Ermüdungseigenschaften von geschweißten Details werden üblicherweise an kleinen Proben bestimmt, die effizient getestet werden können. Der Test besteht in der Anwendung einer zyklischen Last. Irgendwann wird ein mikroskopischer Riss einbrechen.
Der Riss wächst dann und breitet sich durch die Probe aus. Die Prüfung wird durchgeführt, bis die Probe verblasst. Das Ergebnis des Tests ist die Anzahl der Lastzyklen bis zum Ausfall der Rohrlast.
Dieser Fehlerbefund ist in der Regel ganz offensichtlich, aber wie kann die Rissinitiierung bestimmt werden? Im Folgenden wird ein experimenteller Ansatz mit Hilfe der digitalen Bildkorrelation vorgestellt. Die bei der folgenden Prüfung verwendeten Proben enthalten eine Mehrschicht zwischen einer 10mm und einer 25mm Platte.
Die Exemplare sind aus Baustahl bei 355. Bei der Ermüdungsbelastung werden Risse am Schweißloch auf der 10mm Platte erwartet. Für die digitale Bildkorrelation wird ein Speckle-Muster auf die Probenoberfläche aufgebracht.
Nachdem die Schweißnaht und die Umgebung von Schmutz oder Öl gereinigt wurden, wird das Muster mit Sprühfarbe aufgetragen. Die Flecken werden durch abwechselnde Schichten von weißer und schwarzer Farbe erhalten. Die Düse wird in einiger Entfernung von der Probe gehalten, so dass das Spray feine Flecken bildet und keine enge Farbschicht.
Die Flecken sollten so fein wie möglich bei einer Magnitude von 0,1 mm sein. Die Tests werden auf einer 200 Kilo schweren Newtonresonanzprüfmaschine durchgeführt. In diesem Setup werden die Kameras für die digitale Bildkorrelation über der Probe platziert.
Es ist wichtig, den Fokus und die Blende der Kameralinsen richtig einzustellen. Um kurze Belichtungszeiten zu ermöglichen, muss eine ausreichende Ausleuchtung gewährleistet sein. Vier LED-Leuchten wurden in der Nähe des Exemplars positioniert.
Um Reflexionen zu reduzieren, wurden Polarisationsfilter auf die Lichter und Kameras aufgebracht. Die Tests werden mit einer Ladefrequenz von 34 Hz durchgeführt, was zu einem Zeitraum von etwa 29 Millisekunden für jeden Lastzyklus führt. Die Belichtungszeit der Kameras sollte nur einen kleinen Bruchteil dieser Ladezeit betragen.
Für das verwendete Setup hat sich eine Belichtungszeit von 0,8 Millisekunden bewährt. Die Kameras werden durch das Kraftsignal der Prüfmaschine ausgelöst. Um die Verzögerung zwischen Triggersignal und tatsächlicher Bildaufnahme auszugleichen, kann es notwendig sein, den Trigger etwas vor der Spitze des Lastsignals einzustellen.
Der erste Lastzyklus wird statisch angewendet. Bei maximaler Belastung wird ein Bild der Schweißnaht aufgenommen. Anschließend wird der eigentliche Ermüdungstest für die zyklische Belastung gestartet.
Die Bilder werden in vordefinierten Intervallen von Lastzyklen aufgenommen, die durch das Kraftsignal der Prüfmaschine ausgelöst werden, ohne die Prüfung zu unterbrechen. Das Intervall sollte gewählt werden, um über die Dauer des Tests etwa 100 bis 200 Bilder zu erhalten. Dies sollte ausreichen, um die Rissinitiierung mit der erforderlichen Genauigkeit zu bestimmen und gleichzeitig eine übermäßige Datenerfassung zu vermeiden.
Die Erzeugung von Strandmarken ist optional. Es wird hier angewendet, um die Risslänge zu überprüfen, die durch die digitale Bildkorrelation erkannt wird. Perioden sind ein reduzierter Lastbereich und werden während der Dauer des Ermüdungstests periodisch eingeführt.
Die verminderte Rissausbreitung in diesen Intervallen wird nach Abschluss des Tests in Form von semielliptischen Markierungen auf der Rissoberfläche sichtbar. Nach dem Test wird die digitale Bildkorrelation ausgewertet, um Dehnungen in der Laderichtung der Probe zu berechnen. Das genaue Verfahren hängt von der angewendeten Software ab.
Zur Berechnung der Dehnungen wird das Bild aus dem ersten statischen Lastzyklus als Referenz verwendet, wobei alle für die aufeinanderfolgenden Bilder berechneten Stämme relativ sind. Der Bereich des Regeldiagramms wird angepasst, um mögliche Geräusche und Spurenrisse zu unterdrücken. Führen Sie dann die Bilder durch, die während der Dauer des Tests erfasst wurden.
Irgendwann beginnt die Belastung am Schweißloch zu zunehmen, was darauf hindeutet, dass sich ein weiterer Riss bildet. Technische oder mikroskopische Rissinitiierung, während angenommene Zwang über 1% einer Länge von 2mm. Im as-welded Zustand enthält diese Probe Zugrestspannungen in der Mitte der Probe und Druckpressen an den Rändern.
Es wird daher erwartet, dass der Riss in der Nähe der Mittellinie des Exemplars beginnt. An dieser Stelle hat sich ein mikroskopischer Riss gebildet. Um die beobachtete Risslänge zu validieren, werden die Ergebnisse mit Strandmarkierungen verglichen, die während des Tests erzeugt wurden.
Das Risswachstum wird bei der Bildung der Strandmarkierungen sichtbar verlangsamt. Diese Probe wurde nach dem Schweißen stressfrei. Die Rissinitiierung wird daher nicht durch Restspannungen beeinflusst.
Mehrere Risse bildeten sich an verschiedenen Stellen entlang der Schweißnaht. Sie wuchsen, wie durch die Strandmarkierungen angedeutet und schließlich vereint. Das vorgestellte Verfahren mittels digitaler Bildkorrelation ermöglicht die technische Rissinitiierung sowie die Überwachung und Rissausbreitung bei Ermüdungstests.
Sie ist auf Resonanzprüfmaschinen mit hohen Lastfrequenzen anwendbar, ohne den laufenden Test zu unterbrechen. Angenommen auf geschweißten Proben ermöglicht es, die gesamte Breite der Probe abzudecken, um Risse zu erkennen, die an der Schweißbohrung einbrechen.
