CN109186836A - 基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，焊接前的预处理；焊接后，焊接试板进行垂直于焊缝中截面的切割，对切割后的试板进行XJTU‑OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两个平面为切割面A、B；测量点云数据采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度进行初步去噪拟合，得到初次去噪点云；将步骤三得到的初次去噪点云通过MATLAB按照网格大小均值去噪，点与点之间插值出轮廓数据，进而得到切割面A、B拟合轮廓；将XJTU‑OM所测切割面A拟合轮廓进行镜像，然后对两个切割面A、B轮廓进行逐点平均，通过MATLAB生成带有位移偏差的模型，供最终弹性计算使用；应力计算与分析，本发明具有对焊接件残余应力测试具有重要的理论和工程价值的优点。

Description

基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的 方法

技术领域

本发明涉及工程测量残余应力领域，特别涉及基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法。

背景技术

残余应力的测试发展至今，出现了针对不同工况下的数十种测试方法，分为机械(破坏性)测定法和物理(非破坏)测定法，其各自有优缺点。残余应力的破坏性测量基本原理是切除工件一部分材料，残余应力的释放导致切除部位发生变形，测量出该处的应变，并根据胡克定律便可得到其残余应力大小。破坏性方法有盲孔法，切条法，弹性变形法等，其中采用得较多的是小孔法，小孔法凭借着操作简单，适用于测量应力梯度变化较大的焊接构件，并且对构件破坏性小等优点，在近年来得到了普遍采用，已经成为了现场实测的标准方法。非破坏性方法包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等，它们的主要优点是无损检测，精度较高，非破坏性方法使用较多的是X射线衍射法。但这两种常用方法都测量的是表面残余应力，无法测量工件内部残余应力。而其他的内部残余应力测试方法，如逐层剥削法，裂纹柔度法可以测量厚板均匀残余应力分布状态，但对于应力梯度变化较大的焊接残余应力场，则不能准确测量出纵向应力和横向应力梯度，且复杂繁琐，而中子衍射法成本太高，耗时且受限于大尺寸构件。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供提供了基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，该方法操作简单，测试效率高，不受测试件厚度和组织的影响，并能够得到结构件内部残余应力分布，且不受制于应力分布梯度的影响。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其步骤为：

步骤一：焊接前，先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去氧化皮并用丙酮擦洗干净，最后焊接；

步骤二：焊接后，对步骤一中的焊接试板进行垂直于焊缝中截面的切割，对切割后的试板进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两个平面为切割面A、B；

步骤三：将步骤二中得到的测量点云数据采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度进行初步去噪拟合，得到初次去噪点云；

步骤四：将步骤三得到的初次去噪点云通过MATLAB按照网格大小均值去噪，点与点之间插值出轮廓数据，进而得到切割面A、B拟合轮廓；

步骤五：将XJTU-OM所测切割面A拟合轮廓进行镜像，然后对两个切割面A、B轮廓进行逐点平均，通过MATLAB生成带有位移偏差的模型，供最终弹性计算使用；

步骤六：应力计算与分析：将步骤五得到的模型，划分均匀有限元网格，输入待测试板物理参数；将离散化的轮廓按照节点位移加载到切面上，然后在待测试板上任意两个顶点处施加约束，防止其发生刚性移动；选择ANSYS瞬态计算，设置时间分析步，时间为20s，步长为60。

进一步的，所述的步骤二中采用慢走丝线切割机床对焊接后的试板进行垂直于焊缝中截面的切割，慢走丝切割采用200μm直径的铜丝，在去离子水中慢速切割，切割速度为20mm²/min。

进一步的，所述的步骤二中将焊接试板两边夹具约束固定以保证切割过程中铜丝始终垂直于焊缝。

进一步的，所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，进行表面的清理工作，轮廓切面清灰后不需要喷涂显像剂便可以进行直接拍摄。

进一步的，所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，采用八步标定法进行系统拍摄前标定，即要求标定板相对于摄像头的八个方位依次进行标定。

进一步的，所述的采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度对点云数据进行初步去噪拟合，具体步骤如下：删除A、B面点云的平面孤立点；将A、B平面拍摄得到的基于世界坐标系点云轮廓创建线特征和点特征，线特征与X、Y坐标轴对齐，点特征与坐标原点对齐，即得到所需要建立的三维坐标；对点云创建面特征，基于最小二乘原理，进行平面最佳拟合。

进一步的，所述的步骤四中点与点之间插值采用MATLAB自定义的四格点样条函数内插选项V4计算出结果。

进一步的，所述的步骤五中的模型按照切割后的焊板尺寸建立模型。

进一步的，所述的MATLAB数据处理包括了三方面：点云的找正，计算出点云角度偏差矩阵，其步骤为：A＝(x₀，x₀./x₀)

B＝y₀

R＝inv(A′*A)*A′*B

th＝-arctan(R(1))

x＝x_0.*cos(th)-y_0.*sin(th)

y＝x_0.*sin(th)-y_0.*cos(th)

z＝z₀

对于任意直线y＝kx+b，求出斜率k便可得出偏转角度，对于点云有：

B＝AR

A^TB＝A^TAR

R＝(A^TA)^-1A^TB

即求出了点云需要转正的角度；

转正后的点云按照所需要的数据密度设置网格大小，离散规律化坐标信息，对于固定点X_i，Y_i，求取其网格大小内点云偏差值Z_i的平均值赋给X_i，Y_i，网格大小决定了点云密度，网格越小，点云原始形貌信息表现越充分，但过于细的网格对于去噪效果不太明显，对于求取出的X_i，Y_i与X_i+1，Y_i+1，采用MATLAB自定义的四格点样条函数内插选项V4差值出X_i，Y_i与X_i+1，Y_i+1之间的数值。

本发明的有益效果：

本发明中将三维光学测量技术与轮廓法相结合得到一种全新的残余应力测试方法，轮廓法是近年来正在研究的一种非常适合于复杂的，空间变化较大的内部残余应力测试方法，将其与三维光学测量的原理结合应用于焊接件以达到对残余应力精确高效的测量，对焊接件残余应力测试具有重要的理论和工程价值。

采用慢走丝线切割的原因是，加工过程中是其线电极在运动，而不是工件移动，因此即使线电极发生损耗，也能连续地予以补充，保证切割线的相同，其切割面精度可以满足轮廓法的需求。

附图说明

图1是实验试板尺寸示意图；

图2是用XJTU-OM拍摄得到的堆焊件点云平均轮廓；

图3是加载XJTU-OM平均轮廓计算所得的截面纵向残余应力云图；

图4是用CMM拍摄得到的堆焊件点云平均轮廓；

图5是加载CMM平均轮廓计算所得的截面纵向残余应力云图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

在本实施例中，如图1所示，所用Q235B钢板试件尺寸为300mm×200mm×15.5mm，焊缝总长180mm。实验用逆变直流脉冲TIG焊机WSM—315，焊枪固定在MOTOMAN六轴机器人上以实现自动焊接，采用直径为3.2mm的钍钨极，钨极伸出长度为4mm，钨极尖端距离试板表面3mm，保护气体为纯氩气，焊接过程试板处于无约束状态，可自由变形，焊接电流为220A，焊接电压为17V，焊接速度为15cm/min。

基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其步骤为：

步骤一：焊接前先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去氧化皮并用丙酮擦洗干净，采用TIG不填丝平板堆焊将试板焊透；

步骤二：焊接后，对步骤一中的焊接试板用慢走丝线切割机床对焊件进行垂直于焊缝的中截面切割，实验中将试板两边夹具约束固定以保证切割过程始终垂直于焊缝。采用200μm直径的铜丝，在去离子水中慢速切割，切割速度为20mm²/min；对切割后的试板进行XJTU-OM拍摄，采用八步标定法进行系统拍摄前标定，即标定时分别要求标定板相对于摄像头的八个方位依次进行标定。当完成第八步标定后，计算机界面上会显示出采集测到的所有标定图像，并且几秒内就可以计算出标定偏差，偏差越小，表示标定结果越准确，本实验标定偏差要求小于0.05；依次打开XJTU-OM测量软件、高速摄像机和投影灯泡，调整好焦距及亮度开始进行扫描，扫描头便会依次投影数幅结构光到物体上，并在瞬间自动计算出测量点云，将点云数据导出即完成扫描测试；切割后的两个平面为切割面A、B，切割面A得到374857个数据点，切割面B得到438788个数据点；

步骤三：将步骤二中得到的测量点云数据采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度进行初步去噪拟合，得到初次去噪点云：首先是A、B面点云的平面孤立点删除，qualify将A面拍摄得到的基于世界坐标系点云轮廓创建线特征和点特征，然后对齐到全局。焊缝中心线为Y轴，切面底线为X轴。然后对点云创建面特征，进行平面最佳拟合，基于最小二乘原理，计算出两个切割面的3D偏差，此时拟合得到的A、B平面，只是除去了噪声点，基本保留原始点云数据。

经处理后，A面最终有效点云55061个，最大正向偏差75.9μm，最大负向偏差55.2μm。B面最终有效点云55038个，最大正向偏差85.0μm，最大负向偏差57.8μm；

步骤四：将步骤三得到的初次去噪点云通过MATLAB按照网格大小均值去噪，点与点之间插值出轮廓数据，进而得到切割面A、B拟合轮廓：将Geomagic qualify初步拟合得到的点云大致按照有限元网格密度分割，计算出固定节点位置一定区域(小于有限元网格大小)内点云平均值。点与点之间内插函数V4计算出结果。去噪后的A面最终轮廓最大正向偏差47.2，最大负向偏差49.3，B面最终轮廓最大正向偏差62.6，最大负向偏差61.2；

步骤五：将XJTU-OM所测切割面A拟合轮廓进行镜像，然后对两个切割面A、B轮廓进行逐点平均，通过MATLAB生成带有位移偏差的模型，供最终弹性计算使用，平均后的截面轮廓如图2所示，平均后的轮廓最大正向位移54.7μm，最大负向位移49.75μm。

步骤六：应力计算与分析：将步骤五得到的模型，划分均匀有限元网格，输入待测试板物理参数；将离散化的轮廓按照节点位移加载到切面上，然后在待测试板上任意两个顶点处施加约束，防止其发生刚性移动；选择ANSYS瞬态计算，设置时间分析步，时间为20s，步长为60。

通过加载XJTU-OM平均轮廓，计算所得截面纵向残余应力如图3所示，计算得到的最大残余拉应力为294MPa，超过母材屈服强度235MPa，位于焊缝根部附近，最大残余压应力为234MPa，其中焊缝中心为拉应力区，沿中心向两边缘逐渐减小并降为负值，表示边缘处出现压应力区域。图4为三坐标测量仪(CMM)所测得的平均轮廓。加载CMM平均轮廓计算所得截面纵向残余应力如图5所示，计算得到的最大残余拉应力为335MPa，超过母材屈服强度235MPa，位于焊缝根部附近，最大残余压应力为177MPa，位于试板右下角，其中焊缝中心为拉应力区，沿中心向两边缘逐渐减小并降为负值，表示边缘处出现压应力区域。因此，可看出，CMM与XJTU-OM拟合出的平均轮廓较为接近，且二者平板堆焊件的加载变形轮廓，计算所得应力云图从分布趋势和数值量级上都能够保持一致，证明了基于三维光学轮廓法测试焊接结构件残余应力在分布趋势和量级上的准确性及合理性。

Claims (9)

1.基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一：焊接前，先将待测试板进行去应力退火，再将热处理后的待测试板打磨去氧化皮并用丙酮擦洗干净，最后焊接；

步骤二：焊接后，对步骤一中的焊接试板进行垂直于焊缝中截面的切割，对切割后的试板进行XJTU-OM拍摄，得到计算出的测量点云数据；并标记切割后的两个平面为切割面A、B；

步骤三：将步骤二中得到的测量点云数据采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度进行初步去噪拟合，得到初次去噪点云；

步骤四：将步骤三得到的初次去噪点云通过MATLAB按照网格大小均值去噪，点与点之间插值出轮廓数据，进而得到切割面A、B拟合轮廓；

步骤五：将XJTU-OM所测切割面A拟合轮廓进行镜像，然后对两个切割面A、B轮廓进行逐点平均，通过MATLAB生成带有位移偏差的模型，供最终弹性计算使用；

步骤六：应力计算与分析：将步骤五得到的模型，划分均匀有限元网格，输入待测试板物理参数；将离散化的轮廓按照节点位移加载到切面上，然后在待测试板上任意两个顶点处施加约束，防止其发生刚性移动；选择ANSYS瞬态计算，设置时间分析步，时间为20s，步长为60。

2.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤二中采用慢走丝线切割机床对焊接后的试板进行垂直于焊缝中截面的切割，慢走丝切割采用200μm直径的铜丝，在去离子水中慢速切割，切割速度为20mm²/min。

3.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤二中将焊接试板两边夹具约束固定以保证切割过程中铜丝始终垂直于焊缝。

4.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，进行表面的清理工作，轮廓切面清灰后不需要喷涂显像剂便可以进行直接拍摄。

5.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤二中XJTU-OM拍摄之前，采用八步标定法进行系统拍摄前标定，即要求标定板相对于摄像头的八个方位依次进行标定。

6.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的采用Geomagic qualify挤压扫描数据带宽度对点云数据进行初步去噪拟合，具体步骤如下：删除A、B面点云的平面孤立点；将A、B平面拍摄得到的基于世界坐标系点云轮廓创建线特征和点特征，线特征与X、Y坐标轴对齐，点特征与坐标原点对齐，即得到所需要建立的三维坐标；对点云创建面特征，基于最小二乘原理，进行平面最佳拟合。

7.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤四中点与点之间插值采用MATLAB自定义的四格点样条函数内插选项V4计算出结果。

8.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的步骤五中的模型按照切割后的焊板尺寸建立模型。

9.根据权利要求1所述的基于三维光学测量技术和轮廓法测试焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述的MATLAB数据处理主要包括了三方面：点云的找正，计算出点云角度偏差矩阵，其步骤为：

A＝(x₀，x₀./x₀)

B＝y₀

R＝inv(A′*A)*A′*B

th＝-arctan(R(1))

x＝x_0.*cos(th)-y_0.*sin(th)

y＝x_0.*sin(th)-y_0.*cos(th)

z＝z₀

对于任意直线y＝kx+b，求出斜率k便可得出偏转角度，对于点云有：

B＝AR

A^TB＝A^TAR

R＝(A^TA)^-1A^TB

即求出了点云需要转正的角度；

转正后的点云按照所需要的数据密度设置网格大小，离散规律化坐标信息，对于固定点X_i，Y_i，求取其网格大小内点云偏差值Z_i的平均值赋给X_i，Y_i，网格大小决定了点云密度，网格越小，点云原始形貌信息表现越充分，但过于细的网格对于去噪效果不太明显，对于求取出的X_i，Y_i与X_i+1，Y_i+1，采用MATLAB自定义的四格点样条函数内插选项V4差值出X_i，Y_i与X_i+1，Y_i+1之间的数值。