宋 明 徐 彤 壽比南 孫 超 孫永輝

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

基于數(shù)字圖像相關方法的焊接接頭局部力學性能研究進展

宋 明 徐 彤 壽比南 孫 超 孫永輝

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

鍋爐、壓力容器、管道等承壓設備的制造均涉及到大量的焊接工藝。隨著諸如應變強化等新型制造工藝以及設備向超高溫服役環(huán)境的發(fā)展趨勢變化，許多焊接結構設計及評價也逐漸從強度控制方法轉向變形控制方法。因此，針對焊接接頭局部力學性能，尤其是焊縫及熱影響區(qū)不同區(qū)域力學性能的表征方法的研究顯得日趨重要。本論文總結了現(xiàn)有的及近年來發(fā)展出來的熱模擬、壓痕、微試樣和非接觸測量等局部力學性能分析方法，并重點介紹了基于數(shù)字圖像的非接觸全場應變測量方法在局部力學性能測量上的應用研究現(xiàn)狀，以及未來的發(fā)展方向。

焊接接頭 局部力學性能 數(shù)字圖像相關 非接觸測量

鍋爐及壓力容器是石油、化工、電站、核能和軍工等重要工業(yè)部門的生產(chǎn)設備，其安全性及可靠性至關重要。由于涉及大量的焊接結構，而且運行條件苛刻，制造工藝復雜，這些設備的可靠性與所選用鋼材及其焊接接頭的性能有著密切的關系。總的來說，為了保證鍋爐壓力容器有足夠的承壓穩(wěn)定性，鋼材及焊接接頭必須要滿足足夠的強度和充分的韌、塑性儲備。傳統(tǒng)的焊接結構設計及分析方法多是針對基于強度控制的結構，而隨著鍋爐壓力容器向超高溫應用領域的發(fā)展以及采用應變強化等新型工藝，以變形控制的焊接結構逐漸增多。常規(guī)的拉伸方法根本無法獲得焊接接頭這種性能不均勻結構的局部變形參數(shù)，因此，國內(nèi)外許多研究者都將工作重點集中在了針對焊接接頭局部力學性能、本構關系及相關測試方法的研究上。目前發(fā)展起來的焊接接頭局部力學性能評價方法有很多，概括起來主要可分為四種：熱處理組織模擬的宏觀試樣測試、球壓痕法或顯微硬度法測試、微試樣測試和非接觸全場應變測量。本文將對當前常用的方法作簡要總結，并重點介紹基于數(shù)字圖像相關方法的焊接接頭局部力學性能測試的研究進展及成果現(xiàn)狀。

1 焊接接頭局部力學性能評價方法

1.1 熱處理組織模擬的宏觀試樣

熱模擬方法是通過模擬焊接過程中不同區(qū)域經(jīng)歷的熱歷史來獲取具有與各局部區(qū)域相同組織特征的塊才試樣，通過對該塊才試樣的性能測試來達到焊接接頭局部力學性能表征的目的。其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)全尺寸試樣拉伸加載以及從屈服到斷裂的整體性能評估[1-4]。但缺點是焊接過程中焊接接頭經(jīng)歷的高度瞬態(tài)變化的熱歷史很難準確的確定，而即便確定下來了有的也很難通過熱處理方法再現(xiàn)模擬。由此可能直接導致熱模擬測試的結果不準確。而且，逐個區(qū)域的熱模擬過程還相應的提高了試驗成本[5-6]。

1.2 壓痕法或顯微硬度法

球壓痕法或顯微硬度法是目前應用最廣泛的一種局部性能表征技術[6-8]。該方法是一種半無損的測試方法。該技術空間分辨率高而且操作簡便。缺點是對于試樣來說其加載變形的復雜過程導致了其力學模型的建立的復雜性。尤其是對一些重要的本構數(shù)據(jù)，如屈服強度，需要對高應變水平（＞4%）條件下獲得的流變應力數(shù)據(jù)結合先驗性的經(jīng)驗進行曲線擬合[8]。但是到目前為止，用于確定塑性行為的重要本構關系模型還沒有明確建立起來[6]。

1.3 微試樣

微試樣測試是目前研究焊接接頭局部力學性能很流行的一類研究方法。其測試試樣種類繁多，總的來說都是通過從焊接接頭中切取局部材料制成微型試樣來研究局部力學性能，目前已發(fā)展的微試樣測試方法有：微拉伸[9-10]、微彎曲、微穿刺剪切、微剪切[11-14]、小沖桿[15-17，33-34]、液壓鼓脹等。微試樣測試的優(yōu)勢在于可以得到每個微區(qū)從屈服到斷裂的全部數(shù)據(jù)[1，4，7，10，15，18-23]，材料性能獲取方式很直接。中國特種設備檢測研究院近年來在微試樣測試技術領域獲得了較大的突破，在小沖桿方面，特檢院首次提出了采用環(huán)形預制裂紋評價脆性材料斷裂韌性的方法[33]，并對小沖桿測試方法標準化問題進行了深入的探討與研究[34]，在此基礎之上特檢院牽頭完成了“在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法”的兩個國家標準GB/T 29459.1—2012和GB/T 29459.1—2012的制定[35，36]；在液壓鼓脹方面，特檢院世界上首次提出微試樣的液壓鼓脹測試方法[37]。該方法使用10×10mm2，厚度0.5mm左右的微型試樣，以液壓加載代替小沖桿加載，避免了沖桿外形及摩擦引入的測量誤差，實驗曲線穩(wěn)定性明顯優(yōu)于小沖桿試驗。基于“固支圓平板受均布外壓”的基本力學模型，該方法直接給出了圓片形試樣在受液壓鼓脹變形過程中的變形解析解，從根本上解決了小沖桿實驗以經(jīng)驗關聯(lián)方法獲取材料性能數(shù)據(jù)分散的弊端?？傮w上，微試樣測試技術的試樣制備和測試過程比較復雜[6]，對于有些試樣（如微拉伸試樣），需要有足夠尺寸的焊接接頭用于切取試樣[24]。由于微試樣測試時一般假設每個試樣的材料性能都是均勻的，因此當焊接接頭性能梯度變化較大時，即便是一個微試樣內(nèi)部也很難保證力學性能的均勻性，其測量結果很可能變得不準確[5，6]。此外，微試樣測量很難將測量數(shù)據(jù)繪制成場分布結果。并且由于微試樣從母材切取下來后已失去了臨近區(qū)域的束縛和殘余應力的作用，因此焊接接頭的整體強度性能有時不能通過每一部分的測試結果來準確評估[25]。

1.4 非接觸變形測量

隨著非接觸光測力學的發(fā)展，一些較成熟的光測方法也逐漸的被應用于焊接接頭局部力學性表征研究領域（如光彈、云紋[26，27]、全息技術、散斑干涉、剪切照相等）。其優(yōu)勢在于可以直接測量宏觀焊接接頭的表面應變場分布，再根據(jù)應變場來一次性獲取焊接接頭各個局部的力學性能及本構關系等。由于該方法在很大程度上彌補了前述三類方法的不足，對前述方法是一種很好的補充甚至替代，因此目前針對這種非基礎測量方法的應用研究逐漸增多。隨著對該方法研究的深入，該類方法的很多問題也一點點的暴露出來。例如，全息照相和多數(shù)剪切干涉裝置往往受限于相對小的變形測量范圍；再如透射光彈在考察僅在彈性場方面有很大優(yōu)勢；云紋干涉法需要通過光柵或幾何柵以及較大的表面平面來進行全場二維變形測量[28]等。

近年來，一種新穎的非接觸測量方法，即數(shù)字圖像相關技術（DIC），在焊接接頭表面應變測量方面得到了較好應用。它是基于數(shù)字圖像的一種利用計算機進行變形分析的方法。其優(yōu)勢在于測量過程簡便，對試樣無特殊要求，適應于大應變的全場測量。在焊接接頭局部力學行為表征方面，許多研究報道都體現(xiàn)了該方法明顯的測量優(yōu)勢[5-6，20，24-25，28-31]，但也有學者從計算機處理層面提出了該方法的一些局限性[28]，如在正常的實驗室條件下分析過程中用于提高測量精度的插補運算會引入微小的可測應變誤差(100με)；試樣的離面位移會影響到基于圖像的二維應變測量精度；局部形狀方程也會影響測量的精度。即便如此很多學者對其在焊接接頭整體及局部性能表征與本構關系研究方面的應用潛力仍然寄予了厚望。

2 數(shù)字圖像相關方法在焊接接頭應變測量方面的應用現(xiàn)狀

目前，數(shù)字圖像相關技術應用于焊接接頭的研究主要可分為三類：1）焊接接頭單軸拉伸測量用于研究本構行為；2）焊接接頭裂紋應變場分析用以研究斷裂行為；3）焊接熱變形場分析用以研究接頭的殘余應力演變等。本文重點介紹單軸拉伸測量及本構行為研究的部分內(nèi)容。該方法是基于常規(guī)焊接試樣的測試，通過表面二維應變場的測量來獲取焊接接頭各部分的局部變形，進而建立各個微區(qū)的本構模型獲取本構關系。

將數(shù)字圖像相關技術（DIC）應用于焊接接頭本構關系研究的工作始于1999年，Reynolds和Duvall[5]將加工硬化的5454鋁合金板材采用摩擦焊的方式拼接起來，加工成板狀拉伸試樣，焊縫垂直于拉伸軸。同時將回火和加工硬化的5454鋁合金板材也加工成拉伸樣進行對比實驗。采用等應力（iso-stress）近似，獲得了基材、焊縫、回復HAZ、再結晶HAZ等區(qū)域的加工硬化系數(shù)、Rp0．2和抗拉強度等參數(shù)。在趨勢上驗證了數(shù)字圖像相關方法測量的合理性。報道認為，可將焊接接頭視作復合材料，當各部分的材料屬性變化梯度不是很大的時候可以用DIC測量單軸拉伸的表面變形的方法研究本構關系。

同樣的，法國學者C.Genevois[30]等人采用DIC方法對5251 O、AA2024 T351和AA2024 T6鋁合金摩擦焊接接頭橫向拉伸應變進行了測試，用于研究位錯、晶粒尺寸以及沉淀析出對力學性能的影響。報道中還采用局部微試樣橫向拉伸的方法獲得了焊縫（nugget）、熱機械影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和基材（BM）的應力應變曲線，與DIC方法獲得的數(shù)據(jù)進行對比獲得了較好的一致性。同時，研究將微試樣拉伸和DIC的結果作為基礎參數(shù)輸入有限元模型，成功的預測了焊接接頭的拉伸應變場分布以及焊接接頭宏觀載荷位移曲線。

在很多研究中，局部的應力值都是采用iso-stress假設獲得的，即認為焊接接頭沿拉伸軸不同區(qū)域為一系列不同性能材料的排列，而且任意局部區(qū)域的截面均為各向同性，在每一個區(qū)域局部應力與宏觀應力都是相等的，并且三軸應力對力學行為沒有影響[30]。而實際上這一假設的應用是有條件的。美國South Carolina大學的William D. Lockwood[20]等人在對AA2024 T351鋁合金焊接接頭拉伸測試過程中發(fā)現(xiàn)將DIC測試數(shù)據(jù)輸入有限元模型預測出的焊接接頭宏觀拉伸應力應變曲線與實驗測量的結果有較大出入。其分析認為這與iso-stress加載假設的局限性有關。而從與C.Genevois[30]的實驗結果對比中也可以發(fā)現(xiàn)，C.Genevois選用的是6mm的板材焊接，而William D. Lockwood[20]用的是9.53mm厚的板材焊接。接頭各區(qū)域的截面性能不均勻性以及厚板的三軸應力作用會更明顯，這或許說明了iso-stress假設不能應用于過厚的板材拉伸試驗。

在最近的研究中，C. Leitao[6]等人也提出isostress在顯微結構梯度變化很大以及厚度有變化的時候并不適用。就這兩個問題，他采用橫截面積隨拉伸應變的指數(shù)變化模型來獲得感興趣區(qū)域實時的橫截面積變化的方法來求得局部應力。同時通過測量彈性變形時第一、二主應變關系的線性度來監(jiān)測顯微結構不均勻性和幾何不連續(xù)對局部應力分析是否造成了影響，更準確的說，這種方法可以評估局部三軸應力的存在與否，以及其對局部應力應變曲線的影響。此外，他還針對用DIC測量焊接接頭試樣拉伸過程中，實驗數(shù)據(jù)采集量受限于強度最低區(qū)域的問題，采用擬合適當?shù)募庸び不Ｐ偷姆椒▉硌a全應力應變曲線，這對于強度較高的局部區(qū)域是非常有意義的。

嚴格來講，焊縫及熱影響區(qū)在三維方向的組織性能是存在一定分布的。顯然最合理的方式應該是基于這種分布進行對應的建模和測量分析。美國SouthCarolina大學的M.A.Sutton等人嘗試了類似的研究[28]。他們以NPS30 Grade 690管線用鋼為實驗載體，采用virtual felds（VFM）方法來評估這種焊接接頭混雜區(qū)域的材料性能。分析過程為首先采用DIC測量焊接接頭的應變場分布。并人為將焊接接頭按母材、熱影響區(qū)、焊縫等區(qū)域劃分為7個虛擬區(qū)域，約定在每一個區(qū)域內(nèi)的材料性能均勻分布。采用VFM方法根據(jù)DIC測得的應變分布可以得到相應區(qū)域的應力應變曲線。和基于iso-stress假設的結果相比，應力應變曲線在焊縫區(qū)應變＞0.02時則會有明顯的不同，這主要是由于該區(qū)域從上到下材料屬性不同而造成材料彎曲所致，這也就是采用iso-stress假設不能總是準確評估局部性能的原因之一。

3 數(shù)字圖像相關方法的高溫應變場測量

對于鍋爐、壓力容器等承壓類特種設備，數(shù)字圖像相關技術用于焊縫應變測量及性能分析的報道并不多見，其原因源于兩個方面：一、這些裝置中的關鍵結構大多為高溫應用，高溫下金屬材料表面的形貌變化（如氧化、腐蝕等）會影響相關運算；二、高溫下材料及焊接接頭的失效形式改變，往往為非強度控制的，增加了分析模型的復雜性，需考慮更多因素，如溫度、時間因素等；而該類材料及接頭的數(shù)據(jù)積累有限。

針對這些問題，中國特種設備檢測研究院在多年的研究中開發(fā)了一種基于數(shù)字圖像技術的高溫變形測試方法[32]，該方法利用表面防護涂層技術，實現(xiàn)了700℃以下的高溫全場變形測試。試樣采用如圖1的矩形截面，表面以熱噴涂技術制備金屬或陶瓷抗氧化涂層。涂層體系的選擇可依據(jù)所需測試溫度而定。

圖1 焊接接頭拉伸試樣

在拉伸載荷作用下實際測量的焊接接頭εxx應變場分布如圖2（a）所示。將HAZ、FZ和母材區(qū)域的變形提取出來，可以得到各區(qū)域的應力-應變曲線如圖2（b）所示。應變場和曲線可作為焊接接頭或焊接結構分析的材料參數(shù)、也可用于結構分析結果的驗證。借助等應力假設或VFM方法，這些高溫數(shù)據(jù)還可發(fā)揮出更大的用途。

圖2

此外，中國特種設備檢測研究院還開發(fā)了材料及焊接接頭高溫蠕變變形場分析方法，該方法同樣采用涂層技術，并克服了高溫長時在線監(jiān)測的問題，目前已完成了不低于1000h的高溫蠕變在線實驗。

4 結論

綜合以上研究報道，可以發(fā)現(xiàn)目前采用DIC方法進行焊接接頭綜合力學性能評價研究可以獲取許多其他方法無法獲得的變形數(shù)據(jù)，已成為常規(guī)方法的有力補充。目前采用拉伸結合DIC應變測量方式的研究內(nèi)容主要集中在三方面：應用于焊接接頭測量的方法可行性研究；用于局部應力應變本構關系研究；用于局部力學性能與微觀組織本構關系研究。而DIC測量過程中，主要有三方面因素會影響到本構模型的準確建立：當“軟材料”與“硬材料”臨近時，三軸應力作用對較軟材料的影響較大；截面材料屬性不均勻對局部應力分布的影響；焊接接頭拉伸測試所能夠采集到的數(shù)據(jù)量取決于強度最低的區(qū)域而導致的高強度區(qū)域數(shù)據(jù)采集不完整。對于局部力學性能本構關系的研究，采用基于iso-stress假設進行應力應變信息提取的方法是目前的主要方法，基于Virtual Field的信息提取方法將是未來研究局部應力場分布及應力應變本構關系的最合理方法。此外，微試樣測試作為最直接的局部性能分析技術，也可為DIC局部本構關系研究提供有力的支撐，將微試樣技術與DIC技術融合將可能成為未來局部力學性能研究的方向。2016年，中國特種設備檢測研究院成功獲得了國家重點研發(fā)計劃項目的資金支持，研究將著重于液壓鼓脹局部力學性能測試技術與DIC技術的綜合應用，基于兩者各自特點的優(yōu)勢互補來進一步研究耐熱鋼同種或異種材料焊接接頭的高溫長時變形行為，結合組織演變與承載特征探明焊接接頭在高溫長時低載荷服役過程中的失效機理，針對局部老化問題提出相關的檢測與評價方法，為高溫承壓類設備提供理論及技術基礎。

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[基金支持：本項目由國家重點研發(fā)計劃“典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷關鍵技術研究（2016YFC0801901）”項目資助]

The Development of the Investigation on the Local Mechanical Properties of the Weld Joint by Digital Image Correlation Method

Song Ming Xu Tong Shou Binan Sun Chao Sun Yonghui
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Welding is the basic process method for the pressure equipment such as boiler, pressure vessel, pipe et al. With the application of the equipment at ultra-high temperature and the adoption of strain-hardening technology during the manufacture, the allowable stress of the materials cannot be determined simply by the strength parameters any more but the deformation parameters have to be taken into consideration. In order to estimate the deformation feature of the weld joint, the understanding of the local mechanical properties especially the properties distribution of the weld nugget and the heat affected zone becomes important. In this paper, the commonly used methods for investigating the local mechanical properties, including the thermal simulation, indentation, micro specimens test and non-destructive test, are briefy introduced at frst. And then, an image based non-destruction full feld strain test method called digital image correlation and the development of its application on the studies of the local mechanical properties of the weld joint in the world are emphatically presented.

Weld joint Local mechanical properties Digital image correlation Non-destruction test

X924

B

1673-257X(2016)12-0001-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．001

宋明(1983～)，男，博士，高級工程師，從事材料性能評價方法研究及失效分析工作。

2016-11-07）