王曉光， 劉 柯， 郭天茂， 鮑晨興， 王鍇磊

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引 言

焊接加工方法在航空、航天、船舶等大型裝備制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，但是在焊接過(guò)程中由于溫度分布不均勻，導(dǎo)致焊接件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊接件的強(qiáng)度、剛度影響較大，因此，對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量具有極高的研究?jī)r(jià)值。

目前對(duì)于殘余應(yīng)力測(cè)量通常采用鉆孔法[1-3]、X射線法[4]、中子衍射法[5]。鉆孔法具有成本低，測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，但是該方法只能實(shí)現(xiàn)鉆孔處應(yīng)力測(cè)量，并且測(cè)量精度低。X射線法是目前實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用最為廣泛的一種殘余應(yīng)力測(cè)量方法，但是該方法受X射線穿透范圍的影響，只能測(cè)量被測(cè)件表層殘余應(yīng)力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)被測(cè)件內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)量。中子衍射法能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)件內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)量，但是該方法使用成本極高，難以普及。

輪廓法[6]是一種近些年提出的一種殘余應(yīng)力測(cè)量方法，該方法由于測(cè)量成本低，并且能實(shí)現(xiàn)整個(gè)被測(cè)件切割面殘余應(yīng)力測(cè)量，因此得到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，針對(duì)輪廓法的研究都是基于三坐標(biāo)機(jī)展開(kāi)，但是，由于采用三坐標(biāo)機(jī)對(duì)切割面的測(cè)量過(guò)程是逐點(diǎn)測(cè)量，因此測(cè)量效率較低、測(cè)點(diǎn)少，另一方面，由于切割面邊緣處較為鋒利，為了防止將三坐標(biāo)機(jī)測(cè)頭劃傷，無(wú)法測(cè)量得到切割面邊緣數(shù)據(jù)。因此，本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于高精度光柵掃描的輪廓法，采用光柵掃描對(duì)切割面輪廓進(jìn)行測(cè)量，2 s以?xún)?nèi)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)切割面輪廓數(shù)據(jù)采集，并且測(cè)點(diǎn)數(shù)量可以達(dá)到十萬(wàn)量級(jí)，效率極高，另外，該方法是一種非接觸的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)切割面輪廓邊緣處數(shù)據(jù)采集，優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)，本文針對(duì)光柵掃描測(cè)得的海量數(shù)據(jù)，提出了一種相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，有效地提取出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 基于光柵掃描的輪廓法測(cè)量技術(shù)

1.1 輪廓法基本原理

輪廓法基本理論為圣維南疊加原理[7]，假設(shè)在切割面處存在應(yīng)力σx(y)，既有拉應(yīng)力的存在，又有壓應(yīng)力的存在，如圖1（a）所示。沿該截面將被測(cè)件切割成兩部分之后，由于該截面應(yīng)力釋放，導(dǎo)致截面處產(chǎn)生變形，被測(cè)件應(yīng)力重新分布，如圖1（b）所示。將截面輪廓變形測(cè)量出來(lái)，并反向施加到截面上，可將其推算到原始平面狀態(tài)，如圖1（c）所示。因此，A狀態(tài)應(yīng)力等于B狀態(tài)應(yīng)力與C狀態(tài)應(yīng)力之和。

圖1 輪廓法原理

1.2 基于光柵掃描測(cè)量的輪廓法

基于光柵掃描測(cè)量的輪廓法主要包括板材處理與高精度光柵掃描測(cè)量、輪廓節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)提取、切割面應(yīng)力重構(gòu)三部分研究?jī)?nèi)容，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 基于光柵掃描的輪廓法技術(shù)路線

1.2.1 板材處理與高精度光柵掃描

為了防止被測(cè)件在焊接前存在應(yīng)力對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，對(duì)該被測(cè)件進(jìn)行退火處理。退火處理后，采用TIG焊接方式使Q235板材產(chǎn)生熱應(yīng)力，板材尺寸與焊縫位置如圖3所示。為了防止切割過(guò)程對(duì)板材殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，采用慢走絲線切割的方式對(duì)其進(jìn)行切割。采用高精度光柵掃描儀對(duì)切割面輪廓進(jìn)行測(cè)量，光柵掃描儀參數(shù)如表1所示，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖3 Q235板材尺寸與焊縫位置示意圖（單位：mm）

圖4 光柵掃描測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

表1 高精度光柵掃描儀參數(shù)

1.2.2 輪廓節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)提取

由于光柵掃描法具有測(cè)量效率高、測(cè)點(diǎn)多的優(yōu)點(diǎn)，但是采集到的輪廓數(shù)據(jù)包含一定數(shù)量的噪點(diǎn)，從密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出輪廓法計(jì)算時(shí)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較為困難，本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種適用于光柵掃描測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方法。該數(shù)據(jù)處理方法包括輪廓點(diǎn)云的去噪與平滑[8-9]、擬合與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取、輪廓節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)取均值三個(gè)關(guān)鍵步驟。將焊接板材切割開(kāi)之后形成兩個(gè)切割面輪廓，分別稱(chēng)為A面和B面，通過(guò)兩面數(shù)據(jù)取平均可以減少測(cè)量誤差。采用光柵掃描測(cè)量得到的A面與B面原始數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 光柵掃描原始數(shù)據(jù)

光柵掃描測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)密度極高，可以達(dá)到0.05 mm，并且原始數(shù)據(jù)存在一定的噪點(diǎn)，因此，需要對(duì)測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪與平滑處理，以免出現(xiàn)應(yīng)力集中。并且在本文中設(shè)計(jì)的有限元模型節(jié)點(diǎn)間距為1 mm，因此需要對(duì)截面輪廓點(diǎn)云進(jìn)行擬合、插值處理，最終提取出有效的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑、擬合、插值處理后，得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 光柵掃描節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

分別取A面與B面寬度方向中線數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理前與數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，平滑度較數(shù)據(jù)處理之前大幅提升，并且A面與B面數(shù)據(jù)具有良好的對(duì)稱(chēng)性，可以滿足后續(xù)應(yīng)力計(jì)算的要求。

圖7 數(shù)據(jù)處理前后對(duì)比

在線切割、掃描測(cè)量、數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過(guò)程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生一些誤差，對(duì)被測(cè)件應(yīng)力重構(gòu)的準(zhǔn)確度帶來(lái)一定的影響，本文為了提高測(cè)量精度，將A面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)與B面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)求取平均值作為最終切割面輪廓測(cè)量結(jié)果，平均結(jié)果如圖8所示。

圖8 平均輪廓

1.2.3 切割面應(yīng)力重構(gòu)

根據(jù)板材尺寸在ANSYS中建立有限元模型，模型尺寸為 150 mm×200 mm×15.5 mm，如圖 9 所示。切割面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距1 mm。將切割面輪廓節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為位移邊界條件施加到有限元模型節(jié)點(diǎn)，反解出切割面應(yīng)力云圖，如圖10所示。

圖9 ANSYS有限元模型

圖10 光柵掃描切割面應(yīng)力云圖

2 精度論證

目前，基于三坐標(biāo)機(jī)的輪廓法得到了廣泛的研究與認(rèn)可，因此將本文基于光柵掃描的輪廓法與基于三坐標(biāo)機(jī)的輪廓法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以有效地驗(yàn)證本文方法的有效性與合理性。

采用高精度三坐標(biāo)機(jī)對(duì)截面輪廓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)間距1 mm，人工采集時(shí)間30 min，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。將A面數(shù)據(jù)與B面數(shù)據(jù)取平均，結(jié)果如圖12所示，最終得到的測(cè)量結(jié)果如圖13所示。

圖11 三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

圖12 三坐標(biāo)測(cè)量平均輪廓

從圖10和圖13可以看到兩個(gè)結(jié)果趨勢(shì)接近，從測(cè)量結(jié)果截取三條線進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證本文方法的有效性，截線位置如圖14所示，對(duì)比結(jié)果如圖15所示。從圖中可知，兩種方法結(jié)果殘余應(yīng)力趨勢(shì)一致，殘余應(yīng)力值相差不大，偏差值在50 MPa以?xún)?nèi)，可以滿足應(yīng)力測(cè)量的需求，充分證明了本文方法的有效性。造成兩種方法存在偏差的原因是多方面的，主要包括：板材初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響，線切割加工的影響，測(cè)量過(guò)程中環(huán)境光照強(qiáng)度的影響，切割面表面明暗強(qiáng)弱的影響等。在測(cè)量過(guò)程中需要合理地控制上述影響測(cè)量精度的因素。

圖13 三坐標(biāo)切割面應(yīng)力云圖

圖14 截線位置

圖15 截線位置數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

1）提出了一種基于光柵掃描的輪廓法，有效地提升了測(cè)量效率。采用光柵掃描方法對(duì)板材切割面輪廓進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于采用三坐標(biāo)機(jī)對(duì)切割面輪廓進(jìn)行測(cè)量，可以將測(cè)量周期由30 min提升到2 s，測(cè)量效率大幅提高。

2）提出了一種適用于基于光柵掃描的輪廓法的數(shù)據(jù)處理方法，有效地從密集點(diǎn)云中精確地提取出節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，保證了殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）開(kāi)展了精度論證實(shí)驗(yàn)，從對(duì)比結(jié)果可以得出，基于光柵掃描的輪廓法與基于三坐標(biāo)的輪廓法測(cè)量Q235板材焊接殘余應(yīng)力，二者最大偏差值在50 MPa以?xún)?nèi)，證明了本文方法的有效性。