CN103076243A

CN103076243A - 一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法

Info

Publication number: CN103076243A
Application number: CN2012105493542A
Authority: CN
Inventors: 王文先; 闫志峰; 张红霞; 崔泽琴; 丁敏; 马丽莉
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，包括：疲劳试验机夹具(1)；疲劳试件(2)包括镁合金母材和焊接接头试件；疲劳试验控制系统(3)；疲劳试验系统(4)对镁合金母材和焊接接头试件进行疲劳试验得出循环次数为107下镁合金疲劳极限；红外测温系统(8)，在疲劳试验过程中，红外测温系统(8)得到疲劳试件(2)表面温度变化曲线，记录疲劳试件(2)在疲劳过程中的温度变化数据；综合分析系统(5)，应用origin软件将所述得出的镁合金疲劳极限，与常规疲劳试验得出的疲劳极限进行对比，判断其测量准确性。可以用来对在役焊接结构的危险点和疲劳极限进行估算。

Description

一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法

技术领域

本发明一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，涉及镁合金及其焊接结构疲劳危险点的测量及疲劳极限预测的应用领域。

背景技术

镁是一种优良的有色金属，其密度1.74g/cm²，我国是世界上镁储量最丰富的国家。

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等特点，在航空、航天、汽车等行业具有潜在的应用价值。目前镁合金主要是以铸造镁合金和压铸镁合金为主，其最具发展前途的应用领域是“陆、海、空、天”交通运载装备，这些结构都离不开焊接技术的支持，都承受疲劳载荷的作用。

疲劳断裂是金属材料及其焊接结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变或脉动应变的结构中，一般来说，对应于疲劳破坏时的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚至低于材料的屈服点。统计资料表明，在焊接结构的断裂失效中，有70％～90％的事故是由于焊接接头的疲劳断裂造成的，而大多数结构都采用焊接结构，一旦发生疲劳破坏事故，往往给人们的生命财产带来灾难性的损失和痛苦。

目前镁合金及其焊接结构的疲劳性能的确定主要是通过试验的手段进行，通常金属材料疲劳性能测量方法分为常规疲劳性能测量方法和升降法两种。钢铁材料疲劳试验需要经过多个试件进行上百万周次的循环试验，其中升降法一种就需要13个以上的试件。而有色金属如镁合金由于其特殊的组织结构，没有明显的疲劳极限，试验循环次数更可达上千万次。不仅耗费大量的人力、物力，而且浪费大量的时间，需要几天甚至几个月的时间才可以对一种材料的疲劳寿命进行评估和预测，一般取循环次数为10⁷时的载荷为镁合金的疲劳极限及条件疲劳极限。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的状况，使用红外热成像设备，利用材料及其构件本身在承受动态载荷的过程中会有热量释放的原理，在载荷大于疲劳极限疲劳强度时，材料的非弹性效应所引起的不可逆热现象，它所产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去，裂纹扩展过程中由于裂尖的能量快速释放，导致裂尖温度快速上升。依据其红外温度场特征信息，获得焊接结构在疲劳载荷作用下的变形过程中能量变化特征，建立以温度表征方式的镁合金及其焊接构件疲劳寿命预测方法。实际镁合金构件受力复杂，依据构件受力方式(包括载荷、频率等)，前期进行试验，得出材料的疲劳性能与表面温度关系，进而预测在役镁合金焊接结构疲劳裂纹的萌生点、焊接接头的疲劳极限该方法为镁合金及其焊接接头的安全应用提供了保证。

针对实际应用的镁合金构件特点，本发明前期使用的材料为AZ31B镁合金材料及其焊接接头；焊接接头包括对接接头、横向十字接头、侧面连接接头和纵向非承载十字接头，对镁合金及其焊接接头在疲劳载荷作用下产生裂纹后裂纹尖端的温度变化特征信息进行测量，疲劳试件主体的尺寸均为300mm×90mm×10mm；将试验中各种结构试件进行红外疲劳试验得出的疲劳极限等结果，进一步应用到实际服役的镁合金构件的疲劳性能预测。

一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，包括：疲劳试验机夹具(1)，用于夹持疲劳试件；疲劳试件(2)包括镁合金母材和焊接接头试件，测试时在其表面涂一层发射率大于0.95的黑色亚光漆；疲劳试验控制系统(3)，控制试验的应力、加载频率；疲劳试验系统(4)对镁合金母材和焊接接头试件进行疲劳试验，试验得出不同应力下试件循环次数，进而拟合最大应力与循环次数关系曲线S-N曲线，得出镁合金疲劳强度及疲劳极限；红外测温系统(8)，在疲劳试验试验过程中，红外测温系统(8)得到疲劳试件(2)表面温度变化曲线，记录疲劳试件(2)在疲劳过程中的温度变化数据；综合分析系统(5)，应用origin软件将所述得出的镁合金疲劳强度及疲劳极限，与常规疲劳试验得出的疲劳极限进行对比，判断其测量准确性；采用该系统对镁合金构件的危险点和疲劳强度进行预测。

利用上述系统预测镁合金构件疲劳极限的方法，包括以下步骤：

步骤1)：选取镁合金母材及焊接接头试件分别在镁合金疲劳极限值以上和疲劳极限值以下的不同应力下进行试验并测温，循环次数大于10⁷次，得到镁合金母材及焊接接头的疲劳极限；

步骤2)：分别对镁合金母材及焊接接头试件在试验疲劳极限值以上和疲劳极限值以下不同应力时的升温值利用origin软件进行线性拟合，利用升温值拟合镁合金母材及焊接接头的疲劳极限；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的疲劳强度进行对比，分析温升值确定镁合金疲劳强度的准确性；

步骤4)：镁合金构件在制造完成后初次使用状态下，利用红外测温仪进行疲劳极限预测：将镁合金构件表面涂抹一层发射率大于0.95的黑色亚光漆；使镁合金构件受载，同时利用红外测温仪记录构件表面温度变化，使镁合金构件表面温度在红外测温仪中清晰成像显示；当温度稳定时停止测试，导出温度曲线，分析温度变化趋势；基于镁合金母材及焊接接头试件的试验数据，获得镁合金构件对应表面温升值，并与镁合金构件实际测量温度进行对比，确定镁合金构件表面危险点和疲劳强度。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对金属材料在承受疲劳载荷作用后，裂纹形核时，产生的能量绝大部分会以热耗散的形式释放出去，材料表面温度发生变化的特征，使用镁合金及其焊接接头做原料，采用红外热成像设备，对材料表面在疲劳载荷作用时产生的温度变化进行记录并分析，从而确定材料或结构的危险点位置，并且在对不同载荷作用下对应的温度点进行拟合分析，确定材料或构件的疲劳极限。此方法工艺先进合理，连续紧凑，可以用来对在役镁合金结构的危险点和疲劳极限进行估算。

附图说明

图1镁合金及焊接接头疲劳试件结构示意图。

图2为疲劳试验红外摄像测试过程图。图中所示为利用红外热成像仪对疲劳试件表面的温度变化进行测量。图中标记清单如下：

1疲劳卡具，2镁合金疲劳试件，3疲劳试验控制装置，4疲劳试验系统，5综合分析系统，6红外控制装置，7红外热像仪，8红外控制系统。

图3为热成像法测量疲劳极限确定图。

图4为本发明的镁合金板材在承受疲劳载荷作用下断裂过程中表面温度分布。

图5为本发明图4所示P1、P2、P3三点在承受疲劳载荷作用下对应温度变化曲线。

图6为镁合金试件试验过程中的应力-温升曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

图1所示，模拟镁合金构件所设计疲劳试件结构示意图，其中1-1图为母材疲劳试件形式，用母材试样直接机械加工而成，1-2图为对接接头的试件形式(A为俯视图，B为主视图)，1-3图为横向十字接头的试件形式(A为俯视图，B为主视图)，试样先焊接然后机械加工成形，1-4图为纵向非承载十字接头(A为俯视图，B为主视图)，1-5图为侧面连接接头的试件形式(A为俯视图，B为主视图，C为侧视图)，侧面连接接头和纵向非承载十字接头先试样机械加工后再焊接成形。

图2所示，系统包括：疲劳试验机夹具1，用于夹持疲劳试件；疲劳试件2，即镁合金板材，测试表面涂一层黑色亚光漆；疲劳试验控制系统3，包括控制机柜、控制电脑等，控制试验应力、频率等参数；疲劳试验系统4，用于疲劳试验的一整套设备及试件，试验得出不同应力下试件循环次数，进而拟合最大应力与循环次数关系曲线S-N曲线(循环应力S的最大值与循环次数N之间的双对数线性拟合关系)，得出镁合金疲劳强度及疲劳极限；

红外测温系统8，包括红外测温仪7和红外控制系统6。在试验过程中得到试样表面温度变化曲线，用于记录镁合金在疲劳过程中的温度变化数据。红外控制系统6，设置测温范围、测温频率、观察并记录温度变化规律；红外测温仪7，测量试件表面温度变化，根据设置的不同测温频率控制测温精度；

综合分析系统5，应用origin软件将红外热成像法采集数据拟合直线得出的疲劳极限，与常规疲劳试验得出的疲劳极限进行对比；

(1)试件的焊接

采用钨极氩弧焊接方法焊接对接接头、横向十字接头、侧面连接接头和纵向非承载十字接头的试样，氩气的纯度≥99.7％，钨电极采用铈钨(W+3％CeO₂)，镁合金板材焊接工艺参数为：

表1镁合金板材焊接工艺参数

(2)试件的加工

本试验中使用的镁合金及其焊接接头疲劳试件的加工均采用机械加工方法成形，母材经机械加工直接成形，对接接头焊接时，厚度＜3mm，不用开坡口直接焊接；5mm＞厚度≥3mm，开单面V型坡口；厚度≥5mm时，开双面坡口焊接，对接接头均在焊接后进行机械加工成形；横向十字接头是先焊接再进行机械加工成形；纵向非承载十字接头和侧面连接接头是先机械加工然后再进行焊接成形的。

(3)试验设备

疲劳试验设备为PLG-200D高频拉压疲劳试验机，最大平均负荷(kN)：±200；最大单向脉动负荷(kN)：±200；静负荷示值相对误差≤±1％；频率范围(Hz)80～250。

红外测温设备包括红外热成像仪和配套软件系统。红外热成像仪采用Infortech红外热像仪(在30℃时精度为0.08℃)记录试验过程中试件表面的温度变化，试验在室温空气介质中进行。

(4)试验参数

疲劳试验的循环特征系数为0.1，谐振频率为70～150Hz，载荷范围为70～280MPa，镁合金板厚0.5～20mm，这种方法可实现多种类型的镁合金及其焊接接头裂纹起源和扩展的部位及其疲劳极限的预测。

基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法对镁合金构件进行疲劳预测的方法为：

一对所设计试件进行疲劳预测：

试验分为疲劳试验系统4和红外测温系统8两部分，试验时两部分同时工作：

①启动疲劳试验系统4，进入电脑控制页面；

②调整上、下两个疲劳夹具1的方向，使试样测温面正对试验人员，固定好疲劳夹具1；

③疲劳试样2表面涂抹一层发射率大于0.95的黑色亚光漆(也可用黑色墨汁代替)，以避免发射光的干扰，随后将疲劳试样2装入夹具内，锁紧；

④设置相关参数：试验载荷70～280MPa、应力比r＝0.1、试验电压380V、保护设置平均载荷/交变载荷≥±3Pa或频率≥±5Hz等；

⑤打开红外测温系统8，包括软件系统和硬件系统；

⑥调整红外测温仪7的焦点位置，并微调焦距，使疲劳试样2在红外测温仪7中清晰成像显示；

⑦红外控制系统6，设置包括：镁合金测温范围-100℃～200℃、测温频率、图像记录速度(2～5张/秒)、室温差等；

⑧启动疲劳试验控制系统3开始疲劳试验，同时采用红外热测温仪7测量并记录试件表面温度在整个过程中的变化；

⑨选取镁合金母材及焊接接头试件分别在镁合金疲劳极限值以上(循环次数大于10⁷次)和疲劳极限值以下的不同应力下进行试验并测温；

⑩分别对镁合金母材及焊接接头试件在试验疲劳极限值以上(循环次数大于10⁷次)和疲劳极限值以下不同应力时的升温值进行线性拟合(origin软件拟合)，两直线交点对应力值为材料疲劳极限；用origin软件将红外热成像法拟合得到的疲劳极限与常规实验拟合得到的疲劳极限进行比较，判断其测量准确性；试验过程中红外测温仪得到的最高温度点为材料或结构中的危险点。

二对实际构件疲劳预测

针对镁合金构件在制造完成后初次使用状态下，利用红外测温仪进行疲劳极限预测：

①将镁合金构件表面涂抹一层发射率大于0.95的黑色亚光漆(也可用黑色墨汁代替)，以避免发射光的干扰；

②固定红外测温仪位置，调整红外测温仪的焦点，并微调焦距，使镁合金构件在红外测温仪中清晰成像显示；

③设置红外控制系统，包括：镁合金测温范围-100℃～200℃、图像记录速度(2～5张/秒)、室温差等；

④开启设备，使使镁合金构件受载，同时利用红外测温仪记录构件表面温度变化，当温度稳定时停止测试；

⑤导出温度曲线，分析温度变化趋势；

⑥基于镁合金母材及焊接接头试件的试验数据，获得镁合金材料疲劳极限时对应表面温升值，并与镁合金构件实际测量温度进行对比，确定镁合金构件疲劳极限。

图3所示，为热成像法测量疲劳极限确定图。利用材料在疲劳损伤过程中伴随着其内部状态的非平衡不可逆变化过程，通过测量承受动载镁合金结构在裂纹尖端的温度变化曲线，并且得到应力-温升曲线，曲线1为小于疲劳极限载荷作用于试样时试样表面温升值-应力的拟和曲线；曲线2为大于疲劳极限载荷作用于试样时试样表面升温值-应力的拟和曲线；交点A为对应横坐标为镁合金疲劳极限。

表2为10mm厚AZ31B镁合金疲劳试验红外热像温度测试结果，由表中数据可以确定AZ31B镁合金的疲劳极限为109.8MPa。

表210mm厚AZ31B镁合金疲劳试验红外热像温度测试结果

图4所示，本发明的镁合金板材在承受疲劳载荷作用下断裂过程中表面温度分布。P2点为红外热像仪测得的温度最高点位置，为35.48℃，本试验室温18.82℃，因此温升35.48-18.82＝16.6℃，该部位即为裂纹尖端位置；P1和P3为裂纹尖端前部和后部的位置，其温度低于裂纹尖端温度变化值，同时在疲劳裂纹扩展过程中，裂纹尖端后部P2点的温度比裂纹尖端P3点的温度低。

图5所示，为本发明图4所示P1、P2、P3三点在承受疲劳载荷作用下对应温度变化曲线，裂纹扩展过程中，温度变化在初期呈近似线形分布，即为弹性阶段；然后到温度稳定变化阶段，最后温度下降。三点在疲劳载荷作用下均具有相同的温度变化趋势。

图6所示，为镁合金试件试验过程中的应力-温升曲线图。不同载荷作用下，试件的温升值不同，但趋势均相同，均为先温升值很小，然后快速增加，最后减少的趋势。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于红外热成像预测镁合金构件疲劳极限的系统和方法，其特征在于，包括：疲劳试验机夹具(1)，用于夹持疲劳试件；疲劳试件(2)包括镁合金母材和焊接接头试件，测试时在其表面涂一层发射率大于0.95的黑色亚光漆；疲劳试验控制系统(3)，控制试验应力、频率；疲劳试验系统(4)对镁合金母材和焊接接头试件进行疲劳试验，试验得出不同应力下试件循环次数，进而拟合最大应力与循环次数关系曲线S-N曲线，得出循环次数为10⁷时镁合金疲劳极限；红外测温系统(8)，在疲劳试验过程中，红外测温系统(8)得到疲劳试件(2)表面温度变化曲线，记录疲劳试件(2)在疲劳过程中的温度变化数据；综合分析系统(5)，应用origin软件将所述得出的镁合金疲劳极限，与常规疲劳试验得出的疲劳极限进行对比，判断其测量准确性。

2.一种权利要求1所述系统的预测镁合金构件疲劳极限的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：选取镁合金母材及焊接接头试件分别在劳极限值以上和疲劳极限值以下的不同应力下进行试验并测温，循环次数大于10⁷次，得到镁合金母材及焊接接头的疲劳极限；

步骤2)：分别对镁合金母材及焊接接头试件在循环次数为10⁷时的试验疲劳极限值以上和疲劳极限值以下不同应力时的升温值利用origin软件进行线性拟合，利用升温值拟合镁合金母材及焊接接头的疲劳强度；

步骤3)：将步骤1)和步骤2)得到的疲劳强度进行对比，分析利用温升值确定镁合金疲劳强度的准确性；

步骤4)：镁合金构件在制造完成后初次使用状态下，利用红外测温仪进行循环次数为10⁷时疲劳极限预测：将镁合金构件表面涂抹一层发射率大于0.95的黑色亚光漆；使镁合金构件受载，同时利用红外测温仪记录构件表面温度变化，使镁合金构件表面温度在红外测温仪中清晰成像显示；当温度稳定时停止测试，导出温度曲线，分析镁合金构件温度变化趋势和表面温升值，基于镁合金母材及焊接接头试件的试验数据，获得镁合金材料疲劳强度时对应表面温升值，并与镁合金构件实际测量温度进行对比，确定镁合金构件表面危险点和疲劳极限。