房元斌，蹤雪梅，肖 云，周鵬翔，梁 晉，殷咸青

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

借助有限元分析手段對(duì)板材的焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，得到焊接變形和應(yīng)力分布情況。基于白光三維掃描儀和DIC兩種測(cè)量手段，分別驗(yàn)證焊后變形趨勢(shì)和變形量，同時(shí)采用盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力分布結(jié)果，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明有限元模型的正確性和有效性。結(jié)果表明，白光三維掃描法對(duì)焊后整體變形趨勢(shì)進(jìn)行了定性分析，DIC對(duì)焊后局部變形進(jìn)行了定量分析，應(yīng)力模擬結(jié)果基與實(shí)際應(yīng)力分布測(cè)量結(jié)果基本吻合，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)件變形預(yù)測(cè)和殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)分析有重要指導(dǎo)意義。

三維白光掃描儀；數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；焊接變形；殘余應(yīng)力

0 前言

在工程機(jī)械領(lǐng)域，生產(chǎn)模式由原來(lái)的粗放模式向精益生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量直接影響后續(xù)機(jī)加工、裝配精度，同時(shí)焊接殘余應(yīng)力的分布對(duì)結(jié)構(gòu)件工作性能和疲勞壽命產(chǎn)生重要影響[1-2]。為了最大化精益生產(chǎn)，設(shè)計(jì)要求焊后關(guān)鍵位置的加工余量控制在5 mm，甚至1 mm以內(nèi)，這就對(duì)焊接測(cè)量系統(tǒng)[3]提出了更高的要求。與此同時(shí)，焊接數(shù)值模擬仿真技術(shù)因其降低實(shí)驗(yàn)量和節(jié)約成本等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際生產(chǎn)中不斷得到推廣應(yīng)用。在以往的技術(shù)研究中，更多是突出某種技術(shù)的深入研究[4-6]，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于多種測(cè)量方法和仿真手段結(jié)合的綜合技術(shù)研究甚少。

目前工程機(jī)械領(lǐng)域針對(duì)其結(jié)構(gòu)件板厚和尺寸特點(diǎn)，焊接變形的測(cè)量方法[7-10]主要如下幾種：塞尺、鋼尺、三坐標(biāo)、激光測(cè)距儀、三維激光掃描儀等，

其中塞尺和鋼尺測(cè)量精度不高、誤差大；三坐標(biāo)和激光測(cè)距儀精度能達(dá)到要求，但是測(cè)量不方便，不具有通用性，且存在只能對(duì)局部關(guān)注位置進(jìn)行測(cè)量等不足；三維激光掃描儀可以精確測(cè)量，但是操作復(fù)雜，且對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高。

三維白光掃描儀相對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量精度低，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，掃描大型結(jié)構(gòu)件效率高，可用于焊后變形的非接觸全場(chǎng)測(cè)量。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)[11]（digital image correlation technique，DIC）是一種對(duì)變形場(chǎng)進(jìn)行非接觸測(cè)量分析的光學(xué)系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)精度高，可對(duì)關(guān)鍵位置的焊后變形進(jìn)行測(cè)量。

本研究通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中典型的接頭形式，利用焊接數(shù)值模擬手段，在一定假設(shè)條件下建立了焊接過(guò)程的有限元模型，借助三維白光掃描儀對(duì)接頭的整體變形趨勢(shì)進(jìn)行定性分析，再利用精度更高的DIC設(shè)備對(duì)局部關(guān)注位置的焊后變形進(jìn)行定量研究，采用盲孔法設(shè)備測(cè)量殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)，將該模型溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的可靠性。

1 建立有限元模型

1.1 焊接工藝參數(shù)及網(wǎng)格模型

試驗(yàn)用T型接頭材料為Q345，焊接方式為MAG焊，采用ER50-6實(shí)心焊絲，焊接工藝參數(shù)為：焊接電流290 A，焊接電壓30 V，保護(hù)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(yīng)力場(chǎng)求解精度，在模型網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用過(guò)渡網(wǎng)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(shù)的建立

材料熱物性參數(shù)精度會(huì)影響焊接模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。借鑒已成熟參數(shù)，獲得Q345材料熱物性參數(shù)。隨溫度變化的部分物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)如圖2所示。

圖2 Q345熱-力參量與溫度的關(guān)系Fig.2Relationshipbetweenthermo-mechanicalparameters and temperature of Q345

1.3 熱源模型

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

前、后橢球的熱分布函數(shù)分別為

式中f1、f2為熱流密度分布系數(shù)；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(shù)，a1、a2分別表示前、后半部橢球的長(zhǎng)度，c影響熔寬，b影響熔深。

1.4 力學(xué)邊界條件

采用力學(xué)邊界條件：寬度方向在對(duì)稱面下表面選擇兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于限制y向位移，而不影響縱向收縮變形；通過(guò)焊縫背面沿焊縫長(zhǎng)度方向節(jié)點(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)分析

2.1 三維掃描儀原理

三維白光掃描儀由光柵投影設(shè)備LED投影儀及兩個(gè)工業(yè)級(jí)的CCD照相設(shè)備構(gòu)成，在工程應(yīng)用中可以在有效的誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。

基本工作原理是：采用可見(jiàn)光將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工作表面，借助兩個(gè)高分辨率攝像頭對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，并加以粗細(xì)變化和位移，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理可在極短時(shí)間內(nèi)，根據(jù)工件的形狀特征或反射標(biāo)點(diǎn)在空間中快速獲取數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云，以其流動(dòng)式設(shè)計(jì)和不同視角點(diǎn)云的自動(dòng)拼合技術(shù)，可獲得待測(cè)物的實(shí)際3D外型，使得掃描大型工件變得高效。

2.2 數(shù)字圖像相關(guān)法

數(shù)字圖像相關(guān)法[12]是兩幅圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(diǎn)（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(guò)一定的搜索方法，并按照某一相關(guān)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，尋找與選定的子圖像相關(guān)系數(shù)最大的以（x′，y′）為中心的子圖像，則點(diǎn)（x′，y′）即為點(diǎn)（x，y）在待匹配圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

若圖像子區(qū)包含N個(gè)像素點(diǎn)，像素灰度受到獨(dú)立同分布的噪聲干擾[13]，則參考圖像與待匹配圖像子區(qū)間的相似程度可通過(guò)如下計(jì)算公式[10]衡量

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

3 焊接結(jié)果分析和驗(yàn)證

熱輸入是引起焊后變形的直接因素，采用熱電偶實(shí)測(cè)溫度曲線，同時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)獲取實(shí)際熱源的參數(shù)，與仿真結(jié)果對(duì)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(shù)校和

采用XJTUDIC動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量T型接頭焊接變形之前，先對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)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(shí)別的散斑點(diǎn)，并在焊縫附近涂上抗高溫的無(wú)機(jī)膠，防止散斑點(diǎn)被燒損。

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

圖3 熱循環(huán)曲線Fig.3Thermal cycle curve

采用高速攝影設(shè)備對(duì)T型接頭焊接過(guò)程進(jìn)行拍攝，獲得熱源熔池形貌如圖4a所示。同時(shí)測(cè)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(zhǎng)度25 mm，熔池深度8 mm，熔池寬度10 mm。通過(guò)對(duì)比焊縫截面宏觀形貌和仿真結(jié)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(shù)。

圖4 熱源模型Fig.4Heat source model

3.2 焊后變形測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)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(jié)果對(duì)比分析，采用最小二乘法自動(dòng)擬合的方式獲得對(duì)比模型，如圖5a所示?？梢灾庇^地發(fā)現(xiàn)，兩者的變形差值在1 mm以內(nèi)，變形趨勢(shì)保持一致。

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

通過(guò)比較立板的焊后變形的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型的可靠性。根據(jù)圖5b、圖5c可知，用DIC測(cè)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(chǎn)生誤差是由于DIC拍攝和處理過(guò)程中測(cè)不到立板邊緣部分，因而損失一定量的數(shù)據(jù)，而模擬是完全按實(shí)際T型接頭尺寸來(lái)計(jì)算，實(shí)際立板最大變形值為1.96～2.3 mm，模擬與實(shí)際誤差約為10％。

3.3 殘余應(yīng)力分布試驗(yàn)分析

為了避免板材中由火焰切割及機(jī)加工所引入的殘余應(yīng)力對(duì)焊接試驗(yàn)和殘余應(yīng)力的測(cè)量造成影響，先對(duì)材料進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。

T型接頭焊接冷卻后用小孔法測(cè)其一側(cè)中心線處的殘余應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力見(jiàn)圖6a，縱向殘余應(yīng)力見(jiàn)圖6b。圖中曲線為仿真計(jì)算得到的殘余應(yīng)力。由圖可知，應(yīng)力模擬結(jié)果基與實(shí)際應(yīng)力分布測(cè)量結(jié)果基本吻合。

圖6 殘余應(yīng)力分布Fig.6Residual stress distribution

4 結(jié)論

（1）在對(duì)T型接頭的試驗(yàn)與有限元模擬驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)曲線模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

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

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

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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(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20140229）

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