板料焊接變形測量的數字圖像相關法應用研究

李潤娟，王登峰，郭 楠

（1.河南廣播電視大學，河南 鄭州 450046；2.西安交通大學，陜西 西安 710049）

板料焊接變形測量的數字圖像相關法應用研究

李潤娟1，王登峰1，郭 楠2

（1.河南廣播電視大學，河南 鄭州 450046；2.西安交通大學，陜西 西安 710049）

針對板料焊接時溫度場的極不均勻性導致應變場的復雜性，提出一種基于數字圖像相關法的全場、全過程分析板料焊接變形情況的方法。首先，對板料表面進行預處理；然后，利用高速相機拍攝板料焊接及冷卻自由變形的全過程，通過數字圖像相關技術計算所有圖像中變形點的位移；最后，直觀地獲得板料焊接全場的變形規律。通過對Q235鋼板進行氬弧堆焊實驗表明，將一種新的3D-DIC技術應用于在線焊接變形中，能得到試件表面在整個焊接過程的全場變形數據，并且在高溫焊縫區獲得準確的變形規律。該方法攻克長期以來不能實時測量高溫焊縫處應變的難題，為數值模擬理論提供驗證手段，對揭示焊接變形機理、解決矯正變形問題等具有重要意義。

數字圖像相關法；全場；全過程；局部焊接區域；實時

0 引 言

板料焊接時焊縫處材料因集中受熱不均勻，導致板料在焊接過程中發生失穩變形，嚴重影響構件的質量。因此迫切需要對焊接變形過程進行有效測量，觀察其變形規律。

目前對全場全過程焊接變形的研究主要采用數值模擬和實驗測量兩種方法。有限元理論的研究[1-5]主要基于熱彈塑性的數值模擬仿真結果和變形穩定后的實驗結果相對比，得到較好的準確度，但是模擬理論仍然基于一定的假設和簡化，變形過程的仿真缺少準確的實驗驗證手段。常用的實驗測量方法有接觸和非接觸兩種。接觸測量方法主要采用熱電偶、高溫應變片等進行高溫變形測量[6]，但是引伸計等接觸式測量方法在柔性材料、高溫環境使用時具有明顯的局限性[7-9]。光學測量方法屬于非接觸式測量，其中基于激光的測量方法和數字圖像相關法是目前材料變形測量最常用的方法。電子散斑干涉[10]技術利用兩束相干的激光構建光路，產生干涉散斑場用相機記錄，對幅散斑圖進行計算機數字化處理，實現變形、表面缺陷等多種測試。數字圖像相關法[11]是一種可以實現全場、非接觸、高準確度位及應變測量的新型光測技術，具有操作方便、全場測量的優點，相對于激光測量方法，數字圖像相關法對環境要求更低，更適合于工業化的在線測量。

1 基于數字圖像相關法測量變形關鍵技術

數字圖像相關法是利用工業CCD相機連續拍攝試件在受力情況下試件的變形行為，通過變形前后兩幅圖像的相關性計算得到位移場。數字圖像相關法是通過圖像匹配進行相關性計算，圖像匹配的準確度決定DIC方法的準確度，本文提出的3D-DIC方法關鍵技術為圖像亞像素匹配。

如圖1所示，設A（xi，yi）為參考圖像子區中心點，參考圖像中的子區通過映射函數和相關性函數搜索匹配圖像中的子區。當待匹配圖像中的點滿足搜索關系時，A′（xi′，yi′）就作為參考圖像和變形圖像對應點。為了提高搜索準確度，首先進行整像素搜索，得到像素級別的位移分量u、ν，然后對整像素搜索結果進行細化，就需要亞像素搜索，本文采用最小二乘迭代法進行亞像素搜索。設f（x，y）和g（x′，y′）為點A、A′的灰度值，采用一階映射函數表示兩點的關系：

圖1 圖像子區匹配示意圖

其中：x′=x+u+uxΔx+uyΔy，y′=y+ν+νxΔx+νyΔy，e（x，y）為噪聲灰度。對g（x′，y′）進行泰勒分解并去掉高于一階的項：

設未知數的改正數向量為X，偏導數矩陣為A，觀察值向量（參考圖像與變形圖像像素灰度的差）為I，噪聲向量為v，設子區像素數目為n，則對應的誤差方程組為

式中，XT=[du，dux，duy，dν，dνx，dνy]。

利用最小二乘法求解方程可得：

其中P為權值，令P為單位矩陣，即所有的觀測權值相等，求得X之后，對未知數進行更新，重復迭代，直到改正數X小于設定的閥值。

2 實 驗

利用數字圖像相關法（DIC）測量板料焊接變形示意圖如圖2所示，兩個相機置于板料上方，焊接和圖像采集同時進行，焊接完成后相機仍持續采集圖像，直到冷卻完畢。對所采集的圖像在DIC系統中同時進行三維重建和散斑匹配，通過立體視覺技術和數字圖像相關技術計算全場位移值，本文擬采用Q235板料進行堆焊實驗，板料尺寸為200mm×300mm×3mm，焊接速度5 mm/s，電流90 A，焊接時間60 s，冷卻時間420s，焊接過程中、焊接完成時、冷卻后板料全場變形分布情況如圖3所示。

板料焊縫沿水平Y向移動，從圖中可以直觀地看出，X方向：焊接過程中，X向的變形量以焊接點為中心向四周逐漸減小，離焊接點近處產生正向變形位移，沿焊縫方向的兩側邊緣處產生負向位移；焊接剛結束時，X向位移均為正，板料右半部分，越靠近焊縫，變形量越大，最大值達到1.098mm，板料周邊區域從負向位移基本回歸到初始位置；冷卻結束后，X向位移出現明顯的馬鞍形狀，沿焊縫方向的邊緣區域位移為正值，靠近焊縫處達到最大值1.361mm，沿板料寬度方向的邊緣區域位移為負值，越靠近邊緣，沿負方向的變形量越大，負向最大值可達-0.629mm。

圖2 焊接檢測系統示意圖

圖3 焊接過程中、完成時、冷卻后板料全場變形分布圖

Y方向：焊接過程中，除了焊縫區變形較大以外，其余部分變形均勻，產生少量的正向位移，焊接結束后最大變形量為0.727 mm，但冷卻結束后變形稍有回升，變形量為0.61mm。在焊縫區域，整個焊接和冷卻過程中，焊縫上端產生負向位移，下端產生正向位移。冷卻結束后，板料上半部分小于下半部分變形量，但都變形均勻。

Z方向變形趨勢與X向基本一致，變形量以Z向為主導，冷卻后板料成“馬鞍”狀，冷卻結束后Z向最大變形量達到6.395mm。

3 結束語

論文介紹了利用數字圖像相關法實時全場測量焊接及冷卻的全過程變形，提出一種基于3D-DIC測量焊接變形的方案，解決了板料焊接變形中全場、全過程問題，不僅獲得板料全場所有點在整個焊接過程的變形規律，還得到高溫焊縫處的變形規律。通過對數字圖像相關法關鍵技術的介紹及實驗數據分析可得出下列結論：

1）在線監測板料全場全過程變形情況，能與產生的物理現象相對應，對揭示變形機理有重要的意義。

2）焊接過程中Y向除焊縫處變化較大外，其余位置位移變化量不大，而X、Z向則在全場都有較大變化，變化趨勢也較接近，Z向變形處于主導地位。

3）本文實驗結果可為高溫環境下板料焊接全場非接觸變形測量提供變形修正依據。

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Application and research of digital image correlation method for sheet metal welding deformation measurement

LI Runjuan1，WANG Dengfeng1，GUO Nan2
（1.Henan Radio&Television University，Zhengzhou 450046，China；2.Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

As the high temperature in the welding process,it always leads to a extreme inhomogeneous deformation in local welding area.So it is hard to measure deformation of welding real-time.A method is presented for obtain full-field and full-process deformation regularity of TIG welding based on DIC(digital image correlation)method.First of all,preprocess the sheet metal surface.Then,use two cameras to record the whole process of sheet metal welding and free deformation during cooling,and the displacements of all deforming points are all caculated by 3D digital image correlation technology.Finally,the deformation regularity of whole field of sheet metal and weld zone can be obtained intuitively.The TIG welding experiment of Q235 steel plate shows that a new 3D DIC technique applying in real-time welding deformation.This method can get the deformation curve at any point of the whole welding process and obtain the accurate deformation curve in high-temperature weld area.This method not only overcomes the problem that the deformation cannot be measured real-time in high-temperature weld area,but also provides a validation method for the numerical simulation theory.It has important significance in revealing the welding deformation mechanism and providing predict of correcting deformation.

digital image correlation method；full-field；full-process；local welding area；real-time

A

：1674-5124（2015）07-0033-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.008

2014-11-08；

：2015-01-07

李潤娟（1979-），女，河南三門峽市人，講師，碩士，研究方向為機械設計及制造。