铝合金对接焊缝几何云纹干涉测量法和数字相关方法应变测试研究

　　1　概　述

　　铝合金由于其质量轻、强度高、刚度大、不生锈等诸多的优点在工程中被广泛而大量地使用,如铝合金门窗、铝合金轮毂等以其美观大方、安全舒适等特点博得了工程界越来越多技术人员的青睐;尤其是航空界,更是大量采用了铝合金材料作为航空设备中的母材。但铝合金在工程实际使用中也有其不足之处,特别是铝合金构件的连接,一般的连接采用铆接、螺栓固连、对焊连接等。铝合金焊接有如下缺点:(1)铝合金的导热性较好,焊接时散热较快,焊接电流较大易产生气孔;(2)铝合金加热在由固态转变液态过程中,颜色变化很小,给焊接操作带来困难,容易产生未焊透和未熔合;(3)铝合金的线膨胀系数比钢大2倍,在焊接过程中往往由于过大的收缩内应力而导致焊缝开裂。一般为了保证其焊接的强度,按照规范必须对焊接件进行实际的测试,但由于铝合金材料本身的特点而不同于钢材,一般的材料拉伸试验机只能测量在其标距内的平均应变,而无法准确测量材料拉伸屈服时的大应变。测量应变的方法有很多种,如全息、云纹干涉、散斑计量及数字图像相关等[1]。每一种方法的测量范围和精度都不一样。

    全息方法测量应变对周围的环境要求很高,特别需要防震;散斑计量方法对环境要求较高,但后处理过程复杂;数字散斑相关方法简单,但非实时可见[2];云纹法原理和操作简单,不需防震,可测量大应变,同时对变形测量的定量结果也实时可见,更重要的是可以在实物上进行大应变测量。在实际的工程应用中,根据不同的要求可采用不同的测量方法[3]。根据铝合金对接焊缝的实际情况,为了解决铝合金在屈服时大应变测量的问题,采用一种新的方法,即结合几何云纹干涉法和数字相关方法的优点和特征,用图像处理技术与设备测量铝合金对接焊缝试件在标准规范测试中的应变,其测量误差为±4με。

　　2　数字相关法和几何云纹干涉法相结合测量铝合金对接焊缝试件的理论描述

　　2.1　数字相关方法的测量原理

　　数字相关方法的实质是通过对被测对象原始图像的数字灰度进行数字化处理,实现距离、物体位移或者物体变形的测量。它给定物体变形前后的两个数字灰度场,要求物体变形后的数字灰度场中识别出对应于物体变形前的数字灰度场中的某一子区。该子区的赋值对应原始图像中的灰度值———即能表征物体变形和位移的特点,该子区的位置为对应原始图像中物体的某个位置的坐标值。通过这样的图像处理方法就能实现对物体位移和变形的测量。数字相关测量的方法原理是依赖计算机技术,对原始的图像首先进行数值化处理,得到的数据是整幅图像的坐标和相对应的灰度值,处理的是物体变形前后两个数字化了的具有对应坐标系统的灰度场,它是由一个二维分布的数字灰度(在数学上用数组来表示,即数组中的位置表示图像中对应的x、y的坐标值,数组的赋值代表图像中具有相关性特点的灰度值)组成: