三维光学测量技术用于薄板焊接失稳测量

随着节能减排要求的提高以及零件轻量化趋势的加速，推动着包括高强度钢、铝合金、工程塑料以及复合材料等在内的薄壁轻量化材料在不同领域的应用。

薄壁件结构在焊接过程中，焊接变形是影响焊接产品加工精度、外部形状和结构性能的重要因素，是工业生产中迫切需要解决的问题。

焊接失稳变形成因复杂，通过数值模拟存在明显的缺点和不足，单纯从理论上预测分析无法准确反映出实际焊接变形情况。

采用三维光学测量技术，结合数值模拟分析可有效解决这一难题，对探究薄板焊接失稳变形是一个更为精确定量的方案。

薄板焊接过程全场变形测量

由于焊接变形机理的复杂性，高温焊接时材料性能参数难以测定等因素，有限元分析预测焊接件的焊接变形和应变，数值模拟结果一般与实际工况相差较大。

在实验测量方法选择中，采用接触式传感器如应变计、位移传感器等传统的测量方法，无法测量焊接件全场变形。

高温焊接温度变化快，变形速度较快，变形量较大，接触式测量方法难以充分接近焊缝区域，同时测点易阻挡焊枪轨迹，这种方法使用受限。

数字图像相关法技术（DIC），是实验力学领域一种非常重要的光学测量方法。新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，采用非接触式测量方式，可用于金属薄板焊接时产生的高温变形测量，与传统方法相比，XTDIC系统可以更全面、更直观、更高效地测量高温焊接金属薄板表面三维应变场。

考虑到高温高强光的环境，XTDIC三维全场应变测量系统镜头搭配滤光片，制斑选择耐高温自喷漆，并且工业相机在下方拍摄，上方焊接的方式进行。XTDIC系统软件算法通过图像匹配前加入滤波处理等方法，使计算区域更接近焊点位置，扩大测量区域显示的范围。

在高温焊接过程中，采用XTDIC 测量系统采集薄板背面图像，同时采用传统的位移计采集薄板上方数据，并将测量数据进行对比，验证数字图像相关法的合理性；将XTDIC系统和位移计方法在测量点处获得的薄板表面变形数值用曲线绘制，可看出两种方法的测量结果基本一致。

全场动态变形测量    

利用XTDIC系统对钢板焊接进行测量计算，可获取焊接过程中3个方向的位移场；从图中可看出，焊缝区变形量最大，冷却后 Z 向位移出现明显的马鞍形状；薄板产生较明显的横向收缩变形和弯曲变形。

焊接过程中X、Y、Z三个方向的位移：

焊接刚完成X、Y、Z三个方向的位移：

完全冷却后X、Y、Z三个方向的位移：

采用非接触式XTDIC三维全场应变测量系统，能够可靠地计算薄板件在整个焊接过程中表面的变形场，为研究焊接变形规律提供优选的解决方案。

薄板焊接尺寸偏差检测

薄板焊接容易引起弯曲变形、角变形、失稳变形等变形，而薄板在焊接过程中，失稳变形是一种很常见的变形，发生失稳变形将严重影响焊件的结构完整性、装配精确性及外观形貌。

采用新拓三维XTOM蓝光三维扫描仪，通过全尺寸扫描采集，对薄板的失稳变形进行精确测量，得到焊接变形的精确数值，并结合基于固有应变法的数值模拟分析，对低碳钢薄板焊接变形的机理进行研究。

基于XTOM蓝光三维扫描仪采集数据，输出3D数据模型，与薄板焊接前进行比对，输出高温焊接变形测量云图。从图中可以看出，金属薄板焊后发生了很大的变形，与金属薄板实物的变形结果是一致的。

通过与有限元分析模拟结果比对可以看出，无论在变形形态还是在幅值上，都与XTOM蓝光三维扫描仪测量结果很接近，在幅值上的细微偏差是由于薄板初始状态不平整，对焊后变形有一定的影响，而在建模形态是建立一个理想平板。以下是有限元模拟结果。

三维光学测量技术能够对焊接变形进行精确测量，通过对薄板焊接全场变形进行测量，为焊接失稳模拟分析提供更加准确的数据依据，并结合有限元数值模拟，准确地对薄板失稳变形进行预测，为进一步探索屈曲变形产生机理，提供准确、可靠的解决方案。