CN102288499A - 一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其步骤为：(1)制备焊缝压痕试验试件；(2)在试样垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据所得硬度值进行合理分区；(3)得到不同区域的载荷-深度曲线；(4)建立压痕实验有限元模型并对有限元模型的精度进行验证；(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果形成焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型；(6)结合优化遗传算法，根据所选的目标响应函数进行迭代，得到最优解，从而求出焊缝不同区域的静态力学性能参数。本发明原理简单、操作方便，能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部力学性能参数，拓展了压痕实验的应用范围。

Description

一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法

技术领域

本发明主要涉及到机械工程制造中的材料检测领域，特指一种焊缝区域材料力学性能参数的检测方法。

背景技术

在对金属板材进行焊接过程中，由于电阻热的影响，焊接区域的材料特性会发生变化，这就使该区域的性能也有别于母材，按照硬度的特征可以将焊接区域分成三个子区域：母材区、热影响区、焊缝区。由于一般母材的尺寸与热影响区相比足够大，故在以往对此方面的研究中忽略热影响区的材料特性，即在对焊接区域进行有限元数值建模时直接将母材采用共节点连接或者刚性连接，很显然这种情况下不能考虑焊缝处的材料特性，这种建模方法不足以仿真焊接区域处材料的真实力学特性。学者Abdullah等人利用“混合法”在等应变假设的基础上得到焊缝处的参数特性，C.H.Cheng等通过单独对焊缝进行拉伸试验并借用图像处理系统记录拉伸过程中焊缝处真实的应力应变数据，以此得到焊缝的较为真实的力学参数，然而，通过上诉方法得到焊缝区域参数是以该处材料特性的均匀性为前提的，即强化系数或者应变硬化指数均是定值，并且单独对焊缝进行拉伸时，由于该处的宽度较小，会造成不易切割的困难。然而，通过显微硬度试验得知该区域的力学性能参数并非均匀分布，因此根据“混合法”或者单独对其单向拉伸获取的焊缝力学参数与实际情况会有较大的偏差，最后也会影响所研究问题(比如拼焊板结构零件冲压或者碰撞)的有限元模型的精确性，不能满足实际工程的需求。基于此问题，在实际工程中，对焊接结构比如拼焊板进行各种有限元数值仿真时焊缝区域的材料力学特性参数的精确获取就显得尤为重要。

从以上描述中可以推测出目前对焊缝区域的参数获取主要集中在其宏观弹塑性力学行为的表征和测试上。由于焊缝区域处本身微观组织结构的复杂性，对于钢铁金属而言，焊缝中间处金相组织包括马氏体和贝氏体，而热影响区有着混合金相组织，既有马氏体、贝氏体，又有铁素体和珠光体，这些不同的金相组织导致了焊缝处不同的材料特性，进一步研究发现此处的力学参数会呈现非均匀性分布，即焊缝、热影响区处会有着梯度变化的参数特征，所以仅通过简单的拉伸或者压缩试验很难确定焊缝区域处的具体力学参数，并且该处的应力应变关系很难通过常规方法得到，故不能根据曲线拟合的思路对其进行参数反求。

材料的硬度主要反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，并不是材料某个力学参数的单独表现。硬度压痕试验(indentation test)为我们提供了测定和评价毫米级、微米级甚至纳米级表征尺寸的材料强度特性，它是一种简单、高效的评价材料尤其是金属或其某点周围表面的力学性能的手段。随着各种表面处理技术的迅速发展，通过压痕试验来测定微小尺度材料的力学参数成为研究的一大热点。在以往的通过压痕试验来获取材料参数的研究工作中，不管是针对传统金属材料还是像泡沫金属这样的新型材料，都是建立在这些材料参数均匀分布的基础上的，通过压痕试验识别检测像焊缝区域这种材料特性具有连续性和不均匀性特点的工程结构的材料参数文献中鲜有报道。鉴于此思路，通过压痕试验得到的载荷深度曲线来反求检测焊缝不同区域处的材料参数成为一种有效的途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作方便、能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部连续性能的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为：

(1)制备焊缝压痕试验试件：将试样进行切割、对表面进行打磨、抛光以制成标准试样；

(2)对于步骤(1)所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据测得的硬度值进行分区；

(3)在所分区域进行压痕试验，得到不同区域的载荷-深度曲线；

(4)建立并验证压痕试验有限元模型：采用有限元商业软件Abaqus并根据压痕试验的物理过程建立压痕试验有限元模型，该模型是否准确直接影响到求解结果的精度，故必须对压痕试验有限元模型的精度进行验证；首先对均匀母材进行拉伸试验以得到其应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷-深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷-深度曲线；将仿真载荷-深度曲线与试验载荷-深度曲线进行对比以验证压痕试验有限元模型的正确性；

(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求参数以及待求参数的取值范围，如式(1)所示；

(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，需要提前设定的参数有：种群大小M，即种群中所含个体的数量，一般取20～100；遗传运算的终止迭代次数T，一般取100～500；交叉概率P_c，一般取0.4～0.99；变异概率P_m，一般取0.0001～0.1。根据步骤(5)所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到某种收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在某合适区间下的最优解。

所述步骤(3)中，通过硬度试验得到的硬度值将焊缝结构进行分区，在所分区域进行至少三个压痕试验。

所述目标响应函数优化数学模型为下式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,\·\·\·x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1\≤x_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ \·\·\·\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，x₁，x₂，…，x_n为待求参数，

(i＝1，2，…n)分别是待求参数的上限和下限，

为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，

为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明从测定硬度时的压痕试验法的角度出发，结合有限元数值模拟和反演技术，提供一种精确获得焊缝区域处的材料弹塑性力学参数(如弹性模量、泊松比、屈服强度、强化系数、应变硬化指数等)的简便方法，具有很强的工程使用价值，拓宽了压痕试验的使用范围。本发明能够测定毫米甚至微米尺寸范围内材料的局部连续性能，特别像焊缝区域这种力学参数具有较强的非均匀分布的工程结构，克服了传统意义上的简单拉伸试验在测定该尺寸范围内材料的不足。

2、本发明取代在大多数情况下只能判定和表征材料宏观行为意义上的单向拉伸或压缩试验，克服了实际工程中难以精确获取像焊缝区域这种毫米级表征尺寸的性能参数等技术瓶颈；本发明考虑焊缝不同区域的材料和尺寸等特征属性，更能真实反映出焊缝区域处的材料特性，具有较高的实用价值和较强的工程意义。

附图说明

图1是本发明检测方法的流程示意图；

图2是本发明压痕硬度试验测试点位置示意图；

图3是本发明参考点处的硬度值及分区情况的示意图；

图4是本发明方法中通过压痕试验得到的不同区域的载荷-深度曲线示意图；

图5是本发明方法中的纳米压痕试验二维轴对称有限元模型；

图6是本发明验证模型结果对比图；

图7是本发明求解迭代过程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

由于大多数工程多晶体金属材料的本构关系符合幂指数关系，即硬化曲线近似于抛物线形状。同样，对于像焊缝这种经过立方晶格金属(钢板和铝合金等)急剧退火工艺形成的工程结构，在塑性变形阶段也具有抛物线形式的拉伸变化曲线，故本发明实施例计算所用的材料弹塑性本构模型选取Hollomon幂指数硬化方程来表示，如式(1)所示：

$\mathrm{\σ}={\mathrm{K\ϵ}}^n=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{{\mathrm{\ϵ}}_y^n}{({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\ϵ}}_p)}^n={\mathrm{\σ}}_y{(1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_p}{{\mathrm{\ϵ}}_y})}^n={\mathrm{\σ}}_y{(1+\frac{E}{{\mathrm{\σ}}_y}{\mathrm{\ϵ}}_p)}^n---\left(1\right)$

其中K为强度系数，ε_y为在初始屈服应力σ_y下的弹性应变，ε_p为塑性应变。由于强度系数K可以用初始屈服应力σ_y，杨氏模量E和应变硬化指数n进行表示，

而将弹性模量E视为常量2.1×10⁵MPa，这样本实施例所求的弹塑性参数分别为屈服应力σ_y和应变硬化指数n。

如图1所示的具体应用实例，该实施例中所用拼焊板是通过为两种不同材料的高强度钢板拼接而成，分别为DP600和DP980，厚度均为2mm，其具体步骤如下：

(1)制备焊缝压痕试验试件：将试样进行切割以制成10mm×10mm×2mm的标准试件以便能符合纳米压痕试验的试样要求；试样表面应光滑平坦，无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂；试验后试样背面不应出现可见变形；由于纳米压痕对试样表面的粗糙度要求较高，以保证压痕对角线长度的精确测量，故需对表面进行打磨、抛光等工序，使其表面粗糙度R_a≤0.4μm；该试件厚度h＝2mm，满足试样厚度至少应为压痕对角线长度1.5倍的要求；

(2)对于步骤(1)所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，试验过程中试样应平稳地放在刚性支撑物上，并使压头轴线与试样表面垂直，以避免试样产生位移，压痕设备并避免受到冲击和振动。图2给出了压痕试验测试点的位置，为了减少试验误差，这里测定四条线上(分别为测试线1-4)的硬度值，如图2中a处和b处所示；为了减轻压痕过程中两个相邻测试点之间的隆起或者沉陷的影响，每条线上两个相邻测定点之间的距离为0.12mm，以满足GB/T4340.1对两个测点中心距离的标准要求，如图2中的c处，之后取其平均值作为最后的真实数据，测得的硬度值如图3所示，根据这真实的硬度值进行合理分区，可分为熔池区，热影响区，母材区，从中可以明显看出焊缝处的硬度值与母材相比差别很大，进而可以间接判断出其材料特性也有着较大的差异；

(3)在所分区域进行压痕试验，读取焊缝不同区域压痕试验结果，得到不同区域的载荷-深度曲线，试验点数的多少与将整个焊缝区域分成多少个分区相关，在每个分区内，至少应保证有三个试验点以较少试验误差，本实施例将整个焊缝区域分成三个区域，其中热影响区1中取测试点1-3，熔池区内取测试点4-6，热影响区2取测试点7-9，分别得到的加载卸载曲线如图4所示；

(4)建立并验证压痕试验有限元模型：采用有限元商业软件Abaqus并根据压痕试的物理过程建立压痕实验的有限元模型，该模型是否准确直接影响到求解结果的精度，故必须对有限元模型的精度进行验证，首先对均匀母材进行拉伸试验以得到其应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷-深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷-深度曲线；将仿真载荷-深度曲线与试验载荷-深度曲线进行对比以验证有限元模型的正确性；如果是一致，则可以使用压痕试验有限元数值模型进行求解；如果不一致，则通过修正压痕试验有限元数值模型，将得到的仿真载荷-深度曲线再进行对比。如图5所示，为本发明压痕试验有限元模型，为提高计算效率，整个有限元模型采用轴对称二维四边形壳单元进行模拟，由于中间部位较两侧变形大，故单元网格从中间到两边逐渐稀疏，该模型的边界条件是将焊缝结构试样的底端每个节点的自由度进行约束，中心对称轴只约束x方向上的自由度，仿真开始时压头与焊缝模型进行接触，以便节省时间，本实施例中将其视为无摩擦类型，仿真过程所施加的压痕载荷总时间需与试验过程时间一致，这里设定为25s，其中加载时间10s、保荷时间5s、卸载时间10s。图6给出了试验值与使用该有限元模型得到的仿真值，从该图可以看出，试验值与仿真值有着较好的吻合，验证了该有限元模型的准确性。

(5)目标函数的选取及建立：根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求参数以及待求参数的取值范围，如式(2)所示；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,\·\·\·x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1\≤x_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ \·\·\·\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}---\left(2\right)\right.$

式中，x₁，x₂，…，x_n为待求参数，

(i＝1，2，…n)分别是待求参数的上限和下限，

为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

针对选取不同的参考点，根据优化过程中不断变化的力学参数就可以得到特定组合参数下的有限元载荷-深度关系，然后通过优化方法不断的调用压痕试验有限元模型，进而得到目标响应函数。由于本实施例所求弹塑性参数分别为屈服应力σ_y和应变硬化指数n，故这里的数学模型如式(3)所示，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minimize}:\mathrm{\Δf}({\mathrm{\σ}}_y,n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }({\mathrm{\σ}}_y,n)-F_i^{\mathrm{sim}}({\mathrm{\σ}}_y,n)}{F_i^{\exp }({\mathrm{\σ}}_y,n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}200\mathrm{MPa}\≤{\mathrm{\σ}}_y\≤1000\mathrm{MPa}\\ 0.001\≤n\≤0.5\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，

为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，

为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

(6)结合优化遗传算法，设定该算法初值，初值参数对遗传算法的求解结果和求解效率都有一定的影响，本实施例中需要提前设定的参数有：种群大小，即群体中所含个体的数量，M＝100；遗传运算的终止迭代次数T＝500；交叉概率P_c＝0.70；变异概率P_m＝0.05。

根据步骤(5)所选的目标响应函数逐步不断迭代逼近每个选取点的试验载荷-深度曲线，图7为物理试验值与有限仿真值逐步迭代示意图，迭代的同时依据某种收敛准则，这里采用式(3)的目标函数足够小为收敛准则即图7中的残值Δf小于某个足够小的常量ε进行收敛校验。通过遗传优化算法本身的优点不断的自动更新所求的弹塑性参数，当某步迭代达到该收敛准则时，就可以判断该迭代步下的屈服应力σ_y和应变硬化指数n就是所要寻求的最优参数解。

通过上述的求解过程可以得出每个区域所选点的弹塑性力学参数，如下表1所示，这些点有着较为明显的变化和规律，并具有阶梯特性，熔合区处的强度系数明显大于热影响区。从本实施例可知，该方法可以较为精确地识别出焊缝不同区域处的材料静态力学性能参数，这就使得有关焊缝结构的有限元建模比如拼焊板的冲压和碰撞过程的建模更为准确，为焊接结构的进一步计算机仿真研究提供了很好的CAE基础，对于工程实际具有较好的借鉴意义和参考价值。

表1：

位置	n值	σy值
			测试点1	0.0912	476
测试点2	0.0955	567
			测试点3	0.1044	642
测试点4	0.1122	694
			测试点5	0.1154	746
测试点6	0.1204	768
			测试点7	0.1052	734
测试点8	0.1045	719
			测试点9	0.1028	684

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于，步骤为：

(1)制备焊缝压痕试验试件：将试样进行切割、对表面进行打磨、抛光以制成标准试件；

(2)对于步骤(1)所制备的试样，在垂直焊缝方向上的整个焊缝区域内选取若干个点进行硬度试验，根据所得硬度值进行分区；

(3)在步骤(2)所分区域中进行压痕试验，得到不同区域的载荷-深度曲线；

(4)建立并验证压痕试验有限元模型：根据压痕试验的物理过程建立压痕试验有限元模型并对压痕试验有限元模型的精度进行验证；在验证过程中，首先对均匀母材进行拉伸试验以得到应力应变关系，并通过压痕试验得到试验载荷-深度曲线；然后，将得到的应力应变关系作为已知参数输入到压痕试验有限元数值模型中得到仿真载荷-深度曲线；将仿真载荷-深度曲线与试验载荷-深度曲线进行对比以验证压痕试验有限元模型的正确性，直至得到正确的压痕试验有限元模型；

(5)根据压痕试验有限元数值模型的模拟结果与对应的实验结果以得到焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数，待求力学性能参数以及每个参数的取值范围；

(6)结合优化遗传算法，设定运行初值参数，根据步骤(5)所选的目标响应函数不断迭代逼近每个选取点的试验曲线，迭代的过程中若达到收敛准则，则迭代终止，该迭代步下的力学参数即是在合适区间下的最优解，从而求出焊缝区域的静态力学性能参数。

2.根据权利要求1所述的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在所分区域进行至少三个压痕试验。

3.根据权利要求1所述的识别焊缝不同区域材料静态力学性能参数的检测方法，其特征在于：所述目标响应函数优化数学模型为下式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,\·\·\·x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,\·\·\·,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1\≤x_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ \·\·\·\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，x₁，x₂，…，x_n为待求参数，

(i＝1，2，…n)分别是待求参数的上限和下限，

为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，

为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

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