金屬在焊接過程中由于熱脹冷縮都會受到周圍母材的拘束而不能自由伸縮，導(dǎo)致工件在焊中、后存在殘余變形，對其尺寸精度、裝配精度和使用性能造成顯著影響，在焊中和焊后對金屬變形進(jìn)行測量，對于了解材料的變形機理、改善焊接工藝、減少焊后應(yīng)力和變形，以及提高焊件的承載能力具有重要的理論意義和工程價值。
新拓XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)作為一種專業(yè)測量應(yīng)變、變形的光學(xué)測量技術(shù)，針對金屬焊接變形測量難題，給出了很好的解決方案。它通過跟蹤粘貼在物體表面標(biāo)志點的三維坐標(biāo)，計算相應(yīng)部分在焊接不同時刻的位移，獲得金屬在焊接工藝中的整體變形過程和瞬時變形場域信息，可滿足焊接過程對三維變形測量精度和效率的要求。
實驗準(zhǔn)備
本次實驗，根據(jù)焊接測量精度需求，采用900萬像素型號的XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，其測量幅面大小為1200mm*800mm，可對焊接變形部位進(jìn)行全場多點、多方向測量，反映人工焊接和機器人焊接兩個工況焊接面內(nèi)的變形和位移變化。
本次實驗主要是一塊固定的大尺寸的鋼板，從中截取一個區(qū)域做為實驗區(qū)域（寬度約為120mm，高度約為1300mm）。首先針對選取的區(qū)域進(jìn)行制斑，斑制作好后，把XTDIC設(shè)備架立在鋼板前面一側(cè)，打開XTDIC系統(tǒng)的鏡頭和光源，準(zhǔn)備工作就做好了。
機器人焊接&人工焊接
目前工業(yè)焊接場景可分為人工焊接和機器人焊接兩個實驗工況，針對不同工況，如何選取合適的工藝流程，是焊接車間面臨的難題，本次實驗我們將分別對兩種焊接方式的過程進(jìn)行全場應(yīng)變測量，展示同樣的工況下，不同焊接方式時其應(yīng)變變化情況，為選擇合適的焊接方式，保障鋼板焊接質(zhì)量提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
人工焊接時應(yīng)變數(shù)據(jù)分析
人工焊接部分時間約為12分鐘，XTDIC系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為焊接過程12分鐘數(shù)據(jù)以及焊接完成后4分鐘的數(shù)據(jù)，鋼板焊接的順序方向為自下而上。
從焊接過程中不同時間，XTDIC軟件分析解算出的位移云圖和應(yīng)變云圖中可以看出，在自下而上的焊接過程中，鋼板變形和位移變化也是同步自下而上的。位移變化為鋼板整體的移動，而變形則集中在焊縫兩側(cè)。
鋼板焊接過程-位移變化
鋼板焊接過程-變形云圖
接下來，采用XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)軟件，對鋼板焊縫兩側(cè)進(jìn)行取點分析，關(guān)鍵位置取點圖如下所示共8個，重點分析標(biāo)號4-7。
從位移和應(yīng)變圖中分析，在焊接過程中每個點都發(fā)生了不同程度的位移和變形，焊接停止后，隨著溫度的下降和應(yīng)力的釋放，變形會有回落的趨勢。
鋼板焊縫取點分析圖
點4的位移變化曲線
點5的位移變化曲線
點6的位移變化曲線
點7的位移變化曲線
點4的應(yīng)變變化曲線
點5的應(yīng)變變化曲線
點6的應(yīng)變變化曲線
點7的應(yīng)變變化曲線
機器人焊接時應(yīng)變數(shù)據(jù)分析
機器人焊接試件時間為20分鐘，從下半部分開始焊接，中間調(diào)整參數(shù)后繼續(xù)焊接上半部分，焊接停止3分鐘后，XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集，對焊接面進(jìn)行DIC數(shù)據(jù)分析，從焊接過程中云圖和應(yīng)變的變化來觀察整體的焊接變形趨勢變化。
焊接過程板材整體變形和人工焊接基本一致，隨著自下而上的焊接，鋼板發(fā)生不同程度的位移變化，靠近焊縫處則發(fā)生了焊接變形。
鋼板焊接過程-位移變化
鋼板焊接過程-變形云圖
接下來同樣對鋼板模型取8個點位，具體分析在焊接過程中不同位置的位移和應(yīng)變變化：重點分析3-7點位。從分析數(shù)據(jù)來看，焊接第一階段對下半部位的四個點影響較大，焊接的第二階段對上半部四個點影響較大。
點4的位移變化
點5的位移變化
點6的位移變化
點7的位移變化
相比于位移的變化，應(yīng)變變化較無規(guī)律，只是在焊接過程中發(fā)生著不同程度的應(yīng)變變化。通過XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對焊縫進(jìn)行細(xì)致的分析，對焊縫兩側(cè)進(jìn)行局部位移應(yīng)變分析，更好地掌握鋼板在焊接過程中較為準(zhǔn)確的變形情況。
點4的應(yīng)變變化
點5的應(yīng)變變化
點6的應(yīng)變變化
點7的應(yīng)變變化
結(jié)論：
焊接過程中環(huán)境、條件的變化是不可避免的，焊接加工方式、焊接熱變形等因素均會引起焊接質(zhì)量的波動，并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。采用XTDIC三維應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，可對人工焊接、機器人焊接的變形情況進(jìn)行實時測量，測得在不同焊接方式、不同焊接部位的焊接變形量及參數(shù)變化，有助于提升焊接過程決策、預(yù)判能力，選擇合適的焊接方式，保障鋼板焊接質(zhì)量。