基于數(shù)字圖像相關(guān)的近熔池應(yīng)變場原位測量

喬東虓 ，陳 健 ，張 偉 ，馮智力 ，潘際鑾

(1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.美國橡樹嶺國家實驗室，美國 田納西 37831）

0 前言

焊接過程中伴隨的力學過程是焊接領(lǐng)域的一個重要的研究分支。由于焊接過程中嚴重的溫度不均勻性，焊縫金屬及焊縫周圍熱影響區(qū)金屬冷卻收縮會引起焊接結(jié)構(gòu)的變形，并在焊縫周圍產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。這兩者會給焊接工件的后續(xù)加工與服役帶來不利的影響，如引起工件外形不達標、導(dǎo)致疲勞壽命下降、引起焊接裂紋等。因此，科技工作者對焊接引起的變形和應(yīng)力做了大量的研究工作[1-13]。

數(shù)字圖像相關(guān)DIC（Digital Image Correlation）是一種新的應(yīng)變場測量技術(shù)[14]。該方法利用經(jīng)過標定的攝像機跟蹤被測對象表面的圖像特征的移動，測量試樣表面特征的空間位置變化，從而計算試樣表面的應(yīng)變分布。其優(yōu)點在于可以非接觸的測量一個區(qū)域內(nèi)三維表面上的應(yīng)變分布。M.DE Strycker等人曾經(jīng)利用DIC技術(shù)測量管道焊接時工件表面的應(yīng)變場[15]，但是其測量區(qū)域距離熔池較遠，不能很好地反映熔池周圍熱影響區(qū)的應(yīng)變。Shibahara Masakazu等人也曾利用DIC技術(shù)對焊后應(yīng)變場進行了測量，但是作者只是測量了位移的分布，并未給出應(yīng)變的云圖[16]。

焊接過程中全場應(yīng)變的測量對于研究驗證焊接殘余應(yīng)力模型也具有非常重要的意義。數(shù)值計算的方法是研究焊接應(yīng)力與變形的主要方法之一。為了驗證計算模型的正確性，通常采用焊接結(jié)束、工件冷卻以后表面或者內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布的測量結(jié)果與模型計算結(jié)果進行對比。但是通常采用的殘余應(yīng)力測量方法，如小孔法和X射線衍射法，只能逐點測量殘余應(yīng)力，在少量的測量位置對計算結(jié)果進行驗證。焊后的整個應(yīng)變場測量也可以用于驗證焊接殘余應(yīng)力模型。相比逐點的應(yīng)力測量，全場的應(yīng)變分布能夠為驗證結(jié)果提供大量的數(shù)據(jù)。此外，使用DIC技術(shù)能夠記錄焊接過程中應(yīng)變分布隨時間的變化，因此可以進一步與模型的計算結(jié)果在時域內(nèi)進行對比。

1 實驗設(shè)計

1.1 焊接材料和裝置

實驗采用的焊接方式為平板堆焊。焊接母材為304L不銹鋼。工件尺寸為200 mm×200 mm×26 mm。試樣的表面經(jīng)過噴砂處理，以利于激光吸收。

實驗裝置如圖1所示。IPG光纖激光器產(chǎn)生的激光通過光纖輸出至安裝在工業(yè)機器人上的激光頭。焊接位置的移動通過對機器人進行示教編程實現(xiàn)。由于課題重點研究焊接時的應(yīng)變分布，因此焊接時未填絲。在焊縫所在直線與激光頭構(gòu)成的平面一側(cè)與該平面夾角較小的平面內(nèi)，安裝了圖1所示的高分辨率黑白DIC攝像機拍攝焊接時的圖像。攝像機分辨率為2448×2048，同時，在裝置的另一側(cè)還安裝了紅外攝像機記錄熔池周圍的溫度場。

實際焊接時采用的激光功率約為1000 W，焊接速度15 mm/s。形成的焊縫寬度約為3 mm。

1.2 應(yīng)變場測量

圖1 實驗裝置照片

實驗使用DIC方法測量焊接時工件表面的應(yīng)變場。其基本原理是通過跟蹤試樣表面特征的空間位置的變化，從而計算應(yīng)變。測量前，需要使用適當?shù)姆椒ㄔ谠嚇颖砻嬷苽潆S機分布的高對比度斑點。在測量時，使用兩個空間位置經(jīng)過提前標定的高分辨率數(shù)字攝像機以一定的頻率拍攝試樣表面斑點的圖像。拍攝圖像后，通過軟件使用數(shù)字圖像相關(guān)算法，跟蹤試樣表面特征在三維空間的位移，進而計算得到材料表面的應(yīng)變分布。斑點圖像位移的跟蹤一般以正方形的子區(qū)域為單位，每個區(qū)域大小約20像素×20像素。

在本實驗中，表面的隨機斑點采用如下方式制備。在實驗前首先在需要測量應(yīng)變的區(qū)域噴涂白色的高溫涂料作為背景。由于涂料厚度非常小，且試件表面經(jīng)過噴砂處理，粗糙度較大。因此涂料可以隨著表面一起變形。然后在白色涂料上噴涂適量黑色的斑點。斑點的尺寸依據(jù)測量區(qū)域的大小確定。一般根據(jù)經(jīng)驗，選擇斑點在攝像機采集到的圖像中的特征尺寸約為3～5個像素。黑色斑點的密度目測盡量占據(jù)約一半的表面積，以產(chǎn)生盡可能多的清晰的黑白邊界，利于圖像處理。由于所用涂料最高能承受1090℃的高溫，低于不銹鋼的熔點。因此，在非?？拷鄢氐膮^(qū)域，涂料可能被燒損。實驗中，涂料在燒損時會產(chǎn)生較多的煙霧，影響應(yīng)變場測量。因此在實際測量時，根據(jù)提前規(guī)劃的激光路徑和確定的燒損區(qū)域?qū)挾?，在可能發(fā)生燒損的區(qū)域內(nèi)未噴涂斑點涂料。

實驗中為了盡量減少環(huán)境光變化以及熔池本身發(fā)光對測量的影響，系統(tǒng)使用了波長為535 nm的綠色LED光源進行照明。同時，在攝像機鏡頭上也安裝了相應(yīng)波長的濾光片，使穩(wěn)定的照明光能夠透過，同時減少進入攝像機的其他波段的環(huán)境光。

2 結(jié)果和討論

2.1 應(yīng)變場測量結(jié)果

實際焊接中采集到的斑點圖像經(jīng)過處理后，得到的焊接時熔池周圍的應(yīng)變場分布如圖2所示。圖中的應(yīng)變?yōu)榭倯?yīng)變的垂直焊縫方向（y方向）分量，是焊縫重要的應(yīng)變。由于焊縫較長時，焊接過程可以看作是一個準靜態(tài)的過程。因此選擇電弧移動到焊縫中距起點較遠的位置熔池周圍的應(yīng)變場分布代表整個焊接過程中除了焊接開始和冷卻階段外熔池周圍應(yīng)變分布的特點。

圖2 焊接過程中熔池周圍的垂直焊縫方向總應(yīng)變的分布

在圖2中，焊縫一側(cè)在接近熔池的區(qū)域觀察到了一個負應(yīng)變區(qū)。從云圖還可以看出，該區(qū)起源于熔池外側(cè)，向熔池外后側(cè)延伸，且幅值逐漸減小。實際測量的數(shù)值為總應(yīng)變。在工件內(nèi)，其總應(yīng)變包括彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變?nèi)齻€部分。上述三部分中，由于材料被加熱，因此熱應(yīng)變總是為正（膨脹），且與溫度近似成線性關(guān)系。在負應(yīng)變區(qū)，總應(yīng)變?yōu)樨?，因此可以推出彈性?yīng)變與塑性應(yīng)變的和為負。更進一步分析需要溫度的數(shù)據(jù)將在其他論文中討論。

在負應(yīng)變區(qū)的內(nèi)側(cè)及熔池后焊縫的兩側(cè)，特別是焊縫附近，表面垂直焊縫方向的應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠＞嚯x焊縫較近的區(qū)域，其拉應(yīng)變較大，距離焊縫越遠，應(yīng)變越小。值得注意的是：上述應(yīng)變?yōu)榭倯?yīng)變，并不能反映彈性應(yīng)變及應(yīng)力的符號。另外，在焊縫附近，雖然應(yīng)力云圖中該區(qū)域總體為紅色，存在較大的正應(yīng)變，但是測量結(jié)果在該部分也存在很大的分散性。這種分散性并不代表應(yīng)變在空間有很大的波動，而是可能由于測量技術(shù)的限制引起。因在非?？拷缚p的區(qū)域，溫度較高，涂料在高溫時可能并不能非常穩(wěn)定地與金屬發(fā)生同步的變形。另外，由于涂料發(fā)生少量燒蝕，也會給使用數(shù)字圖像相關(guān)計算得到的應(yīng)變結(jié)果引入一定的誤差。

2.2 冷卻后應(yīng)變場分布的特點

焊后工件上焊縫周圍的垂直焊縫方向應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。與焊接時熔池后方已冷卻的焊縫一側(cè)的應(yīng)變分布類似，冷卻后，焊縫周圍的總應(yīng)變?yōu)檎?。距離焊縫越近，應(yīng)變的幅值越大。

圖3 冷卻后垂直焊縫方向總應(yīng)變的分布

2.3 熱影響區(qū)的應(yīng)變隨時間的變化

焊接過程中，在熱影響區(qū)距離焊縫中心不同位置處的垂直焊縫方向應(yīng)變變化過程如圖4所示。

圖4 熱影響區(qū)內(nèi)距離焊縫中心不同距離處的垂直焊縫方向應(yīng)變隨時間的變化

在開始階段，熔池到達觀測點時，總應(yīng)變變?yōu)樨撝?。之后，熔池通過以后，當觀察位置處于熔池后方時，總應(yīng)變符號由負轉(zhuǎn)正，逐步變大，后達到峰值，然后略下降，并在最后形成正的總應(yīng)變。由于激光焊接較穩(wěn)定，可看做準靜態(tài)過程，因此上述分析與前述應(yīng)變的空間分布一致。值得注意的是：由于上述僅討論了總應(yīng)變，因此不能簡單的以此分析應(yīng)力的演變，其峰值位置也不代表應(yīng)力峰值的位置。應(yīng)力在熔池通過觀察位置以后并不一定先升高后降低。其原因在于上述總應(yīng)變中，除了與應(yīng)力密切相關(guān)的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變，還有熱應(yīng)變。在焊接過程中，觀察位置的溫度先快速升高，后緩慢降低，其熱應(yīng)變先升高后降低。因此在缺乏觀察位置溫度隨時間變化的情況下，難以確定上述總應(yīng)變曲線中三個分量的數(shù)值。上述曲線雖然不能用來計算觀察位置的殘余應(yīng)力，但是對于驗證焊接殘余應(yīng)力模型的計算結(jié)果仍然是非常有意義的。相比焊后使用各種殘余應(yīng)力測量手段測量殘余應(yīng)力驗證計算結(jié)果，上述焊接過程中總應(yīng)變的演化過程亦可直接與有限元模型中計算得到的總應(yīng)變進行對比，研究其在整個焊接過程中的計算結(jié)果是否正確。

2.4 測量方法的問題與改進

由于受到產(chǎn)生DIC所需斑點的涂料能耐受溫度的限制，上述實驗中，熔合線外1.5 mm內(nèi)的應(yīng)變分布無法測量。若能使用可耐更高溫度的涂料，或采用物理或者化學方法直接在工件表面制備對比度較好的斑點，通過DIC法測量非常接近焊縫高溫區(qū)域的應(yīng)變?nèi)匀皇强赡艿摹?/p>

另外，上述實驗采用的焊接方法為激光焊。在更廣泛采用的電弧焊的情況下，雖然由于弧光不穩(wěn)定，且在可見光范圍內(nèi)強度較高，會對測量造成較大的干擾。但是，DIC應(yīng)變場測量技術(shù)仍然有較大的應(yīng)用潛力。首先，在弧光熄滅后，使用DIC仍然能夠很好的測量應(yīng)變。因此，上述技術(shù)可以測量焊接結(jié)束以后，工件的變形和表面應(yīng)變場的分布。這樣的測量對于研究焊接過程造成的變形和驗證焊接過程的計算機模擬結(jié)果仍然非常有意義。另外，借鑒已有的技術(shù)，通過合理設(shè)計的光學系統(tǒng)濾除部分弧光或者屏蔽弧光，仍然有可能在焊接的過程中用DIC技術(shù)對熔池周圍的應(yīng)變場變化進行研究。

3 結(jié)論

采用DIC技術(shù)，非接觸的測量了激光平板堆焊時熔池周圍應(yīng)變的分布，以及冷卻后焊縫周圍的應(yīng)變分布，得到了如下主要結(jié)論：

（1）利用DIC技術(shù)可以測量激光焊接時，工件表面熔池周圍應(yīng)變場的分布及其在焊接過程中的變化。上述結(jié)果可用于對焊接過程中的力學過程進行實驗研究以及驗證焊接過程的數(shù)值計算模型。

（2）測量結(jié)果表明，在本研究所述條件下，焊接過程中熔池側(cè)方存在負垂直焊縫方向應(yīng)變區(qū)。該區(qū)從熔池側(cè)數(shù)毫米處向熔池側(cè)后方延伸，幅值逐漸減小。

（3）冷卻后，焊縫一側(cè)測量范圍內(nèi)（距離熔合線1.5 mm外）的總應(yīng)變均為正，且距離焊縫越近，正應(yīng)變的幅值越大。

[1]Ueda Y，Yamakawa T.Analysis of thermal elastic-plastic stress and strain during welding by finite element method[J].Transactions of theJapan Welding Society，1971(2)：186-196.

[2]Ryoich K，Toshio Y，Asao O.Internal stresses in thick plates weld-overlaid with austenitic stainless steel（report 2）：Thermal cycle during weld-overlaying and residual stress change during stress relief annealing[J].Transactions of the Japan Welding Society，1974，5（1）：22-31.

[3]Friedman E.The rmomechanical analysis of the welding processusing the finite element method[J].Journal of Pressure Vessel Technology，1975，97（3）：206-213.

[4]Ueda Y，F(xiàn)ukuda K.New measuring method of three dimensional welding residual stresses based on newly proposed principle of inherent strain[J].Naval Architecture and Ocean Engineering，1980，18（146-163.

[5]Todoroki A，Kobayashi H.Prediction of fatigue crack growth rate in residual stress fields[J].Key Engineering Materials，1991（51-52）：367-372.

[6]Mochizuki M，Hayashi M，Nakagawa M，et al.A simplified analysis of residual stress at welded joints between plate and penetrating pipe[J].JSME International Journal Series A，Mechanics and Material Engineering，1997，40（1）：8-14.

[7]Prime M B，Hill M R，Dewald A T，et al.Residual stress mapping in welds using the contour method[A].Proceedings of the 6th Trends in Welding Research International Conference[C].Phoenix，AZ，United States.ASM International，2002：891-896

[8]Dong P，Brust F W.Welding residual stresses and effects on fracture in pressure vessel and piping components：A millennium review and beyond[J].Journal of Pressure Vessel Technology，2000，122（3）：329-338.

[9]Murakawa H，Bere M，Davies C M，et al.Effect of low transformation temperature weld filler metal on welding residual stress[J].Science and Technology of Welding and Joining，2010，15（5）：393-399.

[10]Leggatt R H，Smith D J，Smith S D，et al.Development and experimental validation of the deep hole method for residual stress measurement[J].The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，1996，31（3）：177-186.

[11]Qiao D，Zhang W，F(xiàn)eng Z，et al.Modeling of weld residual plastic strain and stress in dissimilar metal butt weld in nuclear reators[C].//Proceedings of the ASME Pressure Vessels and Piping Conference.American Society of Mechanical Engineers：Paris，F(xiàn)RANCE，2013.

[12]Feng Z，White R.Development of compressive residual stresses in underwater pta welds[C].//Proceedings of the 9th International Symposium on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems—Water Reactors.1999：757-766.

[13]Feng Z.Processes and mechanisms of welding residual stress and distortion[M].Boca Raton，F(xiàn)lorida：CRC Press，2005.

[14]Sutton M A，Orteu J-J，Schreier H W.Image correlationfor shape，motion and deformation measurements：Basic concepts，theory and applications[M].Springer，2009.

[15]De Strycker M，Lava P，Van Paepegem W，et al.Measuring welding deformations with the digital image correlation technique[J].Welding Journal，2011（90）：107-112.

[16]Shibahara M，Yamaguchi K，Onda T，et al.Studies on insitu full-field measurement for in-plane welding deformation using digital camera[J].Welding International，2012，26（8）：612-620.