CN102313677A - 一种识别焊缝不同区域材料动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动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)在所分区域进行动态压痕试验，得到不同区域的载荷-深度曲线；(4)建立动态压痕实验有限元模型；(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，用目标响应函数迭代，出焊缝不同区域的动态力学性能参数。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动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，这就使该区域的动态性能也有别于母材，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。在以往对此方面的分析当中，由于一般母材的尺寸与热影响区相比足够大，故热影响区可以忽略，即进行有限元数值建模时焊接区域采用共节点连接或者刚性连接，这种建模方式是不能考虑焊缝处的材料特性，显然这种建模方法不足以仿真焊接区域处的接近真实的材料的动态特性，进而在对其进行动力学仿真时与现场的真实情况具有较大的差别。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均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，会造成焊缝试件制备的困难。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，因此根据“混合法”获取的焊缝力学参数不能满足实际工程的需求，而且这些参数都是针对静态条件下的情况而言的。

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，然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不同的材料特性，故此处的力学参数尤其是在动态条件下会呈现非均匀性分布，即焊缝区、热影响区处会有着不同的参数，所以仅通过简单的拉伸、压缩试验或者一般的霍普金森压杆试验是很难确定焊缝各区域处的具体动态力学参数。

另外，在动态条件下的材料参数会随着应变率的变化而变化，因而从静态硬度得到的力学参数无法反映出拼焊板在碰撞这种在高应变率下的焊缝材料的动态行为。基于此问题，在对焊接结构比如拼焊板进行各种动态有限元数值仿真时焊缝区域的材料动态力学特性参数的精确获取就显得尤为重要。

硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，显微硬度压痕试验为我们提供了测定和评价微米级甚至纳米级的表征尺寸的材料强度特性。以往的研究工作中，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，而且大都集中于材料静态参数的识别上，还没有通过动态压痕试验来测定材料的动态参数的检测方法和技术。动态硬度压痕试验为我们提供了测定和评价更小的表征尺寸甚至是纳米级的材料强度特性，是一种评价材料尤其是金属或材料某点周围表面的力学性能的方法，利用应力脉冲作用在与试样接触的刚性压头上，使试样表面形成动态压痕，进而测得材料的动态压痕硬度和动态材料特征曲线，动态硬度试验时的应变率可以高达到10³-10⁴/s，切实反映了材料抵抗压头动态压入变形的能力，并且这种测试快捷方便、试样无破坏，能够体现出材料在复杂三向应力状态下高应变率效应的重要参数特性。另一方面，通过动态霍普金森压杆试验基本方程即反射信号ε_i(t)、透射信号ε_r(t)、弹性模量E、波速C₀、试件的初始横截面积A₀和初始厚度L₀就可以推导出试件的平均应力

和平均应变

之间的关系，这样就可以拟合出均匀材料的力学参数。然而在识别检测焊缝不同区域的材料动态性能参数时，焊缝待测区域的初始横截面积A₀难以确定，甚至无法确定，因此，通过动态压痕试验并不能推导出该区域的应力应变关系，直接导致不能通过常规的拟合方法获得该区域的确切的动态力学参数。

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焊缝各局部区域材料的动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动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、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)在所分区域进行压痕试验，得到不同区域的动态载荷-深度曲线；

(4)建立数值模型：根据压痕试验的物理过程建立压痕实验有限元简化模型；

(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形成焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，优化目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数、待检测的参数和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优化数学模型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某合适区间下的最优解，从而求出焊缝区域的动态力学性能参数。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(3)中，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，

(x₁，x₂，…，x_n)为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，

(x₁，x₂，…，x_n)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各区域处的材料动态弹塑性力学参数的简便方法，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各局部的材料动态力学性能参数，特别适合像焊缝这种各局部区域具有不同性能参数的工程结构，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是本发明方法中的动态压痕试验二维轴对称有限元模型；

图6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在冲击载荷作用下的变形常常使用最广的Johnson-Cook强化模型来模拟，故本发明采用该模型作为此实施例的本构关系，如式(1)所示，从公式可以看出，J-C模型表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化、应变率硬化和温度软化(注：这里使用J-C模型的修正形式)。

$\mathrm{\σ}=(A+{\mathrm{B\ϵ}}^n)[1+\mathrm{CIn}(1+\frac{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}_0})](1-T^{*m})---\left(1\right)$

如式(1)所示的模型中包含A，B，n，C，m五个参数，其中前三个参数A，B，n分别对应焊缝区域材料的初始屈服应力、强度系数和应变硬化指数，这些值并不能简单等价于静态条件下对应的参数值，因为在动态条件下屈服应力会随着应变率的提高而增加；C为动态经验性应变率敏感系数；m为表征温度效应的指数。一般假设参考应变率

公式中的T^*m为无量纲化的温度，如式(2)；

$T^{*m}=\frac{{T-T}_r}{T_m-T_r}---\left(2\right)$

其中，T_r为室温，T_m为材料的熔点，J-C模型在温度从室温到材料熔点温度变化的范围内都是有效的。为简便起见，本实施例不考虑温度软化效应，即温度始终保持室温，这样就有A，B，n，C四个参数作为本发明所求的动态力学参数。

如图1所示，为本发明的具体应用实例，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5mm×5mm×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)将焊缝进行分区：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静态条件下的硬度试验，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)在所分区域进行动态压痕试验(特定的应变率下)，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。

值得注意的是，这里并不是根据普通的动态霍普金森压杆试验得到电压-时间曲线，再根据一维弹性波理论，通过测量两根压杆上的应变来推导出应力-应变关系，该方法只能针对待测试件各区域的材料特性均匀的情况有效，对于像焊缝这种各上局部区域具有不同的材料特性的特殊结构，各个待测区域的初始横截面积A₀难以确定，甚至无法获得，进而不能推导出其应力-应变关系。所以，本发明通过实验测得的载荷-深度曲线与对应的有限元模型获得的载荷-深度曲线进行对比，结合有限元技术和反演优化思路，利用优化方法检测辨识焊缝各个局部区域的力学性能参数，该步骤中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，至少保证有三个试验点；

在进行分离式霍普金森(Hopkinson)压杆试验的过程中，由于本发明所涉及的研究区域较小，大约1-3mm，所以不能直接选用传统的SHPB试验装置，需在入射杆处安装一个金刚石压头，通过在金刚石维氏压头上施加单次压缩脉冲，激励压头动态压入参考线的若干点，获得这些点的动态压痕，测得离焊缝中心线不同距离处的深度值，这种载荷深度关系对于任意一种形状的压头，比如圆锥型、三棱锥型(Berkovich压头和Vickers压头)，圆柱平底，球型等等，都有一种相似的曲线形式，如式(3)所示；

$\mathrm{DH}=C\frac{P}{d^2}---\left(3\right)$

其中C值是取决于压头形状和材料特性的常量，P为动态载荷条件下的应力脉冲峰值，即载荷(N)，由压电传感器输出的信号转换得到；d是压痕对角线长度的平均值(mm)。

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，这里采用Vickers压头，故压痕载荷深度有如式(4)的曲线形式；

$\mathrm{DH}=0.1891\frac{P}{d^2}---\left(4\right)$

即C取值为0.1891。

(4)建立动态压痕试验简化有限元模型：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，为了减少计算规模，整个有限元模型以及载荷都是关于杆的中心线轴对称的，另外，为了不使模型过于庞大，这里采用对实际尺寸适当的进行放缩，长度由原来的3040mm减小为1000mm，直径增加到25mm，试件的长度和直径也分别变化为22mm和18mm，这样的优势在于优化网格的质量，减小模型规模；另一方面，由于撞击杆仅仅起到产生应力脉冲的作用，所以在有限元模型中没必要考虑撞击杆，取代的方法是直接在入射杆的输入端施加均布的应力脉冲，如图5所示；

(5)目标函数的选取及建立：在步骤(3)、(4)的基础上，根据动态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，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；所述目标响应函数优化数学模型为下式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minmize}:\mathrm{\Δf}(x_1,x_2,...,x_n)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(x_1,x_2,...,x_n)-F_i^{\mathrm{sim}}(x_1,x_2,...,x_n)}{F_i^{\exp }(x_1,x_2,...,x_n)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}{x}_1^L\≤x_1\≤x_1^U\\ x_2^L\≤x_2\≤x_2^U\\ ...\\ x_n^L\≤x_n\≤x_n^U\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(5\right)$

式(5)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，(x₁，x₂，…，x_n)为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，

(x₁，x₂，…，x_n)为有限元仿真时求得的压痕载荷，m为时间增量步总数。

由于本实施例所求弹塑性参数分别为A，B，n，C，故这里的数学模型如式(6)所示，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Minimize}:\mathrm{\Δf}(A,B,n,C)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{F_i^{\exp }(A,B,n,C)-F_i^{\mathrm{sim}}(A,B,n,C)}{F_i^{\exp }(A,B,n,C)}\right)}^2}\\ \mathrm{Subject\; to}:\left\{\begin{array}{c}200\mathrm{Mpa}\≤A\≤1000\mathrm{Mpa}\\ 500\mathrm{Mpa}\≤B\≤2000\mathrm{Mpa}\\ 0.001\≤n\≤0.5\\ 0.01\≤C\≤0.5\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，

(A，B，n，C)为通过纳米压痕试验得到的连续压痕载荷，

(A，B，n，C)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6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(6)的目标函数足够小为收敛准则即图6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A，B，n，C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动态力学性能参数，这就使得有关焊缝结构的有动态有限元建模更为准确，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	A值	B值	n值	C值
					测试点1	411	914.6	0.0912	0.0150
测试点2	478	960.8	0.0955	0.0180
					测试点3	547	1023.1	0.1044	0.0193
测试点4	675	1088.9	0.1122	0.0204
					测试点5	694	1113.3	0.1154	0.0241
测试点6	718	1144.9	0.1204	0.0236
					测试点7	709	1033.0	0.1052	0.0211
测试点8	684	1025.4	0.1045	0.0200
					测试点9	669	1010.1	0.1028	0.0198

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动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、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)在所分区域进行压痕试验，得到不同区域的动态载荷-深度曲线；

(4)建立数值模型：根据压痕试验的物理过程建立压痕实验有限元简化模型；

(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形成焊缝不同区域处的目标响应函数优化数学模型，优化目标响应函数优化数学模型中包含目标函数与约束函数、待检测的参数和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优化数学模型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某合适区间下的最优解，从而求出焊缝区域的动态力学性能参数。

2.根据权利要求1所述的识别焊缝不同区域材料动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动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，

(x₁，x₂，…，x_n)为通过动态压痕试验得到的连续压痕载荷，

(x₁，x₂，…，x_n)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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