基于DIC和三維白光掃描焊接變形研究

房元斌，蹤雪梅，肖 云，周鵬翔，梁 晉，殷咸青

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇徐州221004；3.西安交通大學，陜西西安710049）

基于DIC和三維白光掃描焊接變形研究

房元斌1，蹤雪梅1，肖 云2，周鵬翔2，梁 晉3，殷咸青3

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇徐州221004；3.西安交通大學，陜西西安710049）

借助有限元分析手段對板材的焊接過程進行模擬，得到焊接變形和應力分布情況。基于白光三維掃描儀和DIC兩種測量手段，分別驗證焊后變形趨勢和變形量，同時采用盲孔法測量殘余應力分布結果，計算結果與實驗結果吻合較好，證明有限元模型的正確性和有效性。結果表明，白光三維掃描法對焊后整體變形趨勢進行了定性分析，DIC對焊后局部變形進行了定量分析，應力模擬結果基與實際應力分布測量結果基本吻合，對現場結構件變形預測和殘余應力分布趨勢分析有重要指導意義。

三維白光掃描儀；數字圖像相關技術；焊接變形；殘余應力

0 前言

在工程機械領域，生產模式由原來的粗放模式向精益生產轉變。結構件的焊接質量直接影響后續機加工、裝配精度，同時焊接殘余應力的分布對結構件工作性能和疲勞壽命產生重要影響[1-2]。為了最大化精益生產，設計要求焊后關鍵位置的加工余量控制在5 mm，甚至1 mm以內，這就對焊接測量系統[3]提出了更高的要求。與此同時，焊接數值模擬仿真技術因其降低實驗量和節約成本等優勢在實際生產中不斷得到推廣應用。在以往的技術研究中，更多是突出某種技術的深入研究[4-6]，但是在實際工程應用中，對于多種測量方法和仿真手段結合的綜合技術研究甚少。

目前工程機械領域針對其結構件板厚和尺寸特點，焊接變形的測量方法[7-10]主要如下幾種：塞尺、鋼尺、三坐標、激光測距儀、三維激光掃描儀等，

其中塞尺和鋼尺測量精度不高、誤差大；三坐標和激光測距儀精度能達到要求，但是測量不方便，不具有通用性，且存在只能對局部關注位置進行測量等不足；三維激光掃描儀可以精確測量，但是操作復雜，且對生產現場環境要求高。

三維白光掃描儀相對三維激光掃描儀測量精度低，現場操作簡單，掃描大型結構件效率高，可用于焊后變形的非接觸全場測量。數字圖像相關技術[11]（digital image correlation technique，DIC）是一種對變形場進行非接觸測量分析的光學系統，測量系統精度高，可對關鍵位置的焊后變形進行測量。

本研究通過分析現場生產中典型的接頭形式，利用焊接數值模擬手段，在一定假設條件下建立了焊接過程的有限元模型，借助三維白光掃描儀對接頭的整體變形趨勢進行定性分析，再利用精度更高的DIC設備對局部關注位置的焊后變形進行定量研究，采用盲孔法設備測量殘余應力分布趨勢，將該模型溫度場、變形場的結果與實驗結果進行比較，以驗證模型的可靠性。

1 建立有限元模型

1.1 焊接工藝參數及網格模型

試驗用T型接頭材料為Q345，焊接方式為MAG焊，采用ER50-6實心焊絲，焊接工藝參數為：焊接電流290 A，焊接電壓30 V，保護氣體流量19L/min，焊接速度40 cm/min。試件幾何模型如圖1a所示。

為保證應力場求解精度，在模型網格劃分過程中采用過渡網格，控制焊縫位置單元尺寸1 mm，獲得有限元模型，如圖1b所示。

圖1 幾何模型及有限元模型Fig.1Geometry model and FE model

1.2 材料參數的建立

材料熱物性參數精度會影響焊接模擬結果的準確性。借鑒已成熟參數，獲得Q345材料熱物性參數。隨溫度變化的部分物性參數和力學參數如圖2所示。

圖2 Q345熱-力參量與溫度的關系Fig.2Relationshipbetweenthermo-mechanicalparameters and temperature of Q345

1.3 熱源模型

建立恰當反映CO2焊接的熱源模型①MSC.Marc User's Manual，Volume A,Chapter6.。雙橢球熱源充分考慮了焊接過程中熱源前端溫度陡變、后端溫度變化慢的特點。有限元分析時，將其焊縫分成四段加熱，每段溫度直接賦1 200℃，作用時間0.01 s，每段冷卻時間12 s。

前、后橢球的熱分布函數分別為

式中f1、f2為熱流密度分布系數；Q為輸入熱源功率；v為焊接速度；a1、a2、b、c為定義橢球形狀的參數，a1、a2分別表示前、后半部橢球的長度，c影響熔寬，b影響熔深。

1.4 力學邊界條件

采用力學邊界條件：寬度方向在對稱面下表面選擇兩個節點，用于限制y向位移，而不影響縱向收縮變形；通過焊縫背面沿焊縫長度方向節點限制z向位移，而不影響橫向收縮；從而模擬其自由焊接工況。

2 測量系統分析

2.1 三維掃描儀原理

三維白光掃描儀由光柵投影設備LED投影儀及兩個工業級的CCD照相設備構成，在工程應用中可以在有效的誤差范圍內實現快速測量。

基本工作原理是：采用可見光將特定的光柵條紋投影到測量工作表面，借助兩個高分辨率攝像頭對光柵干涉條紋進行拍照，并加以粗細變化和位移，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理可在極短時間內，根據工件的形狀特征或反射標點在空間中快速獲取數據信息，構建復雜工件表面的完整點云，以其流動式設計和不同視角點云的自動拼合技術，可獲得待測物的實際3D外型，使得掃描大型工件變得高效。

2.2 數字圖像相關法

數字圖像相關法[12]是兩幅圖像上對應點的立體匹配。基本原理是以一幅圖像作為參考圖像，另外一幅圖像作為待匹配圖像，在參考圖像中，取以待匹配點（x，y）為中心的（2M+1）×（2M+1）大小的矩形子圖像，在待匹配圖像中，通過一定的搜索方法，并按照某一相關函數進行相關計算，尋找與選定的子圖像相關系數最大的以（x′，y′）為中心的子圖像，則點（x′，y′）即為點（x，y）在待匹配圖像中的對應點。

若圖像子區包含N個像素點，像素灰度受到獨立同分布的噪聲干擾[13]，則參考圖像與待匹配圖像子區間的相似程度可通過如下計算公式[10]衡量

式中p為相關參數的矢量；f（xi，yi）為變形前圖像子區中點（xi，yi）的灰度值；g（xi'，yi'）為變形后圖像子區中點（xi'，yi'）的灰度值；r0，r1為補償由于光照引起的灰度差異。

3 焊接結果分析和驗證

熱輸入是引起焊后變形的直接因素，采用熱電偶實測溫度曲線，同時通過高速攝像機獲取實際熱源的參數，與仿真結果對比，修正熱源模型，以保證熱源模型的有效性和正確性。

3.1 熱源模型參數校和

采用XJTUDIC動態跟蹤測量T型接頭焊接變形之前，先對焊縫區域進行噴砂處理，保證其不反光，然后在焊接試板的另一面噴上一些可以識別的散斑點，并在焊縫附近涂上抗高溫的無機膠，防止散斑點被燒損。

利用K型熱電偶測試點A的熱循環曲線，A點距焊縫熔合線的距離為22 mm，如圖3a所示，測試結果和仿真結果如圖3b所示。兩條曲線基本吻合，只是模擬得到的熱循環的冷卻階段溫度下降略快于測試結果，這是由于仿真中熱源模型做了一定的簡化，其在1 200℃只作用0.01 s導致的。

圖3 熱循環曲線Fig.3Thermal cycle curve

采用高速攝影設備對T型接頭焊接過程進行拍攝，獲得熱源熔池形貌如圖4a所示。同時測量焊后的接頭宏觀形貌，獲得焊縫接頭尺寸，如圖4b所示，其熔池長度25 mm，熔池深度8 mm，熔池寬度10 mm。通過對比焊縫截面宏觀形貌和仿真結果，可以直觀看到其截面形狀保持一致，校和了熱源模型參數。

圖4 熱源模型Fig.4Heat source model

3.2 焊后變形測量與仿真結果對比分析

采用三維白光掃描儀掃描T型接頭焊后模型，與仿真結果對比分析，采用最小二乘法自動擬合的方式獲得對比模型，如圖5a所示。可以直觀地發現，兩者的變形差值在1 mm以內，變形趨勢保持一致。

圖5 變形云圖Fig.5Contour of welding deformation

通過比較立板的焊后變形的計算結果和實驗結果來驗證模型的可靠性。根據圖5b、圖5c可知，用DIC測試的焊后變形，其最大值為1.96 mm，仿真

焊后變形最大值為2.3 mm。產生誤差是由于DIC拍攝和處理過程中測不到立板邊緣部分，因而損失一定量的數據，而模擬是完全按實際T型接頭尺寸來計算，實際立板最大變形值為1.96～2.3 mm，模擬與實際誤差約為10％。

3.3 殘余應力分布試驗分析

為了避免板材中由火焰切割及機加工所引入的殘余應力對焊接試驗和殘余應力的測量造成影響，先對材料進行去應力退火處理。

T型接頭焊接冷卻后用小孔法測其一側中心線處的殘余應力，橫向殘余應力見圖6a，縱向殘余應力見圖6b。圖中曲線為仿真計算得到的殘余應力。由圖可知，應力模擬結果基與實際應力分布測量結果基本吻合。

圖6 殘余應力分布Fig.6Residual stress distribution

4 結論

（1）在對T型接頭的試驗與有限元模擬驗證過程中發現，熱循環曲線模擬值與實測值基本吻合。

（2）模擬計算的焊后變形整體趨勢與三維白光掃描儀結果相一致，同時變形量較大的立板也與DIC測得的焊后變形量相吻合，模擬結果與實際誤差約為10％。

（3）焊后殘余應力的模擬結果與用小孔法測得的殘余應力值分布趨于一致，因此在接頭模擬中模型和熱源參數是合適的，為后續焊接變形控制研究奠定了基礎。

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Study on welding deformation based on DIC and GO SCAN

FANG Yuanbin1，ZONG Xuemei1，XIAO Yun2，ZHOU Pengxiang2，LIANG Jin3，YIN Xianqing3
（1.Jiangsu Xuzhou Engineering Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.XCMG Xuzhou Truck-Mounted Crane Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

By means of finite element analysis of welding process，it obtains the stress distribution and deformation of welding.In this paper，through GO SCAN and DIC two kinds of experimental methods，verify the trend of deformation and deformation after welding. At the same time，the residual stress distribution results measure by blind-hole method，the calculation results are in good agreement with the experimental results，which proves the correctness and validity of the finite element model.The results show that GO SCAN is of qualitative analysis for whole deformation trend after welding，and DIC is for quantitative analysis after local welding deformation. The stress distribution results based with the actual stress distribution measurement results are basically consistent.It has important guiding significance for on-site structural deformation prediction and residual stress distribution forecast trend analysis.

go scan；digital image correlation technique；welding deformation；residual stress distribution

TG404

A

1001-2303（2016）08-0017-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.04

2016-03-07

江蘇省自然科學基金資助項目（BK20140229）

房元斌（1985—），男，碩士，工程師，主要從事焊接數值模擬仿真及焊接工藝技術研究工作。