一帧热像图中的热点温度，绘制成热点温度随时间的演化曲线。此后，将根据热点温度演化曲线对两种接头的疲劳极限进行评估。本发明选取尽可能大的采样窗口保证了所有潜在的危险点都位于检测范围之内。

AZ31B镁合金接头典型的热点温度演化曲线如图6所示，可以分为5个阶段。在刚开始的温度上升之后(阶段I)，AZ31B镁合金接头经历了一个显著的温度下降阶段(阶段II)，然后进入长期的温度稳定阶段(阶段III)。这是AZ31B镁合金接头温度演化曲线的一个显著的特征，这种特征被认为和材料的循环硬化有关。

温度演化的前三个阶段，试件表面并不存在明显的宏观裂纹。但从阶段IV开始，宏观裂纹出现并迅速扩展。严重的应力集中造成了较大的塑性变形，进而使得裂纹尖端的温度迅速升高。随着裂纹的不断扩展，试件失去承载能力。试验停止后，试件开始自然冷却(阶段V)，温度逐渐下降直至室温。

一般认为，金属材料在疲劳载荷下存在两种能量耗散机制：粘弹性耗散和塑性耗散。当施加的载荷小于疲劳极限时，发生粘弹性耗散，材料在单位时间内只产生很少的热量，试件温升不明显。相对的，塑性耗散发生在载荷高于材料疲劳极限的情况下，有着较高的产热率，并会造成试件温度相对明显的升高。

基于上述理论，可以将不同应力水平下热点温度演化曲线中温度升高的最大值T

在单位时间内塑性耗散的产热量将会显著高于粘弹性耗散的产热量。这会使得最大温升在随峰值应力增加的过程中呈现出明显的不连续变化。具体表现为最大温升-峰值应力关系曲线会在疲劳极限附近出现一个明显的拐点，如图7和图8所示。因此，可以根据最大温升-峰值应力关系曲线的形状将“拐点”以上的温度数据认定为高于疲劳极限的塑性耗散，然后对其进行线性拟合并最终确定疲劳极限。

图7(GF接头)和图8(AW接头)为利用Risitano法评估AZ31B镁合金焊接接头疲劳极限的过程。其中，圆圈为不同载荷下的最大温升数据，其中被认为是高于疲劳极限的塑性耗散数据用十字标出。直线为对选定的塑性耗散数据线性拟合的结果。结果表明，采用Risitano法对GF接头和AW接头疲劳极限的评价结果分别为58.85MPa和62.61MPa。

根据传统的统计学方法，GF接头和AW接头的S-N曲线如图9所示。据拟合的结果计算循环周次为2×10

在本实施例中，对于GF接头，能量耗散方法的结果(58.85MPa)相对于传统方法结果(66.74MPa)的误差为-11.82％；对于AW接头，能量耗散方法的结果(62.61MPa)与传统方法的结果(62.63MPa)相差0.02MPa，相对误差为-0.03％。可以看出，经过本发明所提出的方法处理后的温度数据能够被用于对GF和AW两种形式的AZ31B镁合金焊接接头的疲劳极限的评价。

在保证了一定准确性的基础上，采用本发明公开的热边界控制方法的显著优势在于不再需要像现有方法那样安装其他额外的温度控制设备，并且在理论上能达到理想的控制效果。同时，采用本发明的方法保持了温度方法试验周期短的特点。如图6所示，在疲劳试验开始后温度演化曲线将很快达到最大值，至此即可以停止试验，从而很大程度地节省了时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。