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作者：

周凯荣

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摘要：

焊接变形是影响焊接质量的重要因素。在焊接过程中,由于热传输的不均匀,造成结构件上的应力分布不均,当温度场产生的应变超过材料的屈服极限,会产生不可恢复的塑形变形。焊接应力应变不仅会造成工艺缺陷,还会影响结构件的服役时长和安全性,焊接中的残余应力会在工件服役期间与外部条件互相影响,造成进一步的变形,带来安全隐患。合理评估焊接过程中产生的应力应变,优化工艺设计以及为结构完整性评估提供数据积累是工程中亟需解决的工程难题。数字图像相关法是一种非接触、全场测量的现代光测技术,适合用于焊接中应变的在线测量。本文基于数字图像相关法,结合有限元分析,开展不锈钢GTAW焊接应变在线测量及表征研究。首先,开发了一套基于辅助光源的焊接应变视觉传感系统。硬件部分通过单片机外部同步触发相机和激光光源,并辅以滤光系统获得高质量的焊接热影响区散斑图像,软件部分基于采集卡和相机API接口开发了软件采集系统。其次,开发了一套基于图像灰度插值、图像子区模板匹配及全场迭代的焊接热影响区散斑图像处理软件DICORR,并基于变形连续性假设,对算法进行了优化,在确保精度同时提高了运算速度。开发了散斑图生成算法,使用散斑图评估DICORR软件的系统误差,获得了散斑图的最优参数,最后根据散斑图最优参数制备了不锈钢散斑工件用于后期GTAW试验和应变实时表征试验。最后,开展304不锈钢TOPTIG工艺试验及焊接热影响区全场高温应变在线测量及表征。首先,结合DIC应变图谱和温度场数据进行有限元模拟,从理论上计算焊接接头的焊接应变动态演变过程,采用用红外相机记录焊接热影响区温度场变化,接下来,通过CMOS高速相机对焊接热影响区的应变-变形情况进行原位测量及表征,并进行了离面位移误差分析,进一步去除Z方向的虚应变,计算出焊接热影响区的真实应变值,最后根据DIC计算结果分析不同焊接电流、不同焊接位置的板材总应变情况,通过304不锈钢热膨胀系数,计算出焊接热影响区的热应变,获取了结构最终的机械应变。

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关键词：

数字图像相关法 有限元模拟 焊接应变 离面位移 散斑图