CN102778403A - 一种焊缝材料参数识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DIC技术和硬度试验识别拼焊板焊缝材料参数的方法。所述方法包括如下步骤：确定材料硬化模型；制备焊缝硬度试验试件；对所述制备的试件进行硬度试验，根据硬度试验所测得的试件硬度值进行焊缝分区，并获得焊缝各区的硬度值；制备拼焊板拉伸试件；对拉伸试件分区，采用DIC设备获取拉伸试件各区实时全场主、次应变值；根据所获得的硬度值和主、次应变值，通过塑性力学公式计算得到焊缝各区的材料参数；建立拉伸实验有限元模型并且验证所建立的有限元模型的精度并进行修正；将计算得到的焊缝区域材料参数输入有限元模型中，验证检测方法的准确性。本发明利用DIC技术和硬度测试仪器，结合有限元数值模拟和实验验证，提供了一种准确获得焊缝区域静态材料参数的简单方法，拓宽了DIC技术的使用范围。

Description

一种焊缝材料参数识别方法

技术领域

本发明涉及一种焊缝材料参数识别方法，尤其涉及一种基于DIC技术和硬度试验识别拼焊板的焊缝材料参数的方法。

背景技术

拼焊板是将几块不同强度、不同厚度的钢板焊接成一块整体板,以满足零部件不同部位对材料性能的不同要求,其优点主要体现在减轻零件重量、减少零件数量以及提高结构功能等方面。随着现代社会对环境保护、资源节约和可持续发展的重视，拼焊板在汽车制造中运用的越来越广泛，拼焊板技术也成为汽车制造业中最有发展潜力的技术之一。

在对金属板材进行焊接的过程中，由于热量的影响，焊缝区域发生了相变，材料参数发生了变化，这使得焊缝区域的材料参数与母材相比较，有很大的差异，焊缝的材料参数如何准确获得也便成为了一个急待解决的工程难题。

目前，国内外有关拼焊板力学性能研究的报道较多，并取得了一定的研究成果。如Abdullah等通过拉伸试验和硬度试验，利用混合法得到了拼焊板（母材为AISI 1005和STM A370）焊缝区域的材料参数。香港理工大学的Cheng等利用激光在焊缝区域打上直径为1mm和深度为10um的圆形栅格，并且为了尽量减少母材和热影响区域（HAZ）的影响，其切割出的拉伸试件宽度只有1.5-2mm，在拉伸的过程中，利用一个实时摄像记录系统，记录下试件上的栅格变化和拉伸机的载荷变化，利用塑性体积不变假设和塑形力学公式，得到了焊缝区域的真实应力应变曲线。Reis等利用屈服应力和材料硬度的比值关系，得到低碳钢拼焊板各区域的材料力学参数。Zhan等利用混合法和硬度试验分别得到了拼焊管道的焊缝和热影响区的材料参数。张士宏等通过横向和纵向拉伸试验对拼焊板的塑性变形能力进行了测试和分析研究。同济大学的林建平基于焊缝和母材应变相等的假设,研究了焊缝强度系数K和焊缝硬化指数n对拼焊板试件抗拉强度和平均延伸率的影响。然而，上述方法中存在忽略热影响区影响或焊缝宽度较难确定等缺陷。因此，急需一种相对简单、精度较高并容易实现的方法对焊缝处的材料参数进行识别。

随着数字图像相关技术的发展，数字图像相关（DIC：Digital Image Correlation）技术在各个领域得到了大量的运用。DIC技术为我们提供了一种测定实时应变的方法，这样结合硬度实验成为了一种识别局部力学材料参数新的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、精度高并容易实现的焊缝处的材料参数识别方法。

本发明的焊缝材料参数识别方法包括如下步骤：

步骤1：确定一种材料硬化模型；

步骤2：制备焊缝硬度试验试件；

步骤3：对步骤2中的试件进行硬度试验，根据硬度试验测得的硬度值进行焊缝分区，并获得焊缝各区的硬度值；

步骤4：制备拼焊板拉伸试件；

步骤5：对拉伸试件分区，采用DIC设备获取拉伸试件各区实时全场主、次应变值；

步骤6：根据步骤3中得到的硬度值和步骤5中得到主、次应变值，通过塑性力学公式计算得到焊缝各区的材料参数；

步骤7：建立拉伸实验有限元模型并且验证所建立的有限元模型的精度并进行修正；

步骤8：将步骤6中计算得到的焊缝各区材料参数输入步骤7的有限元模型中，验证检测方法的准确性，如果仿真结果不精确，则返回到步骤2，重新利用硬度试验对焊缝区域进行分区，重复步骤2、3、4、5、6、7、8。

本发明采用材料硬化模型为幂指数材料硬化模型c=Kεⁿ，其中，σ为真实应力，ε为真实应变，K是强度系数，n为应变硬化指数。

所述拼焊板为同厚异材的拼焊板，其中母材为DP980和DP600，厚度为2mm。

在步骤2中将所述试件切割为10mm×10mm×2mm的试件，并且清洗所述试件表面，去除氧化皮和外来污物，打磨、抛光试件表面，使试件表面符合硬度实验要求

在步骤3中焊缝分区可分为熔池区、热影响区和母材区。

在步骤4中利用线切割工艺加工出拉伸试件，在试件表面上喷上一层白漆，在白漆上随机喷上黑色油漆斑点。

在步骤5中对拉伸试件分区的方式为以焊缝中心为基准线，在垂直焊缝方向上的整个拉伸试件区域以0.1mm×0.1mm进行网格划分。采用DIC设备的工作步骤为测量拉伸试件表面变形量，采集拉伸试件变形前后的图像，然后采用干涉算法软件对图像进行计算，获得试件表面的全场主、次应变值。

步骤6中计算得到焊缝各区的材料参数为应变硬化指数值和强度系数值。

步骤7中验证的方式为对母材拉伸试件进行拉伸实验，获得母材的材料参数，将得到的母材材料参数代入所建立的有限元模型中进行拉伸仿真实验，获得母材拉伸仿真实验载荷—位移曲线，将该曲线与母材实际拉伸实验载荷—位移曲线进行比较，验证所建立的有限元模型的精度，其中所述母材为DP980,获得的母材材料参数为强度系数和应变硬化指数。

本发明利用DIC技术和硬度测试仪器，结合有限元数值模拟和实验验证，提供了一种准确获得焊缝区域静态材料参数的简单方法，拓宽了DIC技术的使用范围。

本发明可以取代忽略焊缝区域或忽略热影响区域材料参数的方法，考虑焊缝不同区域的材料参数，更能真实的反映焊缝处的力学性能，具有一定的实用价值和工程意义。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程示意图；

图2为本发明硬度测试CAD示意图；

图3为本发明硬度实验测试过程示意图；

图4为本发明通过硬度实验获得的硬度分布图；

图5为本发明中拼焊板拉伸试件CAD图；

图6为本发明DIC装置示意图；

图7为本发明方法中通过DIC技术获得的试件发生紧缩时焊缝区域的主次应变分布图；

图8为本发明通过对有限元仿真与拉伸实验获得的拼焊板载荷—位移曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明采用材料硬化模型为幂指数材料硬化模型c=Kεⁿ，该硬化模型由Hollomon在1944年提出，其中，σ为真实应力，ε为真实应变，K是强度系数，n为应变硬化指数，其作为判定材料塑性的重要力学指标，用于描述材料的加工硬化行为。试验研究表明，很多金属的硬化曲线近似于抛物线形状，对于立方晶格的退火金属（如钢板和铝合金等），在塑性变形阶段具有抛物线形式的拉伸曲线，其硬化曲线都可相当精确地用Hollomon的幂指数硬化模型来表示。因此，根据该硬化模型，确定了应变硬化指数n和强度系数K，便确定了该种材料的塑性变形曲线，也即获得了焊缝区域的材料参数。

如图(1)为本发明检测方法的具体流程图，该实例中所用的拼焊板为同厚异材拼焊板，母材为DP980和DP600，厚度为2mm。其中DP980和DP600为双相钢，这种钢板具有屈服点低、初始加工硬化速率高以及强度和延性匹配好等特点,是一种强度高、成形性好的新型冲压用钢,可以进一步满足汽车减重、节能的需要。其具体步骤如下：

（1）制备焊缝硬度试验试件：将试件进行切割以制成10mm×10mm×2mm的试件以便能够符合硬度实验要求；试件表面应光滑平坦，无氧化皮及外来污物，尤其不应有油脂；由于硬度实验对试件表面的粗糙度有要求，因而还需要对试件表面进行打磨、抛光等工序，使试件表面符合硬度实验要求。

（2）焊缝准确分区：对于步骤（1）所制备的试件，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，试验过程中试件应平稳地放在试验台的台架上，并使压头轴线与试件表面垂直，已避免试件产生位移，试验过程中，硬度试验仪应该避免受到冲击和振动。图(2)给出了硬度实验测试CAD示意图，为了最大程度上减少误差，这里测定四条线（分别为测试线1-4）的硬度值，如图(3)中的(a)和(b)处所示,为了减轻硬度实验过程中相邻两个测试点之间的隆起或沉陷的影响，每条线上两个相邻测定点之间的距离为0.1mm，如图(3)中的(c)即为放大的硬度测试点，之后选取其平均值作为最后的焊缝硬度分布图。测得的硬度值如图(4)所示，根据这真实的硬度值分布图进行分区，大致可以分为熔池区、热影响区和母材区，从图中可以发现焊缝各区域的硬度值差别很大，因而非常有必要对焊缝区域进行分区，分别按照这个硬度值分布图对焊缝进行详细分区，获得焊缝各区域的硬度值。

（3）拉伸试件的制备：根据GB/T 228–2002，利用线切割技术加工出拉伸标准试件，然后在试件表面上喷上一层白漆，随后在白色油漆上喷随机的黑色油漆斑点，这样便于在利用DIC技术时，在试件表面可以获取随机散斑，形成很好的干涉，其试件CAD图如图(5)所示。

（4）获取焊缝各区域发生集中性失稳时的主、次应变值ε₁、ε₂。DIC设备示意图如图(6)所示，采用DIC技术测量表面变形量，通过处理变形图像，获取待测目标物体表面变形前后的数字图像，提供目标物体表面的子像素精度的全场位移，并通过位移场计算出应变。在DIC测量过程中，目标物体变形前后的图像被采集，然后采用干涉算法软件对图像进行计算，获得试件表面的全场应变值。为了与前面的硬度划分的区域一致，以焊缝中心为基准线，在垂直焊缝方向上的整个试件区域以0.1mm×0.1mm进行网格划分，在拉伸过程中，计算机将会自动地对所划分的研究区域进行处理，获得这些研究区域实时的全场主、次应变，试件发生紧缩时，焊缝区域的主、次应变分布图如图(7)所示。

（5）应变硬化指数n值和强度系数K值的计算公式推导：根据弹塑性力学理论推导出应变硬化指数n值与主次应变值以及强度系数K值与硬度值的计算公式，获得焊缝各个区域的静态力学材料参数，具体推导步骤如下：

1）应变硬化指数n值的理论计算公式推导。

拼焊板试件在拉伸过程中，焊缝受到两侧母材的约束，其应变状态介于单向拉伸和平面应变之间。假设主应力方向和主应变方向均为沿焊缝方向，则应变强度增量dε_i为：

${\mathrm{d\ϵ}}_i=\frac{-(1+r)\sqrt{1-\frac{2\mathrm{rm}}{1+r}+m^2}}{1+m}d{\mathrm{\ϵ}}_3---\left(1\right)$

其中，m表示应力状态比即

ρ表示应变状态比即

r为厚向异性系数。

当试件达到某一变形程度时，材料的强化率与厚度的减薄率恰好相等，沟槽—集中性失稳即开始发生，用数学式表示为：

$\frac{d{\mathrm{\σ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}=-\frac{\mathrm{dt}}{t}=-d{\mathrm{\ϵ}}_3---\left(2\right)$

结合式（1）和式（2），即得集中性失稳产生时的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{(1+r)\sqrt{1-\frac{2\mathrm{rm}}{1+r}+m^2}}{1+m}n---\left(3\right)$

此时板面内得主、次应变ε₁、ε₂分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{1+(1-m)r}{1+m}n\\ {\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{m-(1-m)r}{1+m}\end{array}\right.---\left(4\right)$

将上式变形可得：

n=ε₁+ε₂（5）

利用DIC技术可以得到焊缝区发生集中性失稳时的主、次应变值ε₁、ε₂，根据式（5）可以得到焊缝的硬化指数n值。

2)强度系数K值的理论计算公式推导。

根据工程经验，材料硬度值和材料的应力值有一个直接的关系：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_w}{{\mathrm{HV}}_w}=\frac{{\mathrm{\σ}}_p}{{\mathrm{HV}}_p}---\left(6\right)$

此处c_w、c_p分别为焊缝和母材的屈服应力，HV_w、HV_P分别为焊缝和母材区域的硬度值。

材料拉伸过程中，在屈服点即弹性阶段和塑性阶段的临界点时，同时满足弹性阶段和塑性阶段的应力应变条件：

σ=Eε

（7）

σ=Kεⁿ

将（式6）和式（7）联立，易得材料K值、n值与硬度三者的关系式为：

$\frac{E^{\frac{n_w}{n_w-1}}}{K_w^{\frac{1}{n_w-1}}{\mathrm{HV}}_w}=\frac{E^{\frac{n_p}{n_p-1}}}{K_p^{\frac{1}{n_p-1}}{\mathrm{HV}}_p}---\left(8\right)$

式（8）中，K_w，K_p分别为焊缝和母材区域的强度系数，n_w，n_p分别为焊缝和母材区域的应变强化指数，将其进一步化简为：

$K_w=\{\frac{{\mathrm{HV}}_p}{{\mathrm{HV}}_w}{E}^{\left[\frac{n_p-n_w}{(n_w-1)(n_p-1)}\right]}{K}_p^{\frac{1}{n_p-1}}{\}}^{(n_w-1)}---\left(9\right)$

显然，母材的相关参数都是已知的，利用硬度试验得到焊缝和母材的硬度值，再将上述得到的焊缝硬化指数n值（式（5））代入式（9）中，即可以得到焊缝的强度系数，即K_w。

至此，已完成DIC技术和硬度试验对焊缝区域材料参数求解的推导，相关参数结果如表（1）所示。

（6）有限元模型验证：建立母材DP980的单向拉伸有限元模型，对母材DP980的试件进行拉伸实验，获得其材料参数：强度系数K为1360和应变硬化指数n为0.109，将该材料参数代入所建立的仿真模型中，获得载荷—位移曲线，将该曲线与实际的母材DP980拉伸实验曲线进行比较，验证所建立的仿真模型的精度并进行修正。

（7）对步骤（5）所求材料参数即表（1）的数据进行验证，将步骤（5）所得材料参数输入到步骤（6）建立的已验证的有限元模型中，通过仿真实验和实际的拉伸实验的比较，验证本检测方法的准确性，验证结果如图（8）所示。

表1焊缝各区域的具体材料参数

如果仿真实验与拉伸试验的结果相差较大，则返回到步骤（1），重新利用硬度试验对焊缝区域进行分区，重复步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（6）、（7）。

以上仅是本发明的优选实施方案，本发明的保护范围并不仅局限于上述实例，凡属于本发明思路下的技术方案均视为本发明的保护范围。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进行的若干改进和等同替换，应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于DIC技术和硬度试验识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，包括如下步骤：

步骤1：确定一种材料硬化模型；

步骤2：制备焊缝硬度试验试件；

步骤3：对步骤2中的试件进行硬度试验，根据硬度试验测得的硬度值进行焊缝分区，并获得焊缝各区的硬度值；

步骤4：制备拼焊板拉伸试件；

步骤5：对拉伸试件分区，采用DIC设备获取拉伸试件各区实时全场主、次应变值；

步骤6：根据步骤3中得到的硬度值和步骤5中得到主、次应变值，通过塑性力学公式计算得到焊缝各区的材料参数；

步骤7：建立拉伸实验有限元模型并且验证所建立的有限元模型的精度并进行修正；

步骤8：将步骤6中计算得到的焊缝各区材料参数输入步骤7的有限元模型中，验证检测方法的准确性，如果仿真结果不精确，则返回到步骤2，重新利用硬度试验对焊缝区域进行分区，重复步骤2、3、4、5、6、7、8。

2.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，步骤1中的材料硬化模型为幂指数材料硬化模型。

3.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，所述拼焊板为同厚异材的拼焊板，其中母材为DP980和DP600，厚度为2mm。

4.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，在步骤2中将所述试件切割为10mm×10mm×2mm的试件。

5.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，在步骤2中清洗所述试件表面，去除氧化皮和外来污物，打磨、抛光试件表面，使试件表面符合硬度实验要求。

6.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，步骤3中焊缝分区可分为熔池区、热影响区和母材区。

7.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，在步骤4中利用线切割工艺加工出拉伸试件，在试件表面上喷上一层白漆，在白漆上随机喷上黑色油漆斑点。

8.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，在步骤5中采用DIC设备的工作步骤为测量拉伸试件表面变形量，采集拉伸试件变形前后的图像，然后采用干涉算法软件对图像进行计算，获得拉伸试件表面的全场主、次应变值。

9.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，在步骤5中对拉伸试件分区的方式为以焊缝中心为基准线，在垂直焊缝方向上的整个拉伸试件区域以0.1mm×0.1mm进行网格划分。

10.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，步骤6中计算得到焊缝各区的材料参数为应变硬化指数值和强度系数值。

11.如权利要求1所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，步骤7中验证的方式为对母材拉伸试件进行拉伸实验，获得母材的材料参数，将得到的母材材料参数代入所建立的有限元模型中进行拉伸仿真实验，获得母材拉伸仿真实验载荷—位移曲线，将该曲线与母材实际拉伸实验载荷—位移曲线进行比较，验证所建立的有限元模型的精度。

12.如权利要求11所述的识别拼焊板的焊缝材料参数的方法，其特征在于，所述母材为DP980,获得的母材材料参数为强度系数和应变硬化指数。

Images