数字图像相关DIC技术用于机械臂自动化焊接全场变形测量

焊接机器人因其固定的运行程序，焊接过程稳定，焊缝成形美观，质量可靠，焊后打磨量较小，大幅降低车间劳动强度。然而，由于与焊接工艺、载荷、边界条件、材料性质和本构关系相关的不确定性，使用数值方法评估高温焊接变形不够准确，对精确焊接变形测量的需求日益增加。

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，对结构件焊接过程中的图像采集分析，可以获得整个焊接区域的全场应变数据，关键点位移数据及主/次应变方向。测试数据可以针对性地对焊接工艺、夹具和辅助装置、零件尺寸等进行有效调整，减轻焊接残余变形的影响。同时通过测试数据的积累，有助于自动化焊接工艺优化，进一步提升焊接产品质量。

在焊接变形测试实验中，XTDIC三维全场应变测量系统以其独特的非接触、高精度、环境适应性、全场测量等优势，展现了其在焊接变形测试中的巨大潜力。相较于传统的应变测量方法，DIC技术能够捕捉到更为微观、全面的焊接变形情况，避免了传统方法可能遗漏的细微应变变化。

高温焊接变形测量的难题

采用有效可靠的测量方法，分析试板在自动化焊接过程中的动态变形，分析影响焊接变形的因素，并寻求在焊接过程中控制焊接变形的方法具有重要意义。

采用数值模拟方法预测焊接件的焊接变形和应变，一般忽略焊接时的复杂因素，比如焊接变形机理的复杂性、高温时材料参数的难以测定性等，预测结果一般与实验结果相差较大。

在实验测量方面，采用接触式传感器如应变计、位移传感器等传统的测量方法，不能测量焊接件表面整体的变形场。

在焊缝区域这种高温短时环境下，变形的速度较快，变形量较大，接触式测量设备需要耐高温，测头的位置不能阻挡焊枪轨迹，因此，难以充分接近焊缝区域，故这种方法使用受限。

DIC技术用于焊接变形测量

DIC技术可实现焊接变形的快速、准确测量，是评价控制和调整焊接变形效果的理想变形监测方法，DIC技术能够生成试样表面细致的应变场分布图，特别是在焊接接头等关键部位，清晰展示出局部应变集中的情况，在焊接变形领域具有明显的应用优势。

非接触式测量：在高温焊接等或形变复杂的试验中，非接触式测量显得尤为重要。DIC技术通过捕捉焊接机表面的散斑特征图像，无需物理接触即可完成测量，保证实验数据的准确性和一致性。

实时变形监测：在焊接测试过程中，DIC技术能够实时追踪试样的形变情况。通过分析应变集中区域，研究人员可以迅速调整测试参数，优化实验设计。这种实时变形监测能力，可大大提升试验的效率和准确性。

高温弱相关环境下图像的匹配

在板件焊接过程中，焊枪产生的亮点使焊接散斑图像光照不均匀，焊接高温环境的产生的亮度不均和散斑变色将阻碍散斑的正常匹配。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，DIC软件通过在高温弱相关环境下的匹配算法，对原始图像采用高斯平滑滤波处理，抑制服从正态分布的噪声，增强图像对比度，实现相关计算时图像子区的成功匹配。

采用高斯平滑处理的前后图像对比

对应焊点区域散斑的质量降低，仍不利于图像的相关计算。由于相邻状态变形的连续性，DIC软件采用分步匹配算法，基于相邻弱相关图像的相似性，在图像序列中自动建立基准，采用分段自适应建立基准的方法保证相关图像能够正常匹配，将精度损失降到最低。

焊接变形实验数据分析

通过DIC技术获取的应变场数据显示，在焊接过程中，焊接变形主要是由于不均匀温度场导致热源周围的金属运动产生的。

在焊接过程中，接近热源位置的金属温度较高而迅速膨胀，以热源为中心，距离热源越远的位置热影响越小，产生的热变形越小，因此，板件自外向内产生挤压作用；同样，当热源离开时，该区域的温度降低，开始收缩，远离热源的区域对它又产生拉伸作用。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统在焊接变形测量领域的应用，可克服焊接高温、高亮现象对采集图像的干扰，全面获取板件试样焊接过程的全场应变数据，分析焊接机械臂的焊接均匀性和焊接质量，从而为焊接工艺优化和材料改进提供可靠依据。