CN110658082A - 一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统及方法，能够精确金属板材高温下的各项异性r值；该系统包括拉伸试验机、设置在拉伸试验机上的试件、用于控制试件温度的温度测控系统以及用于测量试件应变数据的应变测量系统；测量被测试件温度和直流电流最大输出极限值，计算金属试件承受温度的极限值；调整温度控制参数，调节被测试件温度；测量高温单向拉伸试验过程中试件的应变数据；根据得到的试件应变数据，确定试件在不同温度下的各项异性r值。

Description

一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统及方法
技术领域
本公开涉及金属板材力学性能表征领域，具体涉及一种在高温条件下的金属板材拉伸各向异性r值测试系统及方法。
背景技术
随着轻量化设计的发展，高温成形已成为铝镁合金及高强钢成形的重要工艺。板材具有各向异性，精确表征板材在不同温度下的各向异性r值对板材热成形数值仿真及板材成形工艺参数优化具有重要的指导意义。
近年来，非接触应变测量方法(DIC技术)广泛应用于金属板材的力学性能测试，DIC技术不仅可获得金属板材的精确应变，还能记录板材变形过程中的应变发展历史，进而精确测量板材单向拉伸的各向异性r值。
发明人在研发过程中发现，现有测量方法存在以下问题：
(1)采用炉内加热法拉伸时，由于炉体封闭、炉内高温空气以及玻璃对光折射等原因，导致DIC技术不能很好的应用，会影响测试精度，无法精确获得板材各向异性r值。
(2)自阻加热法是指在试件中通入电流，利用金属试件的电阻产生焦耳热，从而使试件温度升高。试件进行电流自阻加热时，由于存在热惯性，且在热拉伸过程中随着变形的开始，加热区电阻会发生改变，从而导致试件温度无法稳定在准确的温度值。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统及方法，能够精确金属板材高温下的各项异性r值。
本公开一方面提供的一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统的技术方案是：
一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，该系统包括拉伸试验机、设置在拉伸试验机上的试件、用于控制试件温度的温度测控系统以及用于测量试件应变数据的应变测量系统。
本公开另一方面提供的一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法的技术方案是：
一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，该方法包括以下步骤：
测量被测试件温度和直流电流最大输出极限值，计算金属试件承受温度的极限值；
调整温度控制参数，通过PLC控制实现拉伸试件温度的实时反馈控制；
测量高温单向拉伸试验过程中试件的应变数据；
根据得到的试件应变数据，确定试件在不同温度下的各项异性r值。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开通过合理设定加热参数，可获得稳定的热拉伸试验温度，加热至预定温度所需时间短，温度控制精确、稳定，且本公开设备简单，易于实现，成本低；
(2)本公开实现了高温条件下金属板材力学性能的在线应变测量，可以精确测得试件热拉伸试验过程的应变发展的历史数据，消除传统热拉伸装置中各夹具之间配合对实验结果的影响，精确获得金属板材在不同温度下的各项异性r值。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一温度测控系统的结构图；
图2是实施例一应变测量系统的结构图；
图3是实施例一拉伸控制系统的结构图；
图4是实施例二金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法的流程图；
图5(a)和图5(b)是试件中心区域应变分析区级试件中间温度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，该系统包括温度测控系统、应变测量系统和拉伸控制系统。
请参阅附图1，所述温度测控系统包括嵌入式触摸显示屏1、控制模块2、温度传感器3和低压大电流可调节直流电源4，所述控制模块2包括PLC控制器6、CPU处理器7、热电偶8和电源模块。
所述低压大电流可调节直流电源4连接于试件5两端，所述温度传感器3与热电偶8连接，所述热电偶8与试件相连接的，焊接在试件表面，用于采集试件温度，并输出至热电偶8；所述CPU处理器7连接嵌入式触摸显示屏1和热电偶8，所述热电偶8将采集的试件温度数据传输至CPU处理器7，CPU处理器7对试件温度数据进行处理，并通过嵌入式触摸显示屏1显示试件实时温度；所述CPU处理器7还连接PLC控制器6，所述PLC控制器6的输出端连接低压大电流可调节直流电源4，CPU处理器7将处理后的数据传输至PLC控制器6，PLC控制器6利用其PID功能将控制信号从PLC控制器的输出口输出至自动模式下的低压大电流可调节直流电源4，进而控制低压大电流可调节直流电源4输出值，实现试件温度的自动调节控制。
在本实施例中，所述温度测控系统具有两种控制方式，分别为开环控制和闭环控制。
(1)开环控制。
以CPU处理器为主机，扩展热电偶，热电偶与温度传感器连接，热电偶获取温度传感器采集到的试件温度数据，并传输至CPU处理器进行处理，CPU处理器将处理后的数据传送至嵌入式触摸显示屏显示试件实时温度。此过程中，低压大电流可调节直流电源在手动模式下调节电流的输出值，实现试件温度的控制。
所述温度测控系统在开关控制状态下，测定金属试件5承受温度的极限值和金属试件许可的直流电流最大输出极限参数，为闭环系统参数整定提供参考数据。通过低压大电流可调节直流电源的电流控制旋钮，手动控制直流电流输出值，使流经试件5的电流逐渐增大直至试件温度升高熔断。记录试件熔断时嵌入式触摸显示屏显示的试件温度和直流电流输出值A。该试件的温度极限值即为记录的试件熔断温度；直流电流最大输出限值参数M的计算公式为：
Figure BDA0002237663860000051
其中，A为试件熔断时低电压大电流可调节直流电源的直流电流最大输出极限值，Q为温度传感器量程。
(2)闭环控制。
以CPU处理器为主机，扩展热电偶，热电偶与温度传感器连接，对温度传感器采集到的试件温度数据进行处理，热电偶获取温度传感器采集到的试件温度数据，并传输至CPU处理器进行处理，CPU处理器将处理后的数据传送至PLC控制器，PLC控制器将控制信号输出至自动模式下的低压大电流可调节直流电源，进而控制低压大电流可调节直流电源输出值，实现试件温度的自动调节控制。
本实施例提出的温度测控系统的工作过程为：
在开环控制状态下，温度测控系统测得的试件温度极限值以及直流电流最大输出限值参数M。
使用温度测控系统闭环控制前需对PLC控制器温度控制参数进行整定，控制参数包括比例增益、积分时间、微分时间等。首先通过嵌入式触摸显示器输入金属试件的温度极限值、温度传感器测温量程、直流电流最大输出限值参数M。而后使用TIA Portal软件对PLC控制器中的温度控制参数进行自动整定，得到试件温度控制所需的比例增益、积分时间、微分时间等参数，整定后将温度控制参数上传并保存至PLC控制器。
PLC控制器将采集到的试件实时温度与给定温度进行比较，得出实时温度与给定温度的误差值，通过PLC控制器中PID功能的比例控制计算得出与该误差值成比例关系的输出值，通过积分控制消除比例控制输出值导致的稳态误差，通过微分控制预测误差值的未来变化趋势并超前控制来抑制比例控制及积分控制输出值在温度调节中存在的滞后误差，而后将比例控制、积分控制、微分控制共同作用得出的控制信号从PLC输出口输出至自动模式下的低压大电流可调节直流电源，控制低压大电流可调节直流电源输出值，从而实现试件温度的自动调节控制功能。
在本实施例中，所述温度测控系统还包括安全保护系统，所述安全保护系统为急停按钮，通过PLC控制器急停按钮实现控制低压大电流可调节直流电源瞬时停止电流输出功能，可实现紧急情况下系统的安全保护。
请参阅附图2，所述应变测量系统采用DIC三维数字散斑应变测量系统，所述三维数字散斑应变测量系统包括可调节的测量头9、控制箱10和PC机11，所述控制箱连接可调节的测量头9，实现对可调节的测量头控制，并由外部触发相机电源，所述控制箱10与PC机11连接，所述PC机11通过网线连接可调节的测量头9，所述可调节的测量头9包括支架和设置在支架上的相机、激光和LED。
本实施例提出的应变测量系统的工作过程为：
测量前，利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，然后根据相机幅面参数，调节测量头与试件之间的测量距离。测量时，在PC机初始化设置参数，校正相机十字中心线，开始采集图像。图像采集完毕，创建面片区域和种子点，自动计算得到测量结果。
通过相机采集试件上的散斑图像，同时利用数字图像相关算法(DIC)匹配表面的变形点，通过各点三维坐标的变化计算得到热拉伸试件的应变场。作为光学非接触式三维应变测量系统，具有快速、简单、灵活、高精度的优点，能够实现非接触式测量，获得试件高温单向拉伸过程中的真实应变数据，进而确定板材不同温度下的各项异性R值。
请参阅附图3，所述拉伸控制系统包括拉伸试验机，所述拉伸试验机包括工作台14、设置在工作台上的两个夹具12和夹持在两个夹具之间的试件5，两个夹具12上分别设置有接线柱15，所述接线柱15的一端通过大载流导线16与低压大电流可调节直流电源4相连，低压大电流可调节直流电源4、大载流导线16、接线柱15、夹具12和试件5形成电流回路；所述PLC控制器6连接低压大电流可调节直流电源4，实现对低压大电流可调节直流电源自动控制。
在本实施例中，每个夹具12上分别设置有绝缘垫片13，使用绝缘垫片对电流回路与拉伸试验机进行可靠绝缘。
本实施例提出的拉伸控制系统利用金属试件的自阻加热和拉伸试验机的单向拉伸功能实现金属试件的热拉伸，通过拉伸试验机记录热拉伸试验过程中试件的力-时间曲线。该拉伸控制系统的工作过程为：
通过大载流导线16和接线柱15将低压大电流可调节直流电源4的正、负极分别连接于试验机的上、下夹具12，低压大电流可调节直流电源4输出直流电流经由大载流导线16、接线柱15、夹具12流入夹具夹持的试件5，利用金属试件的自阻加热和试验机的单向拉伸功能实现金属试件5的热拉伸，通过拉伸试验机记录热拉伸试验过程中试件8的力-时间曲线，结合应变测量系统获得应变-时间曲线，可获得该试件精确的应变数据。
请参阅附图5(a)和图5(b)，自阻电加热试件的温度呈梯度分布，选择中间区域温度恒定区，进行应变测量。虽然自阻加热会导致拉伸试件延伸率的降低，但在进行各向异性R值测定时，可选择应变较小时的数据即可进行，可得到精确的各向异性R值。
本实施例提出的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，实现了高温条件下金属板材力学性能的在线应变测量，可以精确测得试件热拉伸试验过程的应变发展的历史数据，消除传统热拉伸装置中各夹具之间配合对实验结果的影响，精确获得金属板材在不同温度下的各项异性R值。
实施例二
本实施例提供一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，该方法是基于实施例一所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统实现的。请参阅附图4，所述金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法包括以下步骤：
S101，测量金属试件承受温度的极限值和金属试件许可的直流电流最大输出极限参数。
具体地，在温度测控系统的开环控制状态下，手动控制低压大电流可调节直流电源的直流电流输出值，使流经试件5的电流逐渐增大直至试件温度升高熔断，通过热电偶获取温度传感器采集到的试件温度数据，并传输至CPU处理器进行处理，得到试件温度和直流电流最大输出极限值A，利用直流电流最大输出极限值A和传感器量程，计算金属试件承受温度的极限值。
S102，整定PLC控制器中的温度控制参数，得到试件温度控制所需的比例增益、积分时间、微分时间等参数。
S103，采用PID控制方法控制低压大电流可调节直流电源输出值，从而实现试件温度的自动调节控制。
具体地，在温度测控系统的闭环控制状态下，PLC控制器将采集到的试件实时温度与给定温度进行比较，得出实时温度与给定温度的误差值，通过PLC控制器中PID功能的比例控制计算得出与该误差值成比例关系的输出值，通过积分控制消除比例控制输出值导致的稳态误差，通过微分控制预测误差值的未来变化趋势并超前控制来抑制比例控制及积分控制输出值在温度调节中存在的滞后误差，而后将比例控制、积分控制、微分控制共同作用得出的控制信号从PLC输出口输出至自动模式下的低压大电流可调节直流电源，控制低压大电流可调节直流电源输出值，从而实现试件温度的自动调节控制功能。
S104，对试件进行高温单向拉伸试验，测量试件高温单向拉伸试验过程中的应变数据。
通过大载流导线16和接线柱15将低压大电流可调节直流电源4的正、负极分别连接于试验机的上、下夹具12，低压大电流可调节直流电源4输出直流电流经由大载流导线16、接线柱15、夹具12流入夹具夹持的试件5，利用金属试件的自阻加热和试验机的单向拉伸功能实现金属试件5的热拉伸。
测量前，利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，然后根据相机幅面参数，调节测量头与试件之间的测量距离。测量时，在PC机初始化设置参数，校正相机十字中心线，开始采集图像。图像采集完毕，创建面片区域和种子点，通过相机采集试件上的散斑图像，同时利用数字图像相关算法(DIC)匹配表面的变形点，通过各点三维坐标的变化计算得到热拉伸试件的应变场。
S105，根据得到的试件高温单向拉伸过程中的应变数据，确定试件在不同温度下的各项异性R值。
在本实施例中，该试件为金属板材。
本实施例提出的金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，实现了高温条件下金属板材力学性能的在线应变测量，可以精确测得试件热拉伸试验过程的应变发展的历史数据，消除传统热拉伸装置中各夹具之间配合对实验结果的影响，精确获得金属板材在不同温度下的各项异性r值。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，包括拉伸试验机、设置在拉伸试验机上的试件、用于控制试件温度的温度测控系统以及用于测量试件应变数据的应变测量系统。
2.根据权利要求1所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述拉伸试验机包括工作台和设置在工作台上的两个夹具，所述试件夹持在两个夹具之间，每个夹具上设置有接线柱。
3.根据权利要求2所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述温度测控系统包括嵌入式触摸显示屏、控制模块、温度传感器和低压大电流可调节直流电源，所述低压大电流可调节直流电源的正极和负极分别通过导线与夹具上的接线柱连接，所述控制模块连接温度传感器、低压大电流可调节直流电源和嵌入式触摸显示屏，接收温度传感器采集的试件温度数据，控制低压大电流可调节直流电源的输出值，实现对试件温度的自动调节控制。
4.根据权利要求3所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述控制模块包括PLC控制器、CPU处理器和热电偶；所述热电偶的输入端连接温度传感器，输出端连接CPU处理器，所述CPU处理器连接嵌入式触摸显示屏和PLC控制器，接收热电偶采集的试件温度数据并进行处理，将处理结果传输至嵌入式触摸显示屏和PLC控制器，PLC控制器对处理结果进行PID控制，输出控制信号至低压大电流可调节直流电源，控制低压大电流可调节直流电源的输出值。
5.根据权利要求1所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述应变测量系统包括测量头、控制箱和PC机，所述控制箱连接测量头，实现对测量头控制，所述控制箱与PC机连接，所述PC机通过网线连接测量头，接收测量头采集的试件上的散斑图像，利用数字图像相关算法匹配试件表面的变形点，通过各点三维坐标的变化计算得到热拉伸试件的应变场数据，确定板材不同温度下的各项异性R值。
6.根据权利要求1所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述测量头包括支架和依次置在支架上的相机、激光和LED。
7.根据权利要求2所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试系统，其特征是，所述夹具上设置有绝缘垫片。
8.一种金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
测量被测试件温度和直流电流最大输出极限值，计算金属试件承受温度的极限值；
调整温度控制参数，调节被测试件温度；
测量高温单向拉伸试验过程中试件的应变数据；
根据得到的试件应变数据，确定试件在不同温度下的各项异性r值。
9.根据权利要求8所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，其特征是，所述被测试件温度的调节方法：
调整温度控制参数，包括比例增益、积分时间和微分时间；
将采集到的试件实时温度与给定温度进行比较，得出实时温度与给定温度的误差值；
采用比例控制计算得出与该误差值成比例关系的输出值，采用积分控制消除比例控制输出值导致的稳态误差，采用微分控制预测误差值的未来变化趋势并超前控制来抑制比例控制及积分控制输出值在温度调节中存在的滞后误差；
输出由比例控制、积分控制和微分控制得出的控制信号至低压大电流可调节直流电源，控制低压大电流可调节直流电源输出值，从而实现试件温度的调节。
10.根据权利要求8所述的金属板材高温拉伸各向异性r值测试方法，其特征是，所述高温单向拉伸试验过程中试件的应变数据的测量方法为：
利用耐高温耐氧化的喷漆在试件表面喷涂随机散斑，根据相机幅面参数，调节测量头与试件之间的测量距离；
初始化设置参数，校正相机十字中心线，采集试件上的散斑图像；
创建面片区域和种子点，利用数字图像相关算法对采集的散斑图像进行处理，匹配试件表面的变形点，通过各点三维坐标的变化计算得到试件的应变场数据。
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