数字散斑DIC技术用于金属薄板焊接变形全场动态监测与工艺优化

在汽车、飞机、轮船等精密制造领域，金属薄壁材料在焊接高温下的力学性能研究，是保证焊接产品加工精度、外部形状和结构性能的关键，是工业生产中迫切需要解决的问题。传统接触式测量（千分表、应变片）无法捕捉瞬态热变形全过程，无法获得全场应变结果。且焊接工艺参数的优化，需依赖全场变形动态测量数据支撑。

新拓三维DIC高温金属薄板焊接变形测量解决方案，采用数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC），通过克服高温条件下热辐射、热流扰动和散斑质量劣化等导致的图像“退相关”，成功运用于材料高温焊接变形测量，分析焊接件的应力变化规律，从而达到预警的目的，提出合理的判断依据，保证焊接件的生产加工质量。

数字图像相关DIC技术在在常温条件的运用运来越广泛，测量技术越来越趋于成熟，能成功地测量出各种物体常温下的变形，但是在高温焊接变形测量时，测量随着温度的升高，需克服高温干扰，以提升测量数据的可靠性。

DIC技术在测量金属材料焊接高温下的变形，需解决以下技术难点：

1、耐高温散斑图像制备。高温焊接会损坏材料表面特征， 使其散斑图像在匹配过程中计算失效，需制备一种耐高温散斑图案；

2、焊接环境抗干扰以及图像降噪问题。焊接弧光、补光光源局部反光、热辐射等均对散斑图像造成质量影响，从而导致计算偏差。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过耐高温散斑制备，匹配算法的改进等措施，保证运用于高温环境焊接变形测量时的测量精度和数据可靠性。

1、通过制备耐高温散斑，克服“弱相关” 现象效果最佳的耐高温数字散斑。

2、根据焊接测量需求，采用不同波段的滤波片，设计焊接支架/挡板，以有效降低焊接环境的干扰。

3、XTDIC三维全场应变测量系统采用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。

4、对于焊点区域散斑的质量降低，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正常匹配，将精度损失降到最低。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统配置介绍：

硬件：两台高速CMOS相机、高功率LED散斑光源、红外滤波片（消除焊接弧光干扰）。

软件：DIC软件实时图像采集与三维位移计算算法（亚像素精度0.01像素）。

方法：在薄板表面喷涂高对比度散斑图案，通过跟踪散斑子区的运动，计算全场三维位移与应变场。

金属薄板高温焊接变形测量

1、制斑

在被测样品表面上喷涂耐高温哑光喷漆，形成白色底色，然后再喷涂耐高温哑光黑自喷漆形成斑点图案，如下图所示：

2、DIC设备架设与调试

XTDIC三维全场应变测量系统安装于焊接实验台下方，调节DIC系统相机镜头的焦距及光圈，保证相机图像清晰亮度均匀，并标定DIC系统相机的内外参数。如图例所示：

3、图像采集获取

准备就绪后，完成焊接加冷却整个过程图像的获取。如图为焊接时现场图像。

4、焊接应变结果分析

在XTDIC三维全场应变测量系统软件中，点击执行计算，即可实现图片数据的自动处理，分析金属薄板焊接过程以及冷却后马鞍形全场位移云图。在DIC软件中选取关键点，可获取其位移数据信息曲线。

热膨胀阶段

焊缝区云图特征：在高温热输入下，熔池中心区域呈现亮红色（Z向正位移极值区），位移量由中心向边缘梯度递减。

典型现象：以焊缝为对称轴形成椭圆形隆起，中心最大位移达+1.7mm，云图呈"火山口"状热膨胀形态。

凝固收缩阶段

云图色彩反转：熔池中心由红→蓝急剧转变（位移值从+1.7mm骤降至-0.6mm），表明液态金属凝固引发纵向收缩。

两侧热影响区出现对称红色条带，预示翘曲起始。

冷却稳定阶段

马鞍形屈曲模态成形：

四角区域：持续显示红色，云图呈"岛状"高亮区

板中心区域：深蓝色覆盖

过渡区：红→蓝渐变带沿对角线延伸，形成典型双曲抛物面拓扑结构

采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可实现高精度的全场变形测量，包括二维或三维位移场和应变场，尤其适用于动态过程的跟踪，如振动、冲击或疲劳试验。此外，它采用非接触测量，避免了传统应变片等接触式方法对试样的干扰，特别适合柔软、高温或易损材料。

DIC技术测量精度极高，位移分辨率可达亚像素级。环境适应性较强，可用于室外或极端环境下的测试。它能够提供全场可视化数据，直观显示变形集中区域，如裂纹萌生位置，帮助研究人员快速定位问题。

然而，DIC测量也存在一定的误差来源，包括相机标定偏差、环境光照变化、振动干扰以及算法本身的局限性。为提高精度，需优化散斑质量、改进标定方法，并采用更先进的图像处理算法。随着DIC技算法的改进优化，提升了匹配效率和精度，多技术融合扩展了其在多物理场测量中的应用。

相较于传统应变片或激光干涉仪，DIC技术在提供全场数据方面具有明显优势，但在某些高频或超高精度场景下仍需结合其他技术。未来，DIC将进一步向实时化、智能化方向发展，并与其他测量手段深度融合，以满足更复杂的工程和科研需求。