CN108022236B - 基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统，属于焊接加工领域，该方法包括：步骤1，基于焊缝图像获得轮廓线，拟合成函数曲线；步骤2，基于函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；步骤3，从三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布。本发明的系统包括执行如上方法的模块。本发明通过图像提取及拟合精确模拟温度场，有效解决非均匀温度场模拟精度差问题，保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

Description

基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统

技术领域

本发明属于焊接加工领域，更具体地，涉及一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统。

背景技术

目前，熔焊(激光焊、电弧焊、电子束焊等)是复杂结构件制造重要工艺之一，已广泛应用到了航空、航天、海洋、能源等众多领域。焊接过程中，热源及附近快速加热至熔化，对周围固态金属产生挤压作用；热源过后的焊缝冷却过程中，对周围固态金属产生拉伸作用。焊缝快速熔凝过程所引起局部挤压效应，导致焊缝及周围内部产生内部力学不平衡行为，必然引起应力变形，严重影响了焊接成形质量及其后期服役性能。

为此，国内外众多研究人员通常采用热弹塑性有限元方法进行焊接过程瞬态热应力变形数值模拟计算，为低应力变形焊接制造提供指导。在整个数值模拟计算过程中，主要涉及温度场和应力场的间接耦合求解，即先完成温度场计算，然后将瞬态温度作为单元载荷加载以完成应力场的模拟。显然地，温度场模拟精度直接决定了后续应力场准确性问题。

目前，焊接温度场模拟主要包括以下两个途径：

(1)解析法，即直接根据热输入量、焊接速度、焊接试样尺寸等关键参数推导出温度数值；

(2)数理模型(高斯面热源、双椭球高斯体热源、椎体热源、旋转高斯体热源及其复合热源等)，即根据不同焊接方法选择不同的热流密度分布函数并加载到焊接试样模型上，然后利用傅里叶热传导定律求解出。随着有限元软件的日益成熟和计算硬件性能提升，计算量较大但计算精度更高的数理模型获得了广泛应用。

然而，上述两种热源计算方法均为常规的数学模型形式，只能模拟对称的温度场。在具有颈缩的全熔透焊场景中，由于能量分布不均匀导致颈缩，形成两端粗中间细的焊缝温度场；另外，在异种材料焊接场景中，由于材料种类不同，传热性能不同，导致焊缝两侧温度场不对称。

因此，上述两种热源计算方法均不能精准模拟具有颈缩的全熔透焊和异种材料焊接的温度场，难以保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统，其目的在于通过图像提取及拟合精确模拟温度场，从而有效解决以具有颈缩特征的全熔透焊和异种材料焊接的温度场模拟精度差问题，保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法，包括如下步骤：

步骤1：基于焊缝实际形貌获得焊缝图像，从中提取焊缝区与母材区交界处的轮廓线，并将该交界处的轮廓线拟合成函数曲线；

步骤2：基于步骤1得到的函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；

步骤3：从步骤2建立的三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布。

进一步地，步骤1包括如下子步骤：

1.1根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像；

1.2对步骤1.1获得的光学显微图像依次进行灰度处理、分割、中值滤波、二值化，提取到焊缝区与母材区交界处的轮廓线；

1.3从多项式、样条曲线、最小二乘法中任选一种对步骤1.2获得的轮廓线进行拟合，获得焊缝轮廓线的拟合函数。

进一步地，步骤2包括如下子步骤：

2.1根据焊接试样实际尺寸和焊缝轮廓线拟合函数，构建焊缝形貌的三维几何模型，并划分单元网格；

2.2从步骤2.1的单元网格中选择具有一个温度自由度的温度场单元，在温度场单元中定义材料的热物性参数，并在焊缝轮廓线以内的焊缝区域加载平均热流密度，获得瞬态温度场以及温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度。

进一步地，步骤3包括如下子步骤：

3.1从步骤2.1的网格中选择具有三个位移自由度的应力场单元；

3.2在步骤3.1的应力场单元中定义材料的力学物性参数，在三维几何模型中定义避免发生刚性位移的几何约束；

3.3将温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度加载到对应的应力场单元的各节点上，获得焊接过程的瞬态应力和变形分布。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测系统，包括图像提取与拟合模块、温度场求解模块以及应力场求解模块；

图像提取与拟合模块用于从焊缝图像中提取焊缝区与母材区交界处的轮廓线，并将该交界处的轮廓线拟合成函数曲线；

温度场求解模块用于根据图像提取与拟合模块得到的函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；

应力场求解模块用于从温度场求解模块建立的三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布。

进一步地，图像提取与拟合模块包括光学显微子模块、轮廓提取子模块以及函数拟合子模块；

光学显微子模块用于根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像；

轮廓提取子模块用于对光学显微子模块获得的光学显微图像依次进行灰度处理、分割、中值滤波、二值化，提取到焊缝区与母材区交界处的轮廓线；

函数拟合子模块用于按照多项式、样条曲线、最小二乘法中的任意一种对轮廓提取子模块获得的轮廓线进行拟合，获得焊缝轮廓线的拟合函数。

进一步地，温度场求解模块包括三维建模子模块和瞬态温度场求解子模块；

三维建模子模块用于根据焊接试样实际尺寸和焊缝轮廓线拟合函数，构建焊缝形貌的三维几何模型，并划分单元网格；

瞬态温度场求解子模块用于从三维建模子模块划分的单元网格中选择具有一个温度自由度的温度场单元，在温度场单元中定义材料的热物性参数，并在焊缝轮廓线以内的焊缝区域加载平均热流密度，获得瞬态温度场以及温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度。

进一步地，应力场求解模块包括应力场单元划分子模块、几何约束子模块以及瞬态应力变形计算子模块；

应力场单元划分子模块用于从三维建模子模块划分的单元网格中选择具有三个位移自由度的应力场单元；

几何约束子模块用于在应力场单元划分子模块选择的应力场单元中定义材料的力学物性参数，在三维几何模型中定义避免发生刚性位移的几何约束；

瞬态应力变形计算子模块用于将温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度加载到对应的应力场单元的各节点上，获得焊接过程的瞬态应力和变形分布。

总体而言，本发明的基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法与现有方法相比，通过图像提取可以精确建立焊缝区的三维形貌，进而能够准确模拟以具有颈缩特征的全熔透焊和异种材料焊接的温度场，有效预测焊接过程应力和变形状态，为高品质焊接制造提供技术指导与参考。同时，由于本发明是通过图像提取的方式获取焊缝区的三维形貌，能够适用于各种对称或非对称温度场的焊接过程应力和变形状态模拟计算。

附图说明

图1是按照本发明的基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形数值计算流程图；

图2a、2b是按照本发明的异种材料高强钢EH36与不锈钢316L焊缝形貌的图像提取与拟合结果，其中，图2a为左侧EH36焊缝图像提取与拟合结果；图2b为右侧316L焊缝图像提取与拟合结果；

图3是按照本发明的基于图像提取拟合结果的焊接试样三维几何模型；

图4是按照本发明所模拟出的焊接过程温度场结果；

图5是按照本发明所模拟出的沿厚度方向变形结果；

图6a～6c是按照本发明所模拟出的焊接后残余应力结果，其中，图6a为纵向残余应力结果；图6b为横向残余应力结果；图6c为等效残余应力结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1所示，本发明的基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形数值计算方法，包括如下步骤：

步骤1：图像提取与拟合：基于焊缝实际形貌，采取图像处理方法获得焊缝区与母材区的轮廓线，并进一步拟合成函数曲线。

1.1根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像。

1.2基于所获得的图像，利用图像处理算法，经灰度处理、分割、中值滤波、二值化等过程，提取到焊缝区与母材区交界的轮廓线。

1.3根据上述轮廓线的复杂程度，从多项式、样条曲线、最小二乘法等方法中选择一种低误差的拟合方法，实现焊缝轮廓线的拟合。

步骤2：温度场求解：基于焊缝形貌拟合结果，准确建立焊缝形貌区三维几何模型，并通过单元选择热物性参数、热输入及边界加载等过程，求解出瞬态温度场结果。

2.1根据焊接试样实际尺寸和焊缝轮廓线拟合方程，构建三维几何模型，并进行网格划分。

2.2从步骤2.1的网格中选择具有一个温度自由度的温度场单元，在温度场单元中定义材料的热物性参数(包括密度、比热、热传导率)，并在焊缝轮廓线以内的焊缝区域加载平均热流密度，获得瞬态温度场以及温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度。

步骤3：应力场求解：采取间接耦合方法，经历单元转换、力物性参数、约束及温度场加载等过程，求解出瞬态应力和变形分布结果。

3.1从步骤2.1的网格中选择具有三个位移自由度的应力场单元，

3.2在应力场单元中定义材料的力学物性参数，在三维几何模型中定义避免发生刚性位移的几何约束。

3.3将温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度加载到对应的应力场单元的各节点上，获得焊接应力和变形。

下面结合高强钢EH36与不锈钢316L异种材料激光焊接过程应力变形数值模拟实例，激光功率4KW，焊接速度1.2m/min，离焦量-5mm，保护气体为氩气1.5m³/h，说明本发明的具体实施过程，参见图2-图6。

1、图像提取与拟合：基于焊缝实际形貌，采取图像处理方法获得焊缝区与母材区的轮廓线，并进一步拟合成函数曲线。

1.1根据EH36和316L异种材料激光焊接焊缝剖面形貌图，获得焊缝横截面的光学显微图像。

1.2经过图像提取与拟合过程，获得焊缝轮廓线拟合曲线，如图2a、2b所示。

1.3本实施例选取多项式对焊缝轮廓线进行拟合(在其他实施例中，根据焊缝实际形貌，也可以采用样条曲线、最小二乘法等方法进行拟合)。

本实施例的拟合结果为五阶拟合曲线：

f(x)＝a₀+a₁x¹+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵

其中，f(x)为焊缝轮廓曲线在x处的拟合值，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、和a₅均拟合系数，本实施例中焊缝左(EH36)侧和右(316L)侧的具体拟合系数如表1所示。

表1焊缝轮廓曲线拟合函数的拟合系数

2、温度场求解：基于焊缝形貌拟合结果，准确建立焊缝形貌区三维几何模型，并通过单元选择热物性参数、热输入及边界加载等过程，求解出瞬态温度场结果。

2.1根据焊接试样EH36和316L的实际尺寸，结合所获得焊缝轮廓线拟合曲线，建立基于焊缝实际形貌的三维几何模型并进行单元网格划分，如图3所示。本实施例中试样尺寸均为100mm×50mm×4mm。

2.2选择温度场单元，并定义EH36和316L两种材料的热物性参数。在所建立的三维几何模型中的焊缝轮廓线区域内加载平均热流密度。对焊接过程温度场进行求解和后处理，获得瞬态温度场，如图4所示。图4表示了焊点的移动与温度变化之间的关系，中心区域为焊点位置，温度最高；右侧刚刚焊接过，温度逐渐降低；左侧暂未开始焊接，而上下两侧焊接过程中基本不受影响，故左侧及上下两侧温度最低。

3、应力场求解：采取间接耦合方法，经历单元转换、力物性参数、约束及温度场加载等过程，求解出瞬态应力和变形分布结果。

3.1在本实施例中，直接将温度场单元转换为应力场单元，并定义EH36和316L两种材料的力学物性参数。

3.2选择三维几何模型的几何约束方法，避免三维几何模型发生刚性位移。该几何约束方法可以参照一般夹具的固定原理设定，例如，为三维几何模型设置三个位移方向上的几何约束。

3.3将每个时间增量步内的各节点温度加载到对应节点上。对焊接过程应力进行求解和后处理，获得焊接后的沿厚度方向变形和残余应力，如图5和图6a～6c所示。图5中，厚度方向的变形从图示的上下两端向中间区域逐渐降低；图6a～6c中，残余应力从图示上下两端向中间逐渐增加。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于焊缝实际形貌获得焊缝图像，从中提取焊缝区与母材区交界处的轮廓线，并将该交界处的轮廓线拟合成函数曲线；

步骤2：基于步骤1得到的函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；包括如下子步骤：

2.1根据焊接试样实际尺寸和焊缝轮廓线拟合函数，构建焊缝形貌的三维几何模型，并划分单元网格；

2.2从步骤2.1的单元网格中选择具有一个温度自由度的温度场单元，在温度场单元中定义材料的热物性参数，并在焊缝轮廓线以内的焊缝区域加载平均热流密度，获得瞬态温度场以及温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度；

步骤3：从步骤2建立的三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布；包括如下子步骤：

3.1从步骤2.1的网格中选择具有三个位移自由度的应力场单元；

3.2在步骤3.1的应力场单元中定义材料的力学物性参数，在三维几何模型中定义避免发生刚性位移的几何约束；

3.3将温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度加载到对应的应力场单元的各节点上，获得焊接过程的瞬态应力和变形分布。

2.如权利要求1所述的一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法，其特征在于，步骤1包括如下子步骤：

1.1根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像；

1.2对步骤1.1获得的光学显微图像依次进行灰度处理、分割、中值滤波、二值化，提取到焊缝区与母材区交界处的轮廓线；

1.3从多项式、样条曲线、最小二乘法中任选一种对步骤1.2获得的轮廓线进行拟合，获得焊缝轮廓线的拟合函数。

3.一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测系统，其特征在于，包括图像提取与拟合模块、温度场求解模块以及应力场求解模块；

图像提取与拟合模块用于从焊缝图像中提取焊缝区与母材区交界处的轮廓线，并将该交界处的轮廓线拟合成函数曲线；

温度场求解模块用于根据图像提取与拟合模块得到的函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；温度场求解模块包括三维建模子模块和瞬态温度场求解子模块；

三维建模子模块用于根据焊接试样实际尺寸和焊缝轮廓线拟合函数，构建焊缝形貌的三维几何模型，并划分单元网格；

瞬态温度场求解子模块用于从三维建模子模块划分的单元网格中选择具有一个温度自由度的温度场单元，在温度场单元中定义材料的热物性参数，并在焊缝轮廓线以内的焊缝区域加载平均热流密度，获得瞬态温度场以及温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度；

应力场求解模块用于从温度场求解模块建立的三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布；应力场求解模块包括应力场单元划分子模块、几何约束子模块以及瞬态应力变形计算子模块；

应力场单元划分子模块用于从三维建模子模块划分的单元网格中选择具有三个位移自由度的应力场单元；

几何约束子模块用于在应力场单元划分子模块选择的应力场单元中定义材料的力学物性参数，在三维几何模型中定义避免发生刚性位移的几何约束；

瞬态应力变形计算子模块用于将温度场单元在每个时间增量步内的各节点温度加载到对应的应力场单元的各节点上，获得焊接过程的瞬态应力和变形分布。

4.如权利要求3所述的一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测系统，其特征在于，图像提取与拟合模块包括光学显微子模块、轮廓提取子模块以及函数拟合子模块；

光学显微子模块用于根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像；

轮廓提取子模块用于对光学显微子模块获得的光学显微图像依次进行灰度处理、分割、中值滤波、二值化，提取到焊缝区与母材区交界处的轮廓线；

函数拟合子模块用于按照多项式、样条曲线、最小二乘法中的任意一种对轮廓提取子模块获得的轮廓线进行拟合，获得焊缝轮廓线的拟合函数。