CN104374499B - 基于xjtuom三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，该方法在原有的小孔法的测量原理基础之上在实验方法进行的很大的改变，运用XJTUOM三维光学面扫描系统，可以在标志点全局坐标系下快速测量不同幅面，多视扫描点云自动拼接到标志点全局坐标系，可以满足不同精度、不同大小的工件测量，适用于几十毫米～一百米大小的工件，可以进行多点测量，以便分析各测量位置的应力分布状态，操作方便，测量效率高的焊接残余应力测量方法。以Q235B钢薄板焊接残余应力测量试验为例，表明该方法测量结果比较准确。

Description

基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量 方法

技术领域

本发明涉及工程领域的残余应力测试方法，具体涉及一种基于光学面扫描技术XJTUOM对于焊接残余应力测量方法。

背景技术

焊接的残余应力是材料在焊接时焊件上产生局部高温而导致的不均匀温度场，并且焊接中心处可达1500℃以上，高温部分向外膨胀伸长但受到邻近部分的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，然而这些温度应力会随着时间和温度而不断变化，然而在焊接应力较高的部位将达到材料的屈服强度而发生塑性变形，因而材料在冷却后将有残存于焊件内的应力则称为焊接残余应力。

在工程应用上，焊接残余应力在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布因焊接构件的形状、尺寸、焊接方法等而异。

总结来说有以下几种原因造成：1、由于加热和冷却的温度梯度不均匀而产生了焊接热应力从而导致局部的塑性变形，这是焊接残余应力起主导作用的部分；2、由焊前加工状况所造成的附加应力，引起构件的不均匀变形；3、焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却导致金属组织的变化而引起体积的变化，产生了相变应力。随着现代工业生产日新月异的变化以及新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求。其中焊接残余应力将是直接影响构件结构性能安全可靠性的重要因素，它在一定条件下，会对结构刚度、稳定性、疲劳强度和工件的精度等有这很大的影响。

然而为了能够有效降低残余应力对构件服役性能的影响，如何准确地测量出残余应力值，并提出相应的残余应力消除措施一直是国内外众多研究工作者的研究热点。随着技术的发展，对于测量焊接件残余应力有了各种各样的方法，常用的方法有钻孔法、取条法、切槽法、剥层法、环芯法和剖分法等，在钻孔法中为了降低构件因钻孔而受损伤的程度，可用盲孔法、浅盲孔法。无损测试法是多年来科研人员一直探索的方法，目前无损测试的方法有X射线法、中子衍射法、超声波法、磁性法等。

目前最成熟的机械法残余应力测量方法为钻孔应变释放法，通常称作小孔法，根据所钻小孔的深度是否达到试板厚度又分为通孔法和盲孔法，小孔法是一种最广泛的残余应力测试技术，这种方法相对简单、便宜、迅速和通用，技术成熟，理论较完善所需设备可以是放置于实验室也可以是携带至出场测量，并适合于范围较广的材料与零件美国材料试验协会(ASTM)于1981年制订了钻孔法的标准ATSM837-81，1999年进行了修订ASTM837-99我国尚无自己的国家标准，1987年引用上述美国标准参照执行。而我国船舶行业于1992年制订了自己的行业标准CB3395-92(该标准由中船总公司第七二五研究所、西安交通大学和大连铁道学院负责起草)但小孔法去除的材料很少因而释放的应力有限，所以只能测量表层一个点的残余应力。

但是这些方法的应用都有一定的局限性，因此残余应力测试技术至今仍是一个有待深入研究的课题，于是研究工作者在盲孔法的基础上进行改进，提出了一些光学的测量方法，如全息衍射法、等高线法、XJTUDIC数字图像相关法和XJTUOM面扫描等测量方法。

XJTUOM面扫描方法

XJTUOM是一个三维实体数字化系统(optical 3d range scanning system)，用于不规则复杂曲面产品零件的移动便携式三维扫描和逆向设计，可以与XJTUDP型工业数字近景三维摄影测量系统(便携式大型物体的关键点三维摄影测量)配合使用。

采用国际最先进的外差式多频相移三维光学测量技术，单幅测量幅面大小(从150mm到3m)、测量精度、测量速度等性能都达到国际最先进水平，与传统的格雷码加相移方法相比，测量精度更高，单次测量幅面更大、抗干扰能力强、受被测工件表面明暗影响小，而且能够测量表面剧烈变化的工件，可以扫描测量几毫米到几十米的工件和物体。广泛适用于各种需求三维数据的行业，如汽车工业、飞机工业、摩托车外壳及内饰、家电、雕塑等。

目前，国内外三维光学密集点云扫描测量系统主要是采用格雷码加相移的三维测量技术，用多幅格雷码光栅对测量区域分级标识，再用单幅光栅相移测量。格雷码加相移的三维测量技术的优点为算法实现简单，易于实现产品化，但是缺点非常明显：一是格雷码只是用于对测量幅面的分级，无法提高测量精度；二是格雷码的使用造成测量系统对测量工件的表面明暗比较敏感，无法测量较暗的工件，无法测量表面剧烈变化的工件；三是单次测量幅面较小，一般小于400mm。

对于格雷码加相移的三维测量技术的缺点，国外一直在研究新的测量方法，提出了很多测量技术，其中外差式多频相移技术是发展较快的方法。XJTUOM型测量系统就是采用国际最新的外差式多频相移三维光学测量技术，是国内第一个采用外差式多频相移技术的实用化三维光学测量产品，达到了国外最新产品的技术水平。

XJTUOM的基本原理是：测量时光栅投影装置投影多幅多频光栅到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。

XJTUOM的主要的特点有可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位的全场测量。与传统的三坐标测量仪和激光三维扫描仪相比具有速度快、精度高、易操作、可移动等特点，在物体的单面测量和多面拼接的精度和准确度上达到了国际先进水平。对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和任何复杂形状物体的三维扫描、检测和建模，广泛应用在机械制造、汽车制造、飞机制造、模具设计等行业，以及文物、医学人体数字化、工艺品设计等领域。XJTUOM输出点云文件，可用Surfacer、Geomagic等专业点云处理软件进行进一步处理，而在本实验方法中采用的正是Geomagic进行的数据处理的分析。

XJTUOM主要的功能特点如下：

1、采用国际最先进的外差式多频相移三维光学测量技术，达到国外最新产品的技术水平。与传统的格雷码加相移方法相比，测量精度更高，单次测量幅面更大(从150mm到3m)、抗干扰能力强、受被测工件表面明暗影响小，工件一般不需要喷显影剂，而且能够测量表面剧烈变化的工件。

2、一机多用，单幅测量幅面从200mm到3米，可以测量几毫米到几十米的工件和物体。一台测量系统可同时扫描测量小型、中型、大型工件。

3、面扫描、测量数据密集。单幅扫描一次获得130万～660万的点云，点云的点间距为0.08mm～1mm，海量数据测量和处理，测量精度从0.008mm到0.05m。

4、移动便携式测量。与传统的三坐标测量机、激光抄数机相比，突出特点为移动便携式操作，流动式测量，不需要固定的大型操作台，移动式测量，可以扫描测量几毫米到几十米的产品工件和物体。

5、强大的自动拼接和重叠面自动删除功能。功能强大的多次扫描自动拼接功能，拼接精度更高，提高工件扫描效率80％以上。标志点实时跟踪识别，多幅扫描后进行全局匹配自动化完成拼接，自动删除重叠面。可以与XJTUDP工业数字近景三维摄影测量系统配合使用提高拼接精度，有效控制拼接积累出差。

6、测量扫描速度快。单幅(最大3米幅面)测量速度为3～6秒。

7、激光指示器测距。方便操作测量，提高测量效率。

提供多种标定板。标定板和十字架标定采用编码标志点和亚像素图像识别技术，标定精度更高更准确。标定板幅面从150mm×110mm到3米×3米。

8、系统采用工业化产品设计。所有硬件设备集成一起，一体化设计，性能稳定可靠。软件一体化集中控制所有硬件设备，包括激光指示器、工业相机、光栅投射器等。

9、长期升级和技术支持。西安交通大学雄厚的技术力量，保证系统的长期升级更新和技术支持。

不同的技术适用于不同的应力分布条件和测量条件，对于焊接残余应力的测量，小孔法是一种最广泛的残余应力测试技术，这种方法相对迅速和通用，技术成熟，理论较完善、所需设备可以是放置于实验室也可以是携带至出场测量，并适合于范围较广的材料与零件，如果从测量的适用性以及综合经济角度考虑的话盲孔法操作简单、测试成本低、精度高等优点是它已然成为工业测量的最广泛应用的方法。然而，影响盲孔法测试精度的因素很多，如基本理论与实际情况的误差孔位偏移、孔深与孔径误差、应变仪零漂、应变片粘贴质量及灵敏系数误差、钻削引起的附加应变、边界与孔边距以及因钻孔引起应力集中所导致孔边缘塑性变形等，通常要对测试值作相应修正后方能使用。除此之外，由于盲孔法对工件表面的平整性和钻孔的位置有严格的要求，并且重要的是无法实现全场测量，在实际过程中往往过程比较繁琐，耗时比较长，主要因为钻孔的位置容易出现偏差，精度就会受到严重的影响。因此，需要一种适合工程应用的，简单高效的，能够多点甚至是全场测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，该方法在原有的小孔法的测量原理基础之上在实验方法进行改变，运用XJTUOM三维光学面扫描系统，可以在标志点全局坐标系下快速测量不同幅面(从100mm～2000mm)，多视扫描点云自动拼接到标志点全局坐标系，可以满足不同精度、不同大小的工件测量(如泡沫件、铸件、锻件、机加件、注塑件等)，适用于几十毫米～一百米大小的工件，可以进行多点测量，以便分析各测量位置的应力分布状态，操作方便，测量效率高的焊接残余应力测量方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，包括以下步骤：

l)将待测焊板的焊接残余应力的部分用角磨机打磨平整直至露出金属光泽，再用纱纸由粗到细进行打磨处理，清洗，清除焊板表面的杂质和氧化物；

2)把待测焊板的焊接残余应力的部分打磨平整后开始划线准备测量，在每个待测点上分别确定垂直于焊缝、平行于焊缝以及与焊缝45°夹角的方向，并在待测点的三个方向上分别确定与小孔法测试时选用的应变片上应变花粘贴范围内的两个标志点；

3)在待测焊板的表面喷涂显影剂后晾干后，然后利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面进行标定后拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第一次点云数据；

4)对待测焊板的表面标定并拍摄后，根据步骤2)中待测点的位置进行钻孔，孔径的大小依据步骤2)中小孔法测试时选用的应变片上待测点的大小确定；

5)在钻孔后，利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面再进行拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第二次点云数据；

6)采用geomagic studio软件分别对步骤3)和步骤5)中得到的两次点云数据进行处理，具体如下：

在垂直于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的垂直于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在垂直于焊缝上的第一次两个点云之间的距离平均值x₁和第二次两个点云之间的距离平均值x₂；

在平行于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的平行于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在平行于焊缝方向上的第一次两个点云之间的距离平均值y₁和第二次两个点云之间的距离平均值y₂；

在与焊缝夹角45°方向上的处理方式为：首先在该方向上的点云数据中用geomagic studio软件画一条与焊缝夹角45°方向上的两个标志点重合的方向线，然后在该45°方向线上取与其相交或相近的每两个点云之间的距离，且保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在与焊缝夹角45°方向上的第一次两个点云之间的距离平均值z₁和第二次两个点云之间的距离平均值z₂；根据微应变公式μ_ε＝ln(L/L₀)，分别求出待测点在三个方向上的微应变值，然后根据待测点在三个方向上的微应变值并结合小孔法测试原理倒算出待测点处的应力值，其中，μ_ε为待测点在三个方向上的微应变值，L为第二次两个点云之间的距离平均值x₂、y₂及z₂，L₀为第一次两个点云之间的距离平均值x₁、y₁及z₁。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，采用型号为600#、800#、1000#以及1200#的纱纸依次对待测焊接残余应力的部分进行打磨处理。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，分别用丙酮和酒精对打磨处理后的待测焊接残余应力的部分进行清洗。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，在拍摄之前，采用标定板对扫描头的所有内外部结构参数的标定确定测量点的正确坐标，并且采用平面模板八步法进行标定，依次采集八个不同方位的模板图像，进行标定；标定时打开投影光栅，投影会自动投白光到标定板上；采用投影灯时，投影光线覆盖所有的白点；打开摄像功能，观察左右摄像头视图区的图像，如果太暗，增加亮度或调节软件光圈和增益，先使最亮点的图像变成红色，然后再减少图像亮度，使红色消失。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，根据板厚的不同选择钻通孔或盲孔进行测试，当板厚等于小孔深度时为通孔法；当板厚大于小孔深度时为盲孔法，且盲孔的深度要小于孔径的大小1.2倍。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面再进行拍摄时，与第一次拍摄时的标定参数一致。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，根据待测点在三个方向上的微应变值并结合小孔法测试原理倒算出待测点处的应力值，具体如下：

将x₂、y₂及z₂和x₁、y₁及z₁分别代入如下公式后，计算得出待测点处的应力值：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{4B\cos \mathrm{\γ}};{\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{4B\cos \mathrm{\γ}};\mathrm{\γ}=\arctan \frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-2{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3};$

ε₁＝10⁶ln(x₂/x₁)；ε₃＝10⁶ln(y₂/y₁)；ε₂＝10⁶ln(z₂/z₁)

式中：

A、B均为应变释放系数，与孔径、孔深、应变花的几何尺寸及被测材料弹性模量E有关,通过拉伸实验标定或理论计算公式给出；

ε₁为平行于焊缝方向上的应变计钻孔后测得的释放应变，ε₂为与焊缝夹角45°方向上的应变计钻孔后测得的释放应变，ε₃为垂直于焊缝方向上的应变计钻孔后测得的释放应变；

σ₁为平行于焊缝方向上的残余应力，单位为Pa；σ₂为垂直于焊缝方向上的残余应力，单位为Pa；

γ为沿顺时针取向时最大主应力与应变花中平行于焊缝方向上应变片参考轴之夹角，单位为rad。

与现有技术相比，本发明采用光学方法XJTUOM结合小孔法基础原理对于焊件进行多点测量及甚至达到全场的测量构件残余应力，发展了小孔法的应用范围，使之能进行残余应力测量；局部去除材料，是一种半破坏性残余应力测量方法，而XJTUOM通过钻前钻后两幅云图的拍摄数据，计算钻孔前后图像的应变值，本研究就是想通过基于小孔法测残余应力原理的进行改进，利用XJTUOM面扫描的方法测量并计算出在钻孔前后的应变值代替电阻应变计测量三个不同方向的径向应变值来求取残余应力，通过此方法可以进行多点测量，能分析各测量位置的应力分布状态；适合测量如在小孔法测量时无法粘贴应变片的位置；该方法操作方便，而且可以实现多点甚至是全场测量，测量效率高。

【附图说明】

图1是焊接方向与X、Y方向示意图；

图2是测量点的位置示意图；

图3是提取数据标志点与应变花的相对位置示意图；

图4是数据处理的区域示意图；

图5是测量区域的点云分布示意图；

图6是Y方向应变的对比示意图；

图7是X方向应变的对比示意图；

图8是45度方向应变的对比示意图；

图9是Y方向残余应力的对比示意图；

图10是X方向残余应力的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图5，本发明基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，包括以下步骤：

l)将待测焊板的焊接残余应力的部分用角磨机打磨平整直至露出金属光泽，再采用型号为600#、800#、1000#以及1200#的纱纸依次对待测焊接残余应力的部分进行打磨处理，分别用丙酮和酒精对打磨处理后的待测焊接残余应力的部分进行清洗，清除焊板表面的杂质和氧化物；

这一步处理的原因在于小孔法在测量时对表面光洁度有较高的要求，在面扫描时运用的CCD高速摄影相机应调节到灰度采集方式，这样为了使测量时的小的标志点能显示并且有明显的对比度，使拍摄的效果更好，如果板的表面有深色斑点和锈色时，这样在拍摄时由于要求的标志点很小，灰度对比不是很明显，不能更好地识别所要求拍摄的点，从而很大程度上影响拍摄的效果。

2)把待测焊板的焊接残余应力的部分打磨平整后开始划线准备测量，在每个待测点上分别确定垂直于焊缝、平行于焊缝以及与焊缝45°夹角的方向，并在待测点的三个方向上分别确定与小孔法测试时选用的应变片上应变花粘贴范围内的两个标志点；

标志点的选择是为了和应变花测量点的位置相符合，从而好进行数据的对比。根据采用的应变花型号如BE120-2CA-K，第一个点距孔边0.5mm，第一个和第二个之间是0.5mm到2.5mm的距离，这个距离与我们平时采用的应变片相对应，为了更好的验证其精度，这样的选择考虑到不受应力集中及塑性变形的影响也不会离得太远没有应变的释放。

3)在待测焊板的表面喷涂显影剂后晾干后，然后利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面进行标定后拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第一次点云数据；具体如下：

首先进行标定，这里一定要注意的是在钻孔前后一定要重新标定，并且在标定时使用的标定板也一定相同，更需要注意的是，标定的结果受到了温度的一定的影响，所以一定要重新标定并且调节前后参数的一致。然后在进行拍摄，拍摄时应注意的是左右相机视区的图像及标志点识别情况可以通过相机的增益来调节。调节时观察左右摄像头的视图区，直至图像将要出现红色但又未出现为最佳，调节过程中尽量的保持左右摄像头的增益参数一致，本实验应注意的是增益一般要调得很低，这样可以让自己所的标志点与板的幅面颜色对比很明显，可以显现出更清楚的数据。

4)对待测焊板的表面标定并拍摄后，根据步骤2)中待测点的位置进行钻孔，孔径的大小依据步骤2)中小孔法测试时选用的应变片上待测点的大小确定；

5)在钻孔后，利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面再进行拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第二次点云数据；

6)采用geomagic studio软件分别对步骤3)和步骤5)中得到的两次点云数据进行处理，具体如下：

在垂直于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的垂直于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在垂直于焊缝上的第一次两个点云之间的距离平均值x₁和第二次两个点云之间的距离平均值x₂；

在平行于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的平行于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在平行于焊缝方向上的第一次两个点云之间的距离平均值y₁和第二次两个点云之间的距离平均值y₂；

在与焊缝夹角45°方向上的处理方式为：首先在该方向上的点云数据中用geomagic studio软件画一条与焊缝夹角45°方向上的两个标志点重合的方向线，然后在该45°方向线上取与其相交或相近的每两个点云之间的距离，且保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在与焊缝夹角45°方向上的第一次两个点云之间的距离平均值z₁和第二次两个点云之间的距离平均值z₂；根据微应变公式μ_ε＝ln(L/L₀)，分别求出待测点在三个方向上的微应变值，然后根据待测点在三个方向上的微应变值并结合小孔法测试原理倒算出待测点处的应力值，其中，μ_ε为待测点在三个方向上的微应变值，L为第二次两个点云之间的距离平均值x₂、y₂及z₂，L₀为第一次两个点云之间的距离平均值x₁、y₁及z₁。

实施例：

在本实施例中，所选择的焊接方法是GTAW平板堆焊，焊枪行走速度由焊接机器人来控制，焊接速度均为5mm/s，氩气流量均为10L/min，采用的钨极为Φ3.2mm的钍钨极，钨极伸出长度为4mm。采用110A的焊接电流对300×200×2(mm)的Q235B试板进行焊接。

按照XJTUOM的方法步骤进行内部残余应力测量，测量过程如下：

1)用TIG不填丝平板堆焊，将300mm×200mm×2mm的Q235B钢，焊接参数为表一所示的工艺参数将其焊透，焊接方向如图1所示。

2)将待测部分用角磨机打磨平整直至露出金属光泽，再用纱纸由粗到细，然后分别用丙酮酒精进行清洗，清除焊板表面的杂质和氧化物，这一步处理的原因在于不光小孔法在测量时对表面光洁度有很高的要求，在面扫描时运用的CCD高速摄像相机应调节到灰度采集，这样为了使测量时的小的标志点能显示并且有明显的对比度，使拍摄的效果更好，如果板的表面有深色斑点和锈色时，这样在拍摄时由于要求的标志点很小，灰度对比不是很明显，不能更好地识别所要求拍摄的点，从而很大程度上影响拍摄的效果。

3)把测量点打磨平整开始划线，所布点距焊缝中心的距离分别是5mm、15mm、30mm，45mm，60mm，。然后在此基础上每个测量点在垂直于焊缝、平行于焊缝以及45°方向，每个方向上离打孔位置与应变花对应的范围内找两个标志点(标志点的测量位置、画法、原理如图2、3所示)。标志点的选择是为了和应变花测量点的位置相符合，从而好进行数据的对比。根据我采用的应变花，第一个点距孔边0.5mm，第一个和第二个之间是0.5mm到2.5mm的距离，这样的选择考虑到不受应力集中地影响也不会离得太远没有应变的释放。

4)在步骤3)的基础之上，喷显影剂(在喷的时候要离远的进行点喷，否则会把之前弄的标志点覆盖，从而影响数据处理)，待其晾干后，随后进行XJTUOM拍摄，如图4和图5为拍摄前的准备。

5)随后进行面扫描的拍摄，首先进行标定，这里一定要注意的是在钻孔前后一定要重新标定，并且在标定时使用的标定板也一定相同，更需要注意的是，标定的结果收到了温度的一定的影响，所以一定要重新标定并且调节前后参数的一致，然后在进行拍摄，拍摄时应注意的是左右相机视区的图像及标志点识别情况可以通过相机的增益来调节。调节时观察左右摄像头的视图区，直至图像将要出现红色但又未出现为最佳，调节过程中尽量的保持左右摄像头的增益参数一致，本实施例中应注意的是增益一般要调得很低，这样可以让自己所的标志点与板的幅面颜色对比很明显，可以显现出更清楚的数据。

6)在进行XJTUOM测试后，进行小孔法测试，在原来标志位置的对顶角向用丙酮将显影剂擦掉，然后贴片包括贴温度补偿片和测试点处的应变片，调试应变测试仪调零，操作流程如下所示，进行残余应力的测量。

7)在小孔法测试后，用丙酮和砂纸将应变片弄掉，此操作是为了面扫描过程中表面光洁度的更好，再进行XJTUOM测试的终态测量，一定要标定参数一致，然后进行数据的处理。

8)在数据处理过程中，由于在XJTUOM中拍摄过程中的网格采用的是自适应的模式，并且运用二维的不符合拼接条件的拍摄，这可以通过此方式得到较为精确地真实的点云数据，根据这个特点对钻孔前后网格点之间的距离进行钻前钻后的对比。

9)在拍摄的云图上面的点云数据(如图4，5所示)，在每个方向的两个标志点之间的距离范围之内，找出一个区域内的所有点云数据，把钻前钻后每两个网格点之间的距离，在经过去掉一些较大的数据(主要跟别的数据在数量级上差别比较大)，剩余的求平均值，但每两个标志点之间至少保留10到15组的真实数据。

10)在45°方向上的，最好是在数据分析前划一条较为准确的45°线，处理时，取跟此线相交或距离非常近两点之前的数据，再求出平均值，求出每个方向上的两标志点之间的数据进行计算。根据微应变μ_ε＝ln(L/L₀)，L为钻孔后两个点之间的长度，L₀为钻孔前的长度，根据小孔法测试原理倒算出应力值。如图6到图10为本实施例的测量数据，可以看到用传统的小孔法测试和XJTUOM的测试在垂直于焊缝方向X，平行于焊缝方向Y以及与焊缝夹角为45°方向上的微应变差5％到15％之间，并且纵向残余应力和横向残余应力用两种方法测量之间差别在10％左右，符合工程应用的范围，说明XJTUOM三维光学面扫描测量系统可以用来替代小孔法测试。

Claims (7)

1.基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

l)将待测焊板的焊接残余应力的部分用角磨机打磨平整直至露出金属光泽，再用纱纸由粗到细进行打磨处理，清洗，清除焊板表面的杂质和氧化物；

2)把待测焊板的焊接残余应力的部分打磨平整后开始划线准备测量，在每个待测点上分别确定垂直于焊缝、平行于焊缝以及与焊缝45°夹角的方向，并在待测点的三个方向上分别确定与小孔法测试时选用的应变片上应变花粘贴范围内的两个标志点；

3)在待测焊板的表面喷涂显影剂后晾干后，然后利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面进行标定后拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第一次点云数据；

4)对待测焊板的表面标定并拍摄后，根据步骤2)中待测点的位置进行钻孔，孔径的大小依据步骤2)中小孔法测试时选用的应变片上待测点的大小确定；

5)在钻孔后，利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面再进行拍摄，得到XJTUOM三维光学面扫描第二次点云数据；

6)采用geomagic studio软件分别对步骤3)和步骤5)中得到的两次点云数据进行处理，具体如下：

在垂直于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的垂直于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在垂直于焊缝上的第一次两个点云之间的距离平均值x₁和第二次两个点云之间的距离平均值x₂；

在平行于焊缝方向上的处理方式为：在该方向上找出两个标志点范围内的平行于焊缝上的每两个点云之间的距离，且两个标志点之间保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在平行于焊缝方向上的第一次两个点云之间的距离平均值y₁和第二次两个点云之间的距离平均值y₂；

在与焊缝夹角45°方向上的处理方式为：首先在该方向上的点云数据中用geomagicstudio软件画一条与焊缝夹角45°方向上的两个标志点重合的方向线，然后在该45°方向线上取与其相交或相近的每两个点云之间的距离，且保留不少于10组的两个点云之间的距离数据，并求其平均值，分别得到在与焊缝夹角45°方向上的第一次两个点云之间的距离平均值z₁和第二次两个点云之间的距离平均值z₂；根据微应变公式μ_ε＝ln(L/L₀)，分别求出待测点在三个方向上的微应变值，然后根据待测点在三个方向上的微应变值并结合小孔法测试原理倒算出待测点处的应力值，其中，μ_ε为待测点在三个方向上的微应变值，L为第二次两个点云之间的距离平均值x₂、y₂及z₂，L₀为第一次两个点云之间的距离平均值x₁、y₁及z₁。

2.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤1)中，采用型号为600#、800#、1000#以及1200#的纱纸依次对待测焊接残余应力的部分进行打磨处理。

3.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤1)中，分别用丙酮和酒精对打磨处理后的待测焊接残余应力的部分进行清洗。

4.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤3)中，在拍摄之前，采用标定板对扫描头的所有内外部结构参数的标定确定测量点的正确坐标，并且采用平面模板八步法进行标定，依次采集八个不同方位的模板图像，进行标定；标定时打开投影光栅，投影会自动投白光到标定板上；采用投影灯时，投影光线覆盖所有的白点；打开摄像功能，观察左右摄像头视图区的图像，如果太暗，增加亮度或调节软件光圈和增益，先使最亮点的图像变成红色，然后再减少图像亮度，使红色消失。

5.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤4)中，根据板厚的不同选择钻通孔或盲孔进行测试，当板厚等于小孔深度时为通孔法；当板厚大于小孔深度时为盲孔法，且盲孔的深度要小于孔径的大小1.2倍。

6.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤5)中，利用XJTUOM三维光学面扫描测量系统对待测焊板的表面再进行拍摄时，与第一次拍摄时的标定参数一致。

7.根据权利要求1所述的基于XJTUOM三维光学面扫描测量系统对于焊接残余应力测量方法，其特征在于，步骤6)中，根据待测点在三个方向上的微应变值并结合小孔法测试原理倒算出待测点处的应力值，具体如下：

将x₂、y₂及z₂和x₁、y₁及z₁分别代入如下公式后，计算得出待测点处的应力值：

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{4Bcos\mathrm{\γ}}:{\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{4A}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{4Bcos\mathrm{\γ}};\mathrm{\γ}=arctan\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-2{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3};$

ε₁＝10⁶ln(x₂/x₁)；ε₃＝10⁶ln(y₂/y₁)；ε₂＝10⁶ln(z₂/z₁)

式中：

A、B均为应变释放系数，与孔径、孔深、应变花的几何尺寸及被测材料弹性模量E有关,通过拉伸实验标定或理论计算公式给出；

ε₁为平行于焊缝方向上的应变计钻孔后测得的释放应变，ε₂为与焊缝夹角45°方向上的应变计钻孔后测得的释放应变，ε₃为垂直于焊缝方向上的应变计钻孔后测得的释放应变；

σ₁为平行于焊缝方向上的残余应力，单位为Pa；σ₂为垂直于焊缝方向上的残余应力，单位为Pa；

γ为沿顺时针取向时最大主应力与应变花中平行于焊缝方向上应变片参考轴之夹角，单位为rad。