焊接焊缝变形的测量研究

２０１６年２月第４４卷第４期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＦｅｂ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０４􀆰０４２收稿日期：２０１４－１２－１６作者简介：陈参（１９７８—），男，讲师，研究方向为先进制造技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｎａｎ１８６０＠１６３􀆰ｃｏｍ。焊接焊缝变形的测量研究陈参１，万里瑞１，郭楠２（１􀆰河南广播电视大学，河南郑州４５００４６；２􀆰西安交通大学，陕西西安７１００４９）摘要：针对目前无法采用先进的测量手段获取精确的焊接焊缝变形规律，使得焊接矫正工艺往往不能达到预期效果，提出一种非接触在线全场测量焊接焊缝变形的方法。基于数字图像相关技术，结合传统氩弧焊焊接工艺，对焊缝关键点进行全程跟踪测量并获取变形规律。此方法对焊接变形机制研究提供依据，提供焊接矫正方法思路，对焊接工艺具有重要的指导意义。关键词：焊缝；数字图像；氩弧焊；变形测量中图分类号：Ｐ３９１􀆰４　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１６）４－１３７－２ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆＷｅｌｄｉｎｇＬｉｎｅＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣＨＥＮＣａｎ１，ＷＡＮＬｉｒｕｉ１，ＧＵＯＮａｎ２（１􀆰ＨｅｎａｎＲａｄｉｏ＆ＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＨｅｎａｎ４５００４６，Ｃｈｉｎａ；２􀆰Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎＳｈａａｎｘｉ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｌｄｉｎｇｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｅｎｃａｎｎｏｔａｃｈｉｅｖｅｄｅｓｉｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｂｅｃａｕｓｅａｄｖａｎｃｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｃａｎｎｏｔｂｅｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎａｃｃｕｒａｔｅｗｅｌｄｉｎｇｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｓｈｅｅｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅ．Ａｎｏｎｌｉｎｅｆｕｌｌ⁃ｆｉｅｌｄｎｏｎ⁃ｃｏｎｔａｃｔｍｅａｓｕｒｅ⁃ｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｗｅｌｄｉｎｇｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅ．ＣｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＴＩＧｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｗａｓｇｏｔｔｅｎｏｆｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｌａｗｔｈｏｕｇｈｔｒａｃｋｉｎｇｋｅｙｐｏｉｎｔｓｂａｓｅｄｏｎｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓｉｄｅａｓｆｏｒｒｅｖｅａｌｉｎｇｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｇｅｔｔｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅ；Ｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅ；Ａｒｇｏｎａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ；Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　　航空航天、汽车、轮船等制造行业正向着低碳环保、轻量化、经济型的方向发展，焊接工艺在此发展方向中的应用非常广泛［１－２］。焊接变形是焊接工艺中经常发生的缺陷，极大地影响了焊接结构件的设计制造精度。而目前国内外对关于焊接变形的研究主要是采用有限元数值模拟的方法［３－４］对焊接变形进行预测，采用开孔法等对产生变形的焊接残余应力进行测量［５－７］以及采用经验法对焊接变形矫正方法进行研究［８－９］，关于焊接实时测量变形的实验测量方法相关研究文献较少。其主要原因有：（１）板料焊接时常发生屈曲变形，此塑性变形不可避免且极其复杂，使得变形规律无法准确预测；（２）焊缝区在电弧经过时温度从室温瞬间升高至１２００℃以上，温度变化大、速度快，传统的接触式测量根本无法满足需求，焊接时弧光产生的高亮度使得基于非接触测量的焊缝区变形测量也比较困难。为了高效、高精度测量焊接过程中焊缝处及焊缝区变形，提出一种基于数字图像相关技术与双目视觉技术的变形计算方法全场测量焊接变形，实时跟踪焊缝处的变形状态，获取焊缝关键点的变形曲线，进而揭示变形规律。１　数字图像相关技术数字图像相关技术是计算机、机械、材料、光学等多学科相结合的一种非接触测量方法，它将物体表面的随机散斑作为变形信息载体，在内外载荷下散斑发生变形，从而获取全场位移和应变的实验力学方法。其核心是对变形前后的散斑图像进行相关性计算，以相关系数衡量相关程度，在相关系数范围内的变形点即为与参考点相匹配的点。数字图像相关法通过求取相关系数的极值来完成变形图像与参考图像的匹配，通过坐标相减得到相应的变形位移。数字图像相关法的原理如图１所示，取以待匹配点Ｐ（ｘ，ｙ）为中心的参考图像子区，通过整像素与亚像素搜索方法及映射函数，并按照已定义的相关系数进行相关性计算，找到与参考图像相对应的变形图像子区，可求得变形图像子区中与Ｐ（ｘ，ｙ）的对应点Ｐ′（ｘ′，ｙ′）。图１　数字图像相关法原理示意图最小距离平方和相关系数ＣＳＳＤ具有较强的抗干扰能力，文中拟采用此系数评价未变形子区和已变形子区的相似程度。ＣＳＳＤ＝∑Ｍｉ＝１［ｆ（ｘｉ，ｙｉ）－ｇ（ｘ′ｉ，ｙ′ｉ）］２其中：ｆ（ｘｉ，ｙｉ）、ｇ（ｘ′ｉ，ｙ′ｉ）分别为未变形子区和已变形子区中心点的灰度值。通常，物体产生的变形不仅有平移、转动等简单变形，还会有伸缩、扭曲等变形，因此，映射函数不仅有刚性位移量，还需要考虑导数项，采用一阶映射函数：ｘ′＝ｘ＋ｕ＋􀆟ｕ􀆟ｘΔｘ＋􀆟ｕ􀆟ｙΔｙ（１）ｙ′＝ｙ＋ｖ＋􀆟ｖ􀆟ｘΔｘ＋􀆟ｖ􀆟ｙΔｙ（２）式中：ｕ、ｖ分别为子图像中心点Ｐ变形后在Ｘ、Ｙ方向的位移，􀆟ｕ􀆟ｘ、􀆟ｕ􀆟ｙ、􀆟ｖ􀆟ｘ、􀆟ｖ􀆟ｙ为参考子区的位移梯度。２　实验结果实验采用传统氩弧焊对尺寸为３００ｍｍ×２００ｍｍ×２􀆰５ｍｍ的Ｑ２３５板料进行堆焊，焊接电流１３０Ａ，板料支撑架用于支撑板料厚度方向，其余各项均无约束，焊接机械手臂带动电极在板料中心位置长度方向进行焊接作业，在板料测量区域涂布耐高温胶，以防止散斑脱落褪色，测量系统与焊接手臂分别位于板料两侧，防止高强度亮光及烟雾对相机拍摄效果的影响。焊缝关键点位置如图２所示，焊接及冷却过程中关键点１、２、３、４、５的Ｘ、Ｙ、Ｚ３个方向的位移变化规律如图３所示。图２　焊缝处关键点示意图图３　焊缝关键点在各向的位移曲线所有关键点的各向变形位移在冷却后变化范围为：０～３􀆰５ｍｍ，其中Ｚ向变形位移远大于其他两个方向。在约ｔ＝９５ｓ时为各向的变形量拐点，Ｘ、Ｚ向板料两端的点在ｔ＝９５ｓ之后趋于稳定变形状态，其余各点变形位移均有所下降，冷却后板料两端的变形量明显大于中间的变形量。从Ｘ方向的关键点位移变化曲线可以看出：变形曲线中除点１有上升趋势以外，其余各点在达到变形峰值后均有下降趋势，点３与点４变化趋势一致，在ｔ＝４０～１００ｓ时都有一个位移变形不变区；中心点３的位移变形经过增大、不变、逐步减小到最小变形状态。冷却后关键点１～５变形量依次为：１􀆰１０、０􀆰２５、０􀆰１２、０􀆰１９、０􀆰６１ｍｍ。从Ｙ方向的关键点位移变化曲线可以看出：变形位移比较复杂，先产生负向位移，然后正向迅速增大；所有关键点在整个焊接和冷却的过程中位移变化趋势一致；冷却后最大位移变形量与最小位移变形量差值仅为０􀆰２１ｍｍ。冷却后关键点１～５变形量依次为：０􀆰１６、０􀆰００４、－０􀆰０５、０􀆰０６、０􀆰１４ｍｍ。从Ｚ方向的关键点位移变化曲线可以看出：点１和点５位移变化趋势相似，过峰值点后的冷却过程中，变形位移不再增大而保持不变；点２、点３、点４变化趋势相似，在焊接时先迅速上升，位移变形量经过缓慢的增大过程后，经过峰值点位移量迅速下降，直至ｔ＝３２０ｓ后变形稳定。冷却后关键点１～５变形量依次为：４􀆰４５、１􀆰４９、０􀆰４９、１􀆰３０、４􀆰５２ｍｍ。３　结论将数字图像相关技术与传统氩弧焊相结合，提出（下转第１６０页）·８３１·机床与液压第４４卷图２　涨缩油缸新液压控制回路３􀆰２　涨缩油缸新液压控制原理回路进油压力由减压阀控制在１０ＭＰａ以内，三位四通电磁换向阀和液控单向阀控制油缸在任意位置工作，压力继电器控制油缸的工作压力为８ＭＰａ，并控制三位四通电磁换向阀得失电。４　涨缩油缸液压控制回路改进分析探讨４􀆰１　涨缩油缸压力达到设计压力要求从液压控制回路图得知，回路压力由新增减压阀控制在１０ＭＰａ以内，压力继电器控制油缸的工作压力为８ＭＰａ，使油缸工作时受力较小，不易损坏。４􀆰２　涨缩油缸动作行程得到控制从液压控制回路图得知，将原回路中的两位四通电磁换向阀改进为三位四通电磁换向阀，可以使油缸在任意位置工作；新增的液控单向阀和压力继电器保证油缸工作位置和压力不变。４􀆰３　卷筒涨缩范围得到控制油缸和卷筒是刚性连接，装配时油缸活塞杆处于缩径位置，卷筒处于最小缩径位置（ϕ７２２ｍｍ），在油缸涨径控制程序上设计时间控制程序，使三位四通电磁换向阀电磁阀ａ得电时间控制在１􀆰５～２􀆰５ｓ之间（需要现场调试），然后电磁阀ａ失电，用时间控制油缸的进油量，通过液控单向阀的自锁，使油缸的工作行程为８４ｍｍ，满足卷筒涨缩范围为ϕ７２２～ϕ７６２ｍｍ的要求。５　结束语分析卷筒涨缩油缸在生产过程中由于设计原因造成油缸、卷筒拉杆损坏，卷筒涨缩范围得不到控制等缺陷产生过程，产生因素，以及造成多种形式的故障缺陷，针对设备存在的设计缺陷和缺陷产生的原因，提出符合设备需求的整改措施，保证设备运行精度，满足带钢表面质量要求，提高该厂产品竞争力。参考文献：［１］朱新才．液压传动于与控制［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，１９９６．［２］张超武．机械工程师手册流体机械［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７．（上接第１３８页）一种实时测量焊缝关键点位移变形的方法。实验结果表明，此方法可以在线实时全程测量焊缝关键点的位移变形规律。在焊接过程和冷却过程中，板料中间变形量大于两端变形量，呈现凸起状，随着冷却时间的增长，板料中间处逐渐向初始状态恢复，Ｘ向的两端慢慢上翘，接着Ｙ向的两端也随之上翘，冷却后最终形成马鞍状；Ｚ向位移变形量在整个焊接过程中起主导作用，而Ｘ、Ｙ向变形位移量较小。此方法对揭示了焊缝处焊接及冷却过程的变形规律，对焊接变形的建模模拟理论方法的提出起到验证作用，对研究焊接变形机制有重要的指导意义。应用数字图像相关法解决了目前无法实时非接触测量超大变形应变量的问题，特别是高温环境下的材料变形测量，对高温材料的力学性能研究有重要的意义。参考文献：［１］刘琎聪．船舶制造中间产品焊接精益作业体系研究及应用［Ｄ］．重庆：重庆大学，２０１３．［２］ＨＡＳＥＮＳＴＡＢＪ，墨德尚．钢结构焊接技术的新变化［Ｊ］．现代焊接，２０１４（４）：２６－２８．［３］ＤＥＮＧＤ，ＬＩＡＮＧＷ，ＭＵＲＡＫＡＷＡＨ．ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＷｅｌｄｉｎｇＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＦｉｌｌｅｔ⁃ｗｅｌｄｅｄＪｏｉｎｔｂｙＭｅａｎｓｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ，２００７，１８３：２１９－２２５．［４］ＡＫＢＡＲＩＭＯＵＳＡＶＩＳＡＡ，ＭＩＲＥＳＭＡＥＩＬＩＲ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｎａｌｙｓｅｓｏｆＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎＴＩＧＷｅｌｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒ３０４ＬＳｔａｉｎｌｅｓｓＳｔｅｅｌ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ，２００８，２０８：３８３－３９４．［５］ＤＥＮＧＤ．ＦＥＭＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＷｅｌｄｉｎｇＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓａｎｄＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎｉｎＣａｒｂｏｎＳｔｅｅｌＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＰｈａｓｅＴｒ