基于数字图像相关法的焊接高温应变在线测量及熔池图像分析

发布时间：2020-06-10 03:38

【摘要】：焊接质量控制是焊接过程中重要的研究课题,优良的焊接质量是保证焊接结构使用性能的重要因素。在焊接过程中,由于焊接接头受到不均匀的温度场,造成焊接结构件上应力应变的分布不均匀,焊接残余应力导致接头进一步失效,带来结构、设备安全隐患。对关键焊接结构接头部位的应力应变测量及表征,从而对焊接接头进行有效的控形、控性。同时,焊接过程成形、接头热影响区关键数据的获取也是焊接结构完整性的重要评估依据。因此,对焊接过程中液态熔池图像、接头热影响区高温应变和精确表征和分析对焊接质量控制具有指导意义。首先,本文搭建了机器人弧焊试验系统,研制了一套适用于不锈钢机器人TIG焊的液态视觉传感单元、焊接全场高温应变在线测量及表征传感单元,开展了304不锈钢TIG焊多层多道焊接工艺试验,并分别对熔透、未熔透状态的焊接液态熔池、接头热影响区全场高温应变在线测量及表征研究。其次,围绕焊接热影响区全场高温应变在线测量与表征,优化设计了热影响区焊接高温散斑的制备算法,生成了具备几何形状多样性、随机性的高温散斑。同时,基于数字图像相关法原理,开发了焊接全场高温应变在线测量及处理的算法,通过采用高效的IC-GN迭代算法、简化的双三次插值法、优化采样大小和频率、去除程序冗余步骤等技术手段,提高了应变计算速度,实现了焊接全场高温应变在线测量。结合304不锈钢机器人多层多道焊工艺试验,进行了打底、填充和盖面焊的液态熔池图像采集,鉴于熔池图像处理的完整性和高效性,开发了ASM算法,对液态熔池图像进行处理,获得了熔池几何形状参数,比较了不同熔透状态打底焊熔池特征,并给出了定量和定性的评价方法。研究了不同熔透状态下的熔池图像、焊接热影响区应变对应关系,焊透的打底焊焊缝熔池表面形状不平整,提取的熔池前端轮廓有明显的凹陷状态,近焊缝区域应变值低于未焊透的打底焊近焊缝点。而未焊透的打底焊焊缝熔池表面平整,熔池前端轮廓光滑平缓,近焊缝区域应变值较高。最后,针对304不锈钢机器人TIG多层多道焊,融合焊接动态过程熔池形貌特征、接头热影响区高温应变,构建了焊接接头监控方法和评价机制,为后续焊接成形及性能控制进行了有益探索。
【图文】：

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3 图1-1 小孔法应力释放示意图[2]Fig.1-1 Schematic diagram of the measuring strain hole-drilling method压痕应变法是一种新型测量残余应力的方法之一，它利用了有限元思想和实验标定法，试图探究压痕四周的残余应力大小变化规律。该方法将球形压痕制造于残余应力场中，获得附加应力场，采用应变敏感元件测量得到压痕周边的位移改变值，进而得到残余应力。该方法在国内虽已有商品化设备可使用，然而相关的应变场叠加原理有待商榷，还需进一步证明压痕周围的位移、应力、应变改变规律。另外，压痕法存在着应力应变计算关系需实验标定，，母材的屈服强度之差造成的较大测量误差等缺陷[3]。应变片／应变计测量法是目前使用领域最多，操作简便的一种测量方法，主要方式有电阻式应变计。在焊接加热过程中

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在材料大变形非接触测量中具有突出的优势，但对于形变量较小的变形缺乏精确度。图1-2 简单的数字图像相关法系统示意图[8]Fig.1-2 Simple digital image correlation system光测量法中的数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC）是一种新兴的变形测量方法，该方法利用相机和辅助光源进行采像，通过对变形前图像和变形后图像进行匹配计算得到应变，图1-2为简单的数字图像相关法系统示意图[8]。由于数字图像相关法相对于其他方法的优势，近年来得到了广泛研究和应用。首先，DIC测量方法对环境条件、设备条件的要求相对宽松，实验系统的搭建较容易，便于实际应用；其次，DIC是一种非接触测量
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG441.7;TP391.41

【参考文献】