CN106770394A - 金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法 - Google Patents

金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法，该检测方法是结合X射线计算机断层扫描技术和有限元分析技术，可以在不破坏试件的条件下，检测出异种金属焊缝内部孔洞缺陷的三维形貌、应力特征，该方法还可以得出异种金属焊缝内部孔洞缺陷的空间分布，孔洞体积，孔隙率和孔尺度分布演化规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等信息；其检测过程包括制样，对试验样件扫描获得扫描图片并记录对应的金属焊接参数，对获得的扫描图片信息进行处理并重建三维模型，对三维模型进行模型力学分析进行验证。

Description

金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法
技术领域
本发明属于异种金属焊接结构检测技术领域，涉及一种针对异种金属焊缝而形成的内部缺陷进行检测的方法，尤其是对该内部缺陷的三维形貌及应力特征进行无损检测。
背景技术
金属焊缝时，由于焊接工艺原因，金属的焊接区域总会不可避免地产生各种微观缺陷，其中，微观孔洞是焊接结构中存在的主要缺陷形式，而这些微观孔洞会造成结构的应力集中，结构在外载荷作用下，其内部微观孔洞不断发生演化，并会最终导致构件及整体结构的破坏。微观孔洞体积和位置分布都具有随机性，其发展过程为微观孔洞到宏观结构缺陷的多尺度损伤演化过程。材料与结构内部在小尺度上的不连续性往往会对其宏观性能产生明显影响。此外，由于异种金属焊接过程中产生的化学反应，在异种金属焊缝中存在了不同的化合物，其不同的物理性能对整体焊缝在力学性能上的表现产生巨大的影响。
为了能准确地建立异种金属焊缝内部缺陷的三维模型，研究不同的工艺参数对孔洞空间分布及孔洞三维形态的影响，及孔洞对整体焊缝力学性能的影响，同时区分出不同焊接化合物对整体焊缝力学性能的影响，必须要发展一种新型的检测手段，既能检测出异种金属焊缝内部缺陷的三维信息，又能在不破坏试件的前提下分析得到试样的力学性能。
目前，针对非透明金属物质的无损检测方法，有超声波检测，磁粉检测，涡流检测等方法，但这些方法在检测过程中，由于金属焊缝内部缺陷的不连通性、材质性能等原因，影响测试结果，造成检测结果不精确或只能检测表面形貌的问题；传统的切片检测方法，其检测精度高，但其对检测材料有不可修复的损坏，并且检测过程所需消耗的时间长，而且需要大量人力劳作，再者，对实验材料也造成了很大的浪费；同时检测后的试验样品无法应用于其他应力实验，对研究材料缺陷与应力关系的研究有巨大影响。经过上述检测方法检测后，再进行异种金属焊缝的三维模型重构，用于应力特征分析。总之，上述检测方法存在不可行或者需要更多人工测量操作更长时间消耗等问题，且无法保证模型的准确性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法，该方法结合X射线计算机断层扫描技术和有限元分析技术，可以在不破坏试件的条件下，检测出异种金属焊缝内部孔洞缺陷的三维形貌、应力特征，该方法还可以得出异种金属焊缝内部孔洞缺陷的的空间分布，孔洞体积，孔隙率和孔尺度分布演化规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
①制样：根据实验设计获得不同参数条件下经过激光焊接的钢铝异种金属焊接待测试件，将待测试件通过线切割获得所需测试部位的试验样件，所述参数条件包括焊接速度、焊接功率、离焦量、保护气体；
②扫描：选取所述试验样件进行X射线全方位识别计算机断层扫描，分别记录扫描图像与对应异种金属的焊接参数；
③信息处理：利用软件VG Studio MAX2.0对步骤②中的断层扫描信息进行分析，获得内部缺陷三维参数信息，所述内部缺陷三维参数信息包括三维孔洞体积、孔隙率、孔尺度分布、三维孔洞空间分布与异种金属焊接参数的影响规律；
④信息处理：利用软件VG Studio MAX2.0针对步骤③获得的信息进行分析，异种金属在焊接过程中会在焊缝位置形成不同的金属化合物，而不同的金属化合物的物理性能不同，引起X射线衰减程度也不同，针对步骤③的信息分析后，甄别焊缝区域的不同缺陷与不同金属化合物，提取焊缝缺陷信息，消除不同金属化合物对目标信息获取的干扰，然后得到焊缝缺陷单一信息的分布规律；焊缝缺陷信息包括经软件分析后得到的关于焊缝区域的关于缺陷和不同金属化合物的信息，目标信息则是针对焊缝缺陷的信息；
⑤模型重构：利用软件VG Studio MAX2.0对步骤②中获得的信息进行三维模型重建，获得可视化的焊缝模型；
⑥应力分析：将重构的三维模型导入hypermesh软件，利用获得的焊接区域内不同组成成分的不同物理性能进行网格划分并定义物质物理特性，并利用有限元分析软件ansys进行模型力学分析；
⑦试验验证：将上述实验样件分批次进行应力拉伸实验、高周疲劳实验等传统力学实验，验证有限元分析的可靠性。
进一步的，所述参数条件包括焊接速度、焊接功率、离焦量、保护气体，其中，焊接速度选取范围为1200瓦～2000瓦，焊接速度选取范围为15mm/s～45mm/s，离焦量选取范围为-1mm～2mm。
采用上述方案，本发明可以无损检测出异种金属焊缝内部缺陷的三维形貌，可以保证测试试样的完整性，有利于后期力学性能验证。同时，避免了试件试件切片所引入的损伤，保证了测试结果的准确性。进一步的，不仅可以得出异种金属焊缝表面形貌，还可以得出焊缝内部缺陷的三维空间分布，孔洞体积，孔隙率和孔尺寸分布规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等信息。而且，同时能准确重构出可用于有限元分析的三维可视化模型，有益于进一步理解异种金属焊缝内部缺陷三维形貌。再者，可以在不损坏测试试样的前提下，获得试样力学性能，大大节约了实验过程中消耗的人力物力及时间，并为建立寿命预测模型、探索焊缝内部缺陷与力学性能的影响关系奠定了基础。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明具体实施例焊缝孔洞三维重构模型。
具体实施方式
本发明的具体实施例是针对异种金属焊缝而形成的内部缺陷进行检测的方法，尤其是对该内部缺陷的三维形貌及应力特征进行无损检测。该检测方法主要由X射线计算机断层扫描仪，异种金属焊接试样，VG Studio MAX软件，ansys软件四部分组成；其中X射线计算机断层扫描仪探测器类型为Y.XRD 0820，探测器单元数为1024，像素数为1024×1024。异种金属焊接试样形状任意，一般情况以扁平长方体为主，尺寸不宜太大，因为尺寸越小，三维重构图像的分辨率越高。分析软件采用VG Studio MAX2.0进行数据处理。有限元分析软件采用hypermesh和ansys软件进行分析处理。
下面，结合表格说明本发明的异种金属焊缝内部缺陷三维形貌及应力特性检测方法的一个实施例。
本发明以钢铝异种金属激光焊接试样为例，激光参数如表1所示，即焊接速度选取范围为1200瓦～2000瓦，焊接速度选取范围为5mm/s～55mm/s，离焦量选取范围为-1mm～2mm。按照上述激光焊接参数，分别焊接100×50×1的钢板与铝板，获得异种金属焊缝试样。
表1激光焊接参数及性能参数实验表
将上述试样通过线切割切取所需尺寸，进行X射线计算机断层扫描并记录对应试样焊接参数信息。利用软件VG Studio MAX2.0对上述断层扫描信息进行分析，得出三维孔洞体积、孔隙率、孔尺度分布，三维孔洞空间分布与异种金属焊接参数的影响规律,如表1所示；区别出金属焊接成型物质各部位的不同组成成分，如表2所示，是以试样1为例得到的不同组成成分，消除焊接区域不同物质的物理性能不同对焊缝缺陷检测的影响后，对上述断层扫描信息进行三维模型重建，获得可视化的焊缝模型，如图1所示。
表2化学成分(％)
Cu Si Fe Zn Ti Mg Al
0.5 0.3 40 0.4 0.5 0.4 bal
将重构的三维CAD模型导入hypermesh等软件，利用上述获得组成成分区域不同的物理性能进行网格划分并定义物质物理特性；利用ansys等有限元分析软件进行模型力学分析获得焊缝的力学性能，如表1所示。
本发明并不仅限于上述实施例及变形例，而是在所附的权利要求书中所记载的范围内，可实现为多种形态的实施例。在不脱离本发明精神的范围内，本领域技术人员所能做到的变形范围，毋庸置疑也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
①制样：根据实验设计获得不同参数条件下经过激光焊接的钢铝异种金属焊接待测试件，将待测试件通过线切割获得所需测试部位的试验样件，所述参数条件包括焊接速度、焊接功率、离焦量、保护气体；
②扫描：选取所述试验样件进行X射线全方位识别计算机断层扫描，分别记录扫描图像与对应异种金属的焊接参数；
③信息处理：利用软件VG Studio MAX2.0对步骤②中的断层扫描信息进行分析，获得内部缺陷三维参数信息，所述内部缺陷三维参数信息包括三维孔洞体积、孔隙率、孔尺度分布、三维孔洞空间分布与异种金属焊接参数的影响规律；
④信息处理：利用软件VG Studio MAX2.0针对步骤③获得的信息进行分析，异种金属在焊接过程中会在焊缝位置形成不同的金属化合物，而不同的金属化合物的物理性能不同，引起X射线衰减程度也不同，针对步骤③的信息分析后，甄别焊缝区域的不同缺陷与不同金属化合物，提取焊缝缺陷信息，消除不同金属化合物对目标信息获取的干扰，然后得到焊缝缺陷单一信息的分布规律；
⑤模型重构：利用软件VG Studio MAX2.0对步骤②中获得的信息进行三维模型重建，获得可视化的焊缝模型；
⑥应力分析：将重构的三维模型导入hypermesh软件，利用获得的焊接区域内不同组成成分的不同物理性能进行网格划分并定义物质物理特性，并利用有限元分析软件ansys进行模型力学分析；
⑦试验验证：将上述实验样件分批次进行应力拉伸实验、高周疲劳实验等传统力学实验，验证有限元分析的可靠性。
2.根据权利要求1所述的金属焊缝内部缺陷的三维形貌及应力特征的无损检测方法，其特征在于：所述参数条件包括焊接速度、焊接功率、离焦量、保护气体，其中，焊接速度选取范围为1200瓦～2000瓦，焊接速度选取范围为15mm/s～45mm/s，离焦量选取范围为-1mm～2mm。
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Application publication date: 20170531

Assignee: Pingyang Intelligent Manufacturing Research Institute of Wenzhou University

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2020330000096

Denomination of invention: Nondestructive testing method for three dimensional morphology and stress characteristics of internal defects in Metal Welds

Granted publication date: 20181030

License type: Common License

Record date: 20201122

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