激光散斑照相法测量不同金属材料焊接部位的热位移

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1、激光散斑照相法测量不同金属材料焊接部位的热位移张景超　丁喜峰　　（燕山大学数理系，秦皇岛　066004）　　提要：本文用激光散斑照相法对不同金属材料焊接件在不同温度区间产生的热位移进行了实测，得到焊接部位的热位移随温度的升高而增大，其热应变及热应力亦随温度的升高而增大，且与理论中的分析相符。关键词：激光散斑，焊接，热位移，热应变1　引言　　金属材料的焊接过程是一种局部加热和冷却的过程。加热时金属膨胀，而冷却和凝固时金属收缩。由于这种膨胀和收缩都是在极复杂的局部应变状态下进行的，因而使金属焊接部位产生复杂的应力和变形。本文用激光散斑照相法分别对不同材料焊接件在不同

2、温度区间产生的热位移进行了实测，又从理论上找到焊接件的热应变随温度变化的关系，实验结果与理论分析的结论是相符的。2　检测原理　　用激光照射被测物体漫反射表面，形成空间散斑场。在被测物体变形前和变形后进行两次曝光，即将两个散斑场记录在同一张底片上，得到双曝光散斑图。将记录了物体位移信息的双曝光散斑图经显影，定影之后，放在如图1所示的光路中，用激光束照射在双曝光散斑图上，照射点与物体表面的一个微小区域相对应。假设物体移动，把这个小区域叫准平移区，若物体变形前后某个准平移区的位移为d，则在双曝光底片上，对应的那个小区域内，两组散斑之间就相应地移动了　　ζ＝Md（1）其

3、中M为透镜的放大倍数。这样，第一次曝光的散斑图的每个散斑与第二次曝光的散斑图相对应的散斑，一一组成对偶，这些成对的散斑的方向一致，孔距基本相等，在激光束照射下，产生同样的双孔衍射干涉，在屏幕上形成有规律的等间距平行条纹－杨氏条纹。杨氏条纹方向与双孔方向垂直,杨氏条纹之间距离与双孔之间距离成反比，即　　δ＝λL／ζ（2）将（1）式代入（2）式得到物体对应点表面位移与杨氏条纹间距的关系：　　d＝λL／δM（3）式中，λ为激光光波波长，L为散斑图到屏幕之间距离。由上式可将物体表面被测点的位移大小计算出来。位移方向与杨氏条纹垂直。3　实验装置及方法　　实验装置如图2所示

4、，在全息台上，将一块焊接钢板（被测焊接件是一块长73mm，宽50mm，厚3mm的低碳钢和一块长73mm，宽80mm，厚30mm的钛合金钢板用TH－J422焊条，电焊到一起。如图3所示）用一夹具垂直固定，使焊缝处于水平线。接通恒温加热电炉，加热焊接件，使焊接件上的温度达到预定值，使其处于稳定状态，记录温度值。将全息干板置于聚焦透镜的成像位置处，进行一次曝光，然后停止加热，使焊接件自然降温，降至室温时再进行一次曝光，两次曝光的时间应该相同，将这张曝光两次的全息干板经显影、定影处理后，即得到一张焊接件由某一高温降至室温时的位移散斑图。将此位移散斑图置于图1所示的光路中

5、，在屏幕上显示出杨氏条纹图。图4为各个不同温度区间的杨氏条纹图。4　实验结果与分析　　测出图3所示的杨氏条纹间距，由相应的公式（3）计算出焊接点在不同温度区间的热位移，表1给出了低碳钢与钛合金焊接部位的杨氏条纹间距和温度的关系。图5绘出了低碳钢与钛合金焊接部位实测位移－温度曲线。从曲线上可以看出，随着温度的升高，焊接点的热位移越来越大，表明其热应变和热应力也随温度的升高越来越大。　　钛合金钢板的力学性能是强度高，焊接性能好，而低碳钢的强度和焊接性能略差一些。所选用的焊条是TH－J422型，它是一种低强度，高塑性的钛钙型合金。由《工程材料实用手册》查得这种钛钙型合

6、金线膨胀系数与温度的关系如表2所示。　　　　图5画出钛钙型合金的α－t曲线。由热应变与温度的关系　　εT＝α（T－T0）（4）式中α为金属的线膨胀系数，此公式适用于一维应变状态，因为被测焊接钢板为厚度3mm的薄板，所以焊接件被加热的过程可以看作是一维应力状态。由图5及公式（4）通过计算得到图6的钛钙型合金的应变—温度曲线。从曲线上看出，温度越高，应变值越大，应力值也越大。所选用的低碳钢（钢号为A3）为鞍山钢铁公司生产，其强度和焊接性能与钛合金比较要差一些，两者线膨胀系数不同，低碳钢的平均线膨胀系数为13×10－6℃－1，而钛合金的平均线膨胀系数为9×10－6℃－

7、1。因此在同一由低温升至高温的过程中，两种材料膨胀尺寸不一致，即热位移不同，由此而导致在至高温的过程中，两种材料膨胀尺寸不一致，即热位移不同，由此而导致在焊接部位的热应变和热应力也不同，当材料由高温下降到室温的过程中由于两种材料收缩不一致，在焊缝附近可能存留残余应力。因此，在这两种材料的焊接处很容易引起裂纹或断裂，在生产中有时会造成很大的报废。用激光散斑法检测焊接部分的缺陷，有待于进一步的研究。　　　参考文献〔1〕　于美文，光学全息及信息处理．北京：国防工业出版社，1984〔2〕　赵清澄，石沅．实验应力分析．北京：科学出版社，1987〔3〕　F．P．Chiang

8、，R．Anastasi，