采用三维DIC技术探索机器人&人工焊接的全场应变秘密

金属在焊接过程中由于热胀冷缩都会受到周围母材的拘束而不能自由伸缩，导致工件在焊中、后存在残余变形，对其尺寸精度、装配精度和使用性能造成显著影响，在焊中和焊后对金属变形进行测量，对于了解材料的变形机理、改善焊接工艺、减少焊后应力和变形，以及提高焊件的承载能力具有重要的理论意义和工程价值。

新拓XTDIC三维全场应变测量系统作为一种专业测量应变、变形的光学测量技术，针对金属焊接变形测量难题，给出了很好的解决方案。它通过跟踪粘贴在物体表面标志点的三维坐标，计算相应部分在焊接不同时刻的位移，获得金属在焊接工艺中的整体变形过程和瞬时变形场域信息，可满足焊接过程对三维变形测量精度和效率的要求。

实验准备

本次实验，根据焊接测量精度需求，采用900万像素型号的XTDIC三维全场应变测量系统，其测量幅面大小为1200mm*800mm，可对焊接变形部位进行全场多点、多方向测量，反映人工焊接和机器人焊接两个工况焊接面内的变形和位移变化。

本次实验主要是一块固定的大尺寸的钢板，从中截取一个区域做为实验区域（宽度约为120mm，高度约为1300mm）。首先针对选取的区域进行制斑，斑制作好后，把XTDIC设备架立在钢板前面一侧，打开XTDIC系统的镜头和光源，准备工作就做好了。

机器人焊接&人工焊接

目前工业焊接场景可分为人工焊接和机器人焊接两个实验工况，针对不同工况，如何选取合适的工艺流程，是焊接车间面临的难题，本次实验我们将分别对两种焊接方式的过程进行全场应变测量，展示同样的工况下，不同焊接方式时其应变变化情况，为选择合适的焊接方式，保障钢板焊接质量提供数据依据。

人工焊接时应变数据分析

人工焊接部分时间约为12分钟，XTDIC系统采集数据为焊接过程12分钟数据以及焊接完成后4分钟的数据，钢板焊接的顺序方向为自下而上。

从焊接过程中不同时间，XTDIC软件分析解算出的位移云图和应变云图中可以看出，在自下而上的焊接过程中，钢板变形和位移变化也是同步自下而上的。位移变化为钢板整体的移动，而变形则集中在焊缝两侧。

钢板焊接过程-位移变化

钢板焊接过程-变形云图

接下来，采用XTDIC三维全场应变测量系统软件，对钢板焊缝两侧进行取点分析，关键位置取点图如下所示共8个，重点分析标号4-7。

从位移和应变图中分析，在焊接过程中每个点都发生了不同程度的位移和变形，焊接停止后，随着温度的下降和应力的释放，变形会有回落的趋势。

钢板焊缝取点分析图

点4的位移变化曲线

点5的位移变化曲线

点6的位移变化曲线

点7的位移变化曲线

点4的应变变化曲线

点5的应变变化曲线

点6的应变变化曲线

点7的应变变化曲线

机器人焊接时应变数据分析

机器人焊接试件时间为20分钟，从下半部分开始焊接，中间调整参数后继续焊接上半部分，焊接停止3分钟后，XTDIC三维全场应变测量系统停止数据采集，对焊接面进行DIC数据分析，从焊接过程中云图和应变的变化来观察整体的焊接变形趋势变化。

焊接过程板材整体变形和人工焊接基本一致，随着自下而上的焊接，钢板发生不同程度的位移变化，靠近焊缝处则发生了焊接变形。

钢板焊接过程-位移变化

钢板焊接过程-变形云图

接下来同样对钢板模型取8个点位，具体分析在焊接过程中不同位置的位移和应变变化：重点分析3-7点位。从分析数据来看，焊接第一阶段对下半部位的四个点影响较大，焊接的第二阶段对上半部四个点影响较大。

点4的位移变化

点5的位移变化

点6的位移变化

点7的位移变化

相比于位移的变化，应变变化较无规律，只是在焊接过程中发生着不同程度的应变变化。通过XTDIC三维全场应变测量系统对焊缝进行细致的分析，对焊缝两侧进行局部位移应变分析，更好地掌握钢板在焊接过程中较为准确的变形情况。

点4的应变变化

点5的应变变化

点6的应变变化

点7的应变变化

结论：

焊接过程中环境、条件的变化是不可避免的，焊接加工方式、焊接热变形等因素均会引起焊接质量的波动，并导致焊接缺陷的产生。采用XTDIC三维应变测量分析系统，可对人工焊接、机器人焊接的变形情况进行实时测量，测得在不同焊接方式、不同焊接部位的焊接变形量及参数变化，有助于提升焊接过程决策、预判能力，选择合适的焊接方式，保障钢板焊接质量。