焊接变形测量方法

!"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*# 阮星谊，包晔峰，石忠贤 /上海交通大学 焊接工程研究所，上海 0111213 摘要：通过分析目前已有的各种变形的测量方法，得出了各种方法的特点和区别，为焊接变形测量 方法的选择提供了依据。 关键词：焊接变形；测量方法；特点与区别 中图分类号：456 文献标识码：7 文章编号：811890212/011:31:911::912 !"#$%&’() *"+,-.$ -/ 0"1.’() ."/-&*#+’-( ;<=> ?’*+@A’，B=C D#@E#*+，F5G H.I*+@J’-* /(#")’*+ ;#K#-&$. G*K%’%L%#，F.-*+.-’ M’-I%I*+ <*’N#&K’%A，F.-*+.-’ 011121，7.’*-3 =OK%&-$%：BA -*-"AP’*+ %.# )’EE#&#*% Q#%.I)K EI& R#")’*+ )#EI&Q-%’I*，’% )#S’$%K %.# )’K%’*+L’K.-O’"’%A -*) %&-’%K，R.’$. IEE#&K %.# K#"#$%’I* EI& Q#%.I)K Q#-KL&’*+ )#EI&Q-%’I*T U#A RI&)K：R#")’*+ )#EI&Q-%’I*；Q#-KL&’*+ Q#%.I)K；)’K%’*+L’K.-O’"’%A V $.-&-$%#&’K%’$ 第 2:卷 第 :期 011:年 :月 WI"T2: >IT: ,-A 011:!"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*# 收稿日期：011X98890Y；修回日期：011:912916 作者简介：阮星谊/8Z6Z—3，男，浙江人，硕士，主要从事焊接 变形测量和控制方面的研究工作。 前言 在焊接过程中，焊缝金属的热胀冷缩都受到周 围金属的拘束而不能自由伸缩，导致工件在焊后存 在残余应力和残余变形。残余变形的存在不仅影响 结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低其承载能 力和机械性能，因此控制和调整焊接变形是十分重 要。对焊接变形进行快速、准确的测量，是评价控制 和调整焊接变形效果的必要手段，同时也可用于验 证焊接变形数值模拟结果的合理程度。因此，国内 外研究者都花费了大量的时间去设计各种方法对 焊接变形进行测量。焊接变形的测量方法大致可以 分为动态测量和静态测量两大类。前者需要在测量 变形的同时对温度加以测量，然后借助于数值计算 得到变形量；后者不需测量温度，可以直接得到变 形量，但是不能实现实时测量。 2 动态测量方法 232 使用应变计测量变形 先在焊件上制定测量基线和测量点，将应变计的 机械底脚固定于测量点，在焊接时测量焊件升温时 产生的应变，读出应变计的数值即得焊接变形量。由 于在焊接的同时进行变形测量，要考虑焊件的温度 上升，所以对应变计底脚必须加以冷却方可以进行 使用，当然对于那些变化缓慢的焊件可以通过不停 的重复卸下装上应变计进行读数。在测量变形的同 时测量测量点温度值，如图 8O中用热电耦，这样就 可以借助数值计算的方法，得出焊接构件的最终变 形量。图 8给出了对焊缝纵向和横向测量的装置图。 图 8 焊缝横向和纵向应变的测量[8，0\ 234 使用传感器和热电耦测量变形 该系统能够直接测量出高温区一点相对于构 件外参考点在焊接过程中的横、纵向位移，得到该 点在焊接过程中的运动轨迹，同时用热电耦测出这 点的温度，经数值计算后得出焊件结构的变形量。 系统装置如图 0 所示，! 点为待测位移点，" 点为热电偶埋点，#、$、%点为螺栓压紧点，焊件用 螺栓压紧。为了同时测量 ! 点的横向与纵向位移，在 ! 点垂直于钢板处点焊螺丝，用专用卡具将一小方 块固定于螺丝上，使其角度符合要求。安装传感器时， 将基准点选择在工作台上，定义坐标方向后，进行 坐标转换，即可得该点横向和纵向位移变化曲线。 通过传感器测量得到 ! 点 &]、’]向位移，经坐 焊接变形测量方法 ::· · !"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*# 电焊机 标变换可得到焊接时 ! 点横向/"方向0和纵向/#方 向0的位移。转换坐标，可得到该点在焊接过程中的 运动轨迹，同时通过热电耦测出 ! 点的温度变化曲 线，最终通过数值计算得到焊接变形123。 动态的焊接变形测量虽然能够实时地测出焊 件的动态变形，对于焊接数值计算有较好的验证效 果，可以充分检验数值计算中的所做假设的合理性。 但是需借助于数值计算的方法才能得到最终的焊 接变形值，其值误差较大，精度较低，不适应于焊接 变形的质量评估。 ! 静态测量方法 焊接变形的静态测量，依据所能测量的焊接变 形种类，可以分为 2类：测量的纵向和横向收缩变 形；测量角变形和纵向挠曲变形；能够测量所有焊 接变形种类的普适方法。 !"# 测量焊件纵向和横向收缩变形的方法 45656 通过固定点重复测量焊接变形 测量系统的示意图如图 2所示，在测量点/可 以多布几个0处打一个标点。在焊接前后，测量标距， 其数值的相应变化即为这个阶段焊接引起焊件变 形。为了提高测量精度，所做标点要越小越好；标距 的测定可用多种方法测定，其精度与所测标点精度 相符。所以这种方法的精度受限于测量点的大小和 测量标距时产生的误差。 45654 采用光干涉法测定焊接变形173 光干涉法的原理如图 7所示。从光源 8发出的 光线经过透镜 9成为平行光人射到平面反射镜 , 上，光线经过 ,垂直射到平镜表面 :，在平镜 :和 块规 ;构成的空气劈尖上下表面所引起的反射光 线将形成相干光，并产生干涉条纹。因此焊件变形前 后，在一定的距离范围 $内干涉条纹的数量也相应 改变，如图 <所示。如采用钠光灯作为光源，钠光波 长已知，这样就可以根抿相应公式计算得到试样的 长度变化量。此方法测量精度极高，但是能测变形量 极小，难以满足实际应用中大变形的测量需要。 图 7 光干涉原理图 图 < 劈尖干涉图 45652 光电变形测量法 图 =显示出了光电变形测量法的光学系统图。 由图可知：具有足够光强的白炽光源照射试样上的 标志，标志通过真空容器窗口的平板玻璃、光管上的 斜方棱镜、物镜系统到分光镜，反射成像在双象限 硅光电池上，透射成像在瞄准分划板上，通过目镜监 测。用两光管分别测量试样上标志和下标志的位移 量，通过电路相减得到标志间的变形量。仪器总量标 志通过物镜放大后成黑色影像落在硅光电池，引起 输出电压变化，再经电子线路放大，由数显表读出 变形量。这种方法精度较高，能测量较大的变形量。 !"! 测量角变形和纵向挠曲变形的方法 45456 使用卷尺和直角尺进行测量 图 4 焊接过程位移测量试验装置示意图 图 2 测量点分布 图 = 光电测量机构的光路图1<3 研究与设计 第 2<卷 <=· · !"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*# 这种方法在实际生产中经常采用，具有使用简 便、快速，不需要任何与焊接相关特殊匹配等优点， 可以粗略地评估焊接变形。图 /所示的纵向挠曲的 测量，可在测量板上用拉线的方法进行0由于线的 下垂，测量要在水平面上进行1。 图 / 挠曲测量 角变形的测量以 2形工件焊接为例，如图 3所示。 用钢板尺、刀口角尺、塞尺测得图中的 !和 "，然后通 过几何公式θ45-&$%+0!!"1得出 2形接头的角变形。 图 3 2形接头变形 !"# 普适的测量方法 56768 使用数码相机099:1测量变形 数码相机099:1测量变形的流程图如图 ;所示。 图 ; 数码相机非接触式测量流程图 采用数码相机099:1对焊件拍摄，并将拍摄到 的数字图片通过计算机上的串行口快速传入计算 机；在计算机上将所得的数字图片经过二值化，提取 出需要的图像区域，以便于运用几何学中的概念进 行分析和描述。 在数字图像中，长度尺寸是以像素点表示，实际 物体长度是以毫米表示，为了找出两者的关系，必须 用已知的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 尺寸做标定，确定已知距离在图像中 的像素数 #与相应尺寸 $0单位：<<1之间的关系。即 %4#!$。 081 在二值化处理图像中，提取出事先标定的测量 点，通过图像处理程序，测出测量点之间的像素 #， 根据式081计算出实际的距离，将其与焊前测量的距 离比较，可算出该焊接结构的残余收缩变形量=/>。 同理该方法也可以检测试件的边缘，经过几何 换算得到试件的角变形和纵向挠曲。该方法的精度 取决于数码相机的像素数的多少和所做记号的大小。 56765 利用双经纬仪测量焊接变形 双经纬仪三坐标测量原理如图 8?所示，通过系 统0经纬仪站点 &、’1的水平距离 ! 和经纬仪关于测 量目标的水平角α&、α’和竖直角β&、β’求出测 量点 (的空间坐标；同理焊接工件表面任何一点的 空间坐标都可以通过这个系统得到，再经过坐标变 换并处理即可得到焊件的各种变形量=3>。此方法通用 性极好，但是手续繁杂，计算量极大，精确度也不高。 图 8? 双经纬仪三坐标测量原理 # 结论 因此在实际应用中，以上方法可能难以完全适 应生产和研究的需要。故需要根据实际要求对焊接 变形的测量方法进行选择和研究，以求更好测量焊 接变形，满足实际生产和研究需要。 参考文献： =8> 拉达伊著 :6焊接热效应=,>6熊弟京，郑朝云，译6北京：机 械工业出版社，8;;/6 =5> 谢兰生，孙良新6飞行器风挡鸟撞击模拟试验中风挡的 变形的测量方法=@>6实验力学，8;;A，8?071：5B7C5B;6 =7> 蔡志鹏，鹿安理，施光凯，等6焊接变形实时测量系统的 建立与应用=@>6机械工程学报，5??8，7/051：B5CBA6 =D> 刘雪松，田锡唐6B?B7铝合金焊件尺寸不稳定性研究=@>6 轻合金加工技术，8;;/，5/08?1：5DC7/6 =A> 董 钊6差动式光电变形测量仪=@>6航空精密制造技术， 8;;A，78081：8AC836 =B> 张铁山，盛 陈，郑力军6大型焊接构件形接头挠曲变形的 试验研究=@>6压力容器及结构件，5???，7?0D1：D;CA?6 =/> 朱援祥，赵学荣，王 勤6数码相机在焊接结构收缩变形 测量中的应用=@>6焊接，5??7，0A1：8BC836 =3> 阎俊霞，张玉风，霍立兴，等6双经纬仪测量系统在测量薄 板结构焊后变形中的应用=@>6焊接，8;;;，0;1：5?C556 研究与设计 阮星谊等：焊接变形测量方法 第 A期 A/· ·