采用光學測量技術研究鋁合金焊接變形

李耿，殷咸青，牛靖，梁晉，張建勛

（西安交通大學 a.金屬材料強度國家重點實驗室；b.機械工程學院，西安 710049）

隨著國內軌道交通和汽車工業的迅速發展，環境問題、能源問題及安全性等問題日益凸顯，鋁合金因其比強度高、美觀及成形性好的特點逐步取代鋼鐵等結構材料，廣泛應用于軌道交通領域[1]。鋁合金線膨脹系數大，同時凝固收縮率也高，由此焊接形成的應力會引起接頭的較大變形，經常不能滿足產品的設計要求，因此準確預測和控制鋁合金薄板構件的焊接殘余應力和變形是焊接工程的重要課題之一[2—4]。國內外學者對鋁合金板材焊接變形規律進行了大量研究[5—9]。Jin[10]利用DIC 系統測量了復合材料板在熱載荷作用下的熱變形和應變，根據試驗得到的全場變形形狀和溫度-位移曲線，確定了屈曲溫度和第一屈曲模態形狀。Gorkic 等[11]學者通過激光探頭對焊接件表面圖像進行采集，將采集到的圖像輸入個人計算機中，得到相機成像的焊件表面部分的三維形狀。Strycker 等[12]學者通過三維測試方法及位移傳感器來測量管材焊接過程中的變形。Ma[13]對不同加強筋作用下的焊接變形進行測量，并研究闡釋不同焊接形式下的焊接變形，通過火焰加熱的處理來減小焊接屈曲變形。Ocelik等[14]學者利用三維測量數字方法來測量激光焊接中焊縫區域的應變和位移。

上述研究主要通過光學和數字圖像相關法對焊接變形進行測量，并對不同條件下焊接規律進行分析。文中通過基于數字圖像相關法的XTDIC 三維全場應變測量系統，以及實驗角度對鋁合金薄板在不同熱輸入條件下的焊接全場變形，進行了精準測量，重點分析了焊接全過程中關鍵點、典型截線位移應變，來揭示試板焊接變形機理。

1 XTDIC 系統測量原理

在計算機視覺領域中，數字圖像相關法是一種被廣泛采用的圖像測量方法。數字圖像相關法原理是通過識別隨機的散斑來精確匹配兩張散斑圖像，再通過相關性計算，以得到匹配點運動后的坐標[15]。在實際識別過程中，數字圖像相關法利用變形前后參考圖像和目標圖像的灰度進行識別匹配。測量過程中，如果物體未發生塑性變形運動，則標記點坐標滿足式（1—2）映射關系。

焊接過程中，焊接件由于發生塑性變形，所以在計算物體標記點的坐標時，除了考慮剛體位移，還要考慮彎曲、扭曲等復雜變形，因此需要引用塑性位移，一階映射函數見式（3—4）。

式中：u為變形后標記圖像在x方向的位移分量；v為變形后標記圖像在y方向的位移分量；為變形前區域的位移梯度。

2 平板TIG 熔焊實驗

采用TIG 表面熔焊的方法，電極材料為釷鎢極，其直徑為3.2 mm，保護氣體為純度99.9%的氬氣，氬氣流量為10 L/min，采用WSME-315 交流脈沖焊機。為了研究不同熱輸入對焊接變形規律的影響，選取4 組不同電流電壓進行對比實驗，來研究鋁合金焊接面內、面外變形規律，焊接工藝參數如表1所示，實驗材料為6061 鋁合金，試板尺寸為300 mm×200 mm×3 mm。

實驗過程中，為了防止弧光對拍攝產生影響，焊槍在試板上表面施加熱源，DIC 拍攝設備在試板下表面進行拍攝，實驗現場如圖1 所示，為了精確測量試板位移，實驗前首先對試板兩側噴涂可識別的高溫漆散斑，在焊縫及周圍高溫區域涂抹高溫膠，DIC 三維全場應變測量系統可精確測量0.02%～500%的應變，測量幅面為幾毫米到幾米。為了研究鋁合金在不同焊接熱輸入下的焊接面外變形規律，選取兩條典型直線為研究對象，如圖2 所示，截線1 處于焊縫中性軸處，截線2 為焊縫中垂線。

表1 焊接實驗工藝參數Tab.1 Welding test process parameters

圖1 焊接實驗現場Fig.1 Welding experiment site

3 實驗結果分析

3.1 全場變形

實驗過程中，0～36 s 為焊接時間，36～600 s 為焊接冷卻時間，研究不同時刻下試板焊接的變形規律，選取焊接中間時刻（36 s）、焊接結束時刻（72 s）和試板完全冷卻后（600 s）3 種狀態下不同焊接熱輸入試板全場面外變形云圖為研究對象，如圖3—6所示。

圖2 典型截線位置示圖Fig.2 Typical transversal location diagram

圖3 熱輸入為133.1 J/mm 的z 向變形云圖Fig.3 z-direction deformation cloud diagram with heat input of 133.1 J/mm

可以看出不同焊接熱輸入條件下，試板焊接變形規律大致相同，焊接中間時刻呈現中間下凹、周圍上凸的碗狀變形，這是由于電弧作用區域內的金屬受熱膨脹，受到周圍冷態金屬的壓縮應力，同時受到方向向下的重力和電弧力作用，向下發生凹形變形，呈現碗狀變形；焊接進行到36 s 時，熱輸入由133.1 J/mm 增加到187.5 J/mm，試板最大面外變形量由6.398 mm 增加到9.22 mm，增加44.2%；試板完全冷卻后，試板正向變形位移最大值均處于焊接熄弧位置，隨著焊接熱輸入的增加，試板正向位移值不斷增加，由6.723 mm 增加到7.512 mm，增加11.7%；試板最大面外變形即最大正向位移和最大負向位移之差，隨著焊接熱輸入的增加而線性增加，將兩者關系擬合出一條直線，其關系式如式（5）所示：

式中：δmax為最大面外變形（mm）；Qnet為試板焊接熱輸入（J/mm）；線性相關系數為0.899 08。

圖4 熱輸入為150.0 J/mm 的z 向變形云圖Fig.4 z-direction deformation cloud diagram with heat input of 150.0 J/mm

3.2 典型截線面外變形

圖5 熱輸入為187.5 J/mm 的z 向變形云圖Fig.5 z-direction deformation cloud diagram with heat input of 187.5 J/mm

圖7 為兩條典型截線處不同焊接熱輸入條件下的z向位移圖，可以看出，不同焊接熱輸入條件下，截線1 和截線2 保持相同的變化趨勢，截線1 呈下凹形，且起弧位置z向位移均比熄弧位置處z向位移小，截線2 呈現倒置V 形且基本關于焊縫對稱；由圖7a 可知，z向位移變形值隨著焊接熱輸入的增加而增加，且熱輸入值越大，對應曲線上最大值與最小值之間的差值越大，這是由于焊接熱輸入增加時，焊縫區域冷卻收縮量增加，產生的縱向拉應力會更大，導致截線1 呈現更大變形程度的拱形。截線2上焊接起弧位置z向位移值均小于熄弧位置z向位移值，且曲線不關于試板中心橫坐標對稱。這是由于焊接開始時刻，試板處于常溫狀態，隨著焊接過程的進行，試板溫度逐漸增加，導致后焊接部分溫度比初始焊接部分溫度高，會引起更大程度的變形；圖7b 中截線2 上面外變形基本關于焊縫對稱，不同熱輸入條件下都呈向下的角變形，且熱輸入越大，角變形越大，這是因為熱輸入增加導致焊縫區溫度梯度變化增加，試板上表面與下表面產生溫差增加。

焊接熱輸入為130 J/mm 時，角變形為0.031 88 rad，當焊接熱輸入增加到206 J/mm 時，焊接角變形增加到0.057 44 rad，增加80%，可見熱輸入的增加可明顯增加角變形量，經擬合得到試板角變形和熱輸入之間的線性關系見式（6）。

圖6 熱輸入為206.2 J/mm 的z 向變形云圖Fig.6 z-direction deformation cloud diagram with heat input of 206.2 J/mm

圖7 不同焊接熱輸入下的截線1、2 的z 向位移對比Fig.7 z-direction displacement of the transversals 1 and 2 under different welding heat inputs

式中：w為試板角變形（rad）；Qnet為試板熱輸入（J/mm），線性相關系數為0.892 38。

3.3 典型截線面內變形

圖8 為3 種不同焊接熱輸入條件下，焊接冷卻后截線2 處的橫向塑性應變和縱向塑性應變分布。可以看出完全冷卻后截線2 上的縱向塑性應變和橫向塑性應變的分布趨勢基本一致，橫向塑性應變基本關于焊縫對稱分布，在焊縫及附近區域應變劇烈波動且應變值呈現V 形分布，在焊縫處橫向塑性應變達到最小值。在遠離焊縫區域，橫向塑性應變在ξ=0 上下波動，且熱輸入越大波動幅度越小。縱向塑性應變與橫向塑性應變相比，波動幅度不明顯，基本上在ξ=0 以下處波動。

試板縱向收縮量會導致在焊縫及附近區域產生縱向收縮力，而縱向收縮力作用在焊接區域時會使試板產生縱向的拱形變形，故通過提取焊縫處縱向收縮量來計算試板縱向收縮力，進而可以更好解釋試板彎曲現象。提取焊接后縱向收縮量，經計算擬合，得到縱向收縮ΔL（mm）與焊接熱輸入Qnet（J/mm）的關系為見式（7）。

圖8 不同焊接熱輸入下截線2 的應變分布Fig.8 Strain distribution of transversal 2 under different welding heat inputs

同理提取截線2 處橫向收縮量，經擬合，得到橫向收縮ΔB與焊接熱輸入Qnet的關系為：

式中：ΔB為橫向收縮量（mm）；Qnet為焊接熱輸入（J/mm）。

由式（7）可知，縱向收縮隨著熱輸入的增加而線性增加，而縱向收縮的增加導致縱向收縮力增加，作用在試板平面上的彎曲力矩增加，使試板在縱向上呈現拱形程度越大。由式（8）可知隨著焊接熱輸入的增加，橫向收縮量線性增加，可知焊接熱輸入越大，金屬熱膨脹程度越明顯，壓縮塑性變形越大，橫向收縮量越大。

4 結論

1）鋁合金在焊接過程中呈現碗狀變形，焊接結束后呈馬鞍形。在其他條件相同的情況下，焊接熱輸入越大，鋁合金最大面外變形越大，最大面外變形和焊接熱輸入關系為

2）隨著焊接熱輸入的增大，焊縫截線縱向彎曲程度越增加，但變化不明顯；橫向角變形顯著增大，且橫向角變形與熱輸入之間的關系為w=0.000 336Qnet-0.014 85。

3）橫向面內收縮ΔB和縱向面內收縮ΔL均隨著焊接熱輸入的增加而線性增加，關系式為：ΔB=