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使用激光對DIC技術的應用前景

鋁合金激光焊接有廣闊的應用前景,但是鋁合金變形大,焊接變形影響了結構的承載能力和結構的精密性,尤其對薄板精密結構將造成非常嚴重的后果。焊接變形的檢測和控制是一個非常重要的研究方向。國內外很多學者采用有限元法對焊接變形進行研究。目前用于檢測熱加工工件生產變形和應力應變的種類有很多。對于焊后變形的非接觸全場測量,三維激光掃描儀對焊后變形可以精確的測量,但是操作復雜。下面光纖激光打標機小編為您帶來DIC技術的測量結果評估

鋁合金激光焊接技術

數字圖像相關技術是一種對變形場和應變場進行非接觸測量分析的光學系統,稱為數字圖像相關技術(digital image correlation technique DIC)。Strycker 等人在2011年第一次使用DIC技術測量弧焊過程中的焊接變形。試驗結果表明DIC技術的測量結果與應變片的測量結果具有很強的一致性,表現出很高的準確性,由此證明了DIC技術應用于焊接過程的可行性。

文中是首次將數字圖像相關技術應用到測量5052鋁合金薄板激光焊接變形中,具有一定的創新性。

1 實驗方法

試驗材料選擇5052鋁合金板材。5052鋁合金屬于5XXX系列的鋁合金,Mg元素是唯一的合金強化元素,含量在2.2% ~ 2.8%之間。該合金具有良好的耐腐蝕性、易加工性、焊接性等優良特性,其強度屬于中等強度合金。薄板尺寸為150mm×100mm×1.5mm。
使用的激光器為JK2003SM連續Nd YAG激光器2.0kW。操作臺為TDJG-1多軸數控激光操作機床。圖像采集設備為MV-D1024E-40型號CCD工業相機,在采集過程中焦距采用3.5f光圈選擇最大;分辨率為1024像素×1024像素;圖像采集幀頻分別為5幀/s,兩個相機分別為USB插口和Camera Link Base插口。濾光片為615nm,帶寬20nm,圖片分析采用VIC-3D軟件。
將5052鋁合金薄板進行打磨、清洗去除油污、腐蝕去除氧化膜、制作均勻隨機、各向異性的散斑。

2 對焊接變形的檢測

2.1 檢測不同焊接參數下的激光焊接的變形量
2.1.1 相關焊接參數
為了研究焊接參數對薄板變形量的影響,選擇了待測區域和待測直線進行研究,表1為試驗過程中采用的焊接參數。
2.1.2 不同焊接參數下的實驗結果與分析
不同激光功率下計算分析得到的三維云圖,可以看出在不同的激光功率下薄板變形呈現中間凹陷,兩邊翹起的變形形狀。經計算分析得到的待測直線上的變形量曲線,在沿著焊縫方向,由焊接起始點開始,各點變形量逐漸減小并且由正向變形向負向變形變化,在距起始點40~ 60mm之間,變形量幾乎保持不變,隨著激光功率的增加,點的變形量增加。
為不同焊接速度下計算分析得到的三維云圖,可以看出在不同焊接速度下薄板變形呈現中間凹陷,兩邊翹起的變形形狀。經計算分析得到的待測直線上的變形量曲線,在沿著焊縫方向,由焊接起始點起始,各點變形量逐漸減小,在距起始點40~60mm之間,變形量幾乎保持不變,而后又逐步增加。隨著焊接速度的增加,瞬時的熱輸入減小,點的焊接變形量逐漸減小。
為不同離焦量下計算分析得到的三維云圖,可以看出在不同的離焦量下薄板變形呈現中間凹陷,兩邊翹起的變形形狀。經計算分析得到的待測直線上的變形量曲線,在沿著焊縫方向,由焊接起始點開始,各點變形量逐漸減小,在距起始點40~60mm之間,變形量保持不變,而后又逐步增加。隨著離焦量由負變為正,點的焊接變形量逐漸減小。
可以看到薄板變形呈現中間凹陷,兩邊翹起的變形形狀。產生這種變形的原因是激光焊接開始時,焊縫局部受熱并且熱源的溫度比較高,在各個方向上都會產生不同的溫度梯度,待測直線的起始點距離熱源最近,在瞬時受熱產生膨脹翹起,由于鋁合金薄板的熱導率高傳熱快,而距離焊縫稍遠的區域溫度也很高,離焊縫越遠的地方溫度會逐漸降低。溫度較高的金屬在膨脹過程中受到溫度較低的周圍區域的限制和約束,不是自由膨脹,反過來周圍區域受到了壓縮應力,超過它的屈服強度,這是中間區域進行下凹的原因,隨著激光熱源的遠離,傳熱在不斷的進行,進行著熱循環,中間區域受到壓縮下凹,同時又給板的另一邊產生拉伸作用,再加上熱量不斷的輸入,最終造成了中間凹陷兩邊翹起的形狀。
2.2 對焊接過程中的焊接變形檢測
對焊接過程全程進行檢測分析,選擇待測點(距離焊縫中心30mm,距上板邊25mm),得到其在焊接過程中的精確變形,圖8為焊接速度4mm/s,離焦量0,功率1200 W下的待測點在焊接過程中變形量隨時間變化的曲線。
可以看到,在激光焊接開始后的前8s內變形急劇上升,8~16s之間幾乎變化不大在0.08mm 左右,只是偶爾的上升下降,在16s后有急速上升直至焊接停止,達到最終變形量0.12mm。產生這些變化趨勢的主要原因是焊接過程中的受熱不均勻加熱膨脹冷卻收縮、薄板的剛度小以及薄板在熱變形過程中各個部分的相互作用和牽制。焊接開始時,熱量從焊縫區域傳遞到待測點,待測點受熱膨脹并且受到周圍溫度相對較低區域和相對較高區域的限制和約束,隨著激光源的移動,傳遞到待測點的熱量也在不斷的變化著,其周圍的區域也在不斷的變化,因此拉伸和壓縮交替進行,變形量會出現微小的上下波動,但是受熱過程在不斷進行,不斷的吸收著熱量,因此總體趨勢呈現上升。在8~16s中,變形量變化不大,主要是激光源運動到焊縫的中間部位,結合圖3變形量曲線分析,在這段時間內熱源的位置正好對應著待測直線的第40~60mm的部分(即變形量變化不大的區域),也就是焊接熱源在這部分區域運動時,板變形量變化是不大的,因此區域間相互作用的結果是使待測點的變形量變化也不大。當激光熱源離開這部分區域,也就是第60mm以后的位置,這時整個板的熱循環又發生變化,各個區域的變形量又隨著焊接熱源的移動而增加,造成焊接待測點的變形量又變化,呈現出急劇增加的趨勢,點變形和區域變形是密不可分的,這也是造成薄板形成中間凹陷兩端翹起的原因。

3 結論

(1) 數字圖像相關技術非接觸測量具有高度準確性,測得的不同焊接參數下的焊接變形量符合隨焊接參數變化的基本規律。
(2) 5052薄板中間位置焊接時焊縫一側的區域呈現中間下凹,兩邊翹起的變形趨勢。
(3) 待測點在焊接過程的變形量總體趨勢在不斷增加,且增加的速率是變化的,隨著激光熱源移動呈現先急劇增加,爾后平緩,最后又急劇增加的趨勢。
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