基于图像处理的焊接应力测量方法和系统与流程

本技术属基于焊接，特别涉及一种基于图像处理的焊接应力测量方法和系统。

背景技术：

1、焊接是通过加热或加压，或者两者并用，用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。其实质就是通过适当的物理-化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到晶格距离(0.3～0.5nm)形成金属键，从而使两金属连为一体。与其他加工工艺相比，焊接具有许多优点：生产效率高，生产成本低，接头强度高，加工形式灵活多变，结构简单，致密性好等。因此，焊接广泛应用于机械制造工业：钢铁工业，能源工业，

2、造船工业，汽车工业，航空航天工业，电子工业。

3、焊接过程是金属材料局部加热与冷却的非线性过程。由于局部加热，焊缝和热影响区内产生了极大的温度梯度，受热金属被周围冷却金属阻碍，无法自由热胀冷缩，于是内部产生应力。由于焊接过程中加热和冷却不均匀，母材的内部应力也不均匀，某些部位的内应力超过材料的屈服极限则产生塑性应变。整个焊接过程中塑性应变的积累导致残余应力与焊接变形的产生。

4、一方面，焊接变形会降低焊件的承载能力，影响焊接件所在结构的安全性能。在工作载荷下焊接变形与残余应力引起的附加弯矩和应力集中是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。另一方面，焊接变形会降低结构尺寸精度。零件一级一级装配合拢过程中，焊接变形持续积累，合拢分段的尺寸与原始设计尺寸差异巨大，有时导致装配困难。变形矫正既浪费时间又增加成本。采用加热的方法矫正变形会引起结构材料的脆化，造成低应力破坏。因此精确预测并控制焊接件在焊接过程中的结构变形对于提高焊接质量具有重要意义。

5、现有技术中，钢结构焊接桥梁越来越广泛得到应用，在建造和修复过程中，由于焊接的不均匀性局部加热，钢结构桥梁建造和修补过程中不可避免会产生焊接应力，焊接应力的危害是不言而喻的。焊接应力会导致桥梁中存在安全隐患，所以实测焊接应力的大小非常重要。现有技术中，焊接应力测量，尤其是桥梁金属焊接过程中以及焊接后的应力测量是桥梁安全保证的重要环节。

6、传统应力测量方法设备昂贵操作复杂而且不适应施工现场条件，不能满足施工现场的需要。传统的方法之一是用贴应变片的方法进行测试，测试设备昂贵、现场操作困难。

7、钢结构桥梁建造和修补过程中不可避免会产生焊接应力，焊接应力的危害是不言而喻的。传统的方法是用应贴应变片的方法进行测试，存在测试设备昂贵、现场操作困难的问题。而目前采用的基于图像处理的测量方法，由于内应力较小，测量精度不能满足实测要求。

8、现有技术中，申请号cn202210283531.0申请名称为“基于图像处理的圆棒颈缩形貌尺寸测量方法与系统”的专利申请中，圆棒试件在材料试验机上进行单调拉伸试验，获取试验过程中的图像数据，依据获取的图像数据进行分析。但是这样的方法，毕竟还是基于试件而不是真实的工件，无法对现场的焊接工件进行实际应力的测量。

9、现有技术中，申请号cn202211030653.5申请名称为“一种应力测量方法及应力测量装置”中，基于光纤与熔融部位的耦合，通过光纤的光学指标检测获取耦合部的应力，光纤的布局设置和耦合过程复杂，在工况复杂的情况下也难以实施。

10、如何设计一种能在焊接过程中以及焊接后维护期内能长久使用，且更高效便捷的焊接应力测量方法与系统是待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术中，申请人提出建立基于图像处理的钢桥焊接应力测量方法与系统，通过采集焊接前后局部的图片，利用图像处理的技术结合弹性板单元有限元分析方法，形成了一套完整的桥梁焊接应力测量方法，满足钢结构桥梁建设的施工需求。

2、本技术解决上述技术问题的技术方案是一种基于图像处理的焊接应力测量方法，构建焊接工件的3d模型；在3d模型基础上建立的焊接结构有限元分析模型；给焊接工件标注两个以上的标识，标识位置与大小输入3d模型；焊接前对所述标识拍照，获得图片，建立3d模型与图片关系；焊接后对所述标识拍照，获得焊接后图片，根据焊接后图片中标识变化，获得3d模型的形变特征，形变特征输入有限元分析模型；计算焊接应力变化。

3、所述的基于图像处理的焊接应力测量方法，包括如下任意特征：ta10，所述标识通过激光雕刻到工件；ta20，所述标识通过打样冲眼，冲刻到工件。

4、焊接前与焊接过程中对所述标识拍照。

5、所述的基于图像处理的焊接应力测量方法，包括如下任意特征：tb10，所述标识阵列排布，标识为圆形，直径大于1mm，小于20mm；标识中心间距大于5mm，小于30mm；tb20，所述标识阵列排布，标识为正方形，边长，大于1mm，小于20mm；标识中心间距大于5mm，小于30mm。

6、所述阵列分布在两个或两个以上焊接工件的焊接表面。

7、本技术解决上述技术问题的技术方案还可以是一种基于图像处理的焊接应力测量系统，包括激光雕刻单元、摄像单元、雕刻和摄像位置驱动单元、图形分析单元；焊接前构建焊接工件的3d模型；在3d模型基础上建立的焊接结构有限元分析模型；焊接前，激光雕刻单元给焊接工件标注两个以上的标识，摄像单元拍摄标识位置，将标识位置与大小输入3d模型，建立3d模型与图片关系；焊接后，摄像单元对所述标识拍照，获得焊接后图片，图形分析单元根据焊接后图片中标识变化，获得3d模型的形变特征，形变特征输入有限元分析模型；计算焊接应力变化。

8、焊接前，所述摄像单元的物距与放大倍数为固定设置，测量所述标识在图片中的大小，根据成像比率计算出标识之间的距离；焊接后，获得标识在空间的变化的尺寸，计算3d模型的变化结构。

9、所述雕刻和摄像位置驱动单元，包括x轴移动模组、y轴移动模组；y轴移动模组设置在x轴移动模组上；所述激光雕刻单元设置在y轴移动模组上；所述摄像单元设置在y轴移动模组上。

10、所述的基于图像处理的焊接应力测量系统还包括网络单元、服务器，所述服务器包括服务器网络单元；所述图形分析单元位于所述服务器上；所述标识图片通过网络单元发送到所述服务器上。

11、所述的基于图像处理的焊接应力测量系统，还包括安装固定装置，所述雕刻和摄像位置驱动单元位于安装固定装置上，包括如下任意特征：tc10：安装固定装置包括螺丝连接孔，安装固定装置通过螺丝连接到焊接件上；tc20：安装固定装置包括磁铁，安装固定装置通过磁铁吸附到焊接件上。

12、上述技术方案的技术效果之一是：给焊接工件标注两个以上的标识，焊接后对所述标识拍照；根据焊接前后标识的相对位置变化，分析工件焊接应力变化。借助标识，通过拍照就能获取应力变化信息，无需再布置应变片或其他传感机构进行应力获取，是一种无需直接接触的高效便捷的应力测量方法。

13、上述技术方案的技术效果之一是：标识通过激光雕刻到工件，激光雕刻的精度足够，且能量密度高，在各种焊接金属上进行标识也容易实现。

14、上述技术方案的技术效果之一是：标识通过打样冲眼，冲刻到工件，标识实现方式简单成本低，且标识的固定性和精度也更容易实现。

15、上述技术方案的技术效果之一是：焊接前与焊接过程中对所述标识拍照，焊接前后以及焊接过程中能进行全过程的拍照，能进行实时性更高的焊接应力分析。

16、上述技术方案的技术效果之一是：标识阵列排布，标识为圆形，直径大于1mm，小于20mm；标识中心间距大于5mm，小于30mm；阵列排布的标识，不仅可以通过单一标识的尺寸变化获取应力信息，还能通过各个标识之间的相对位置关系获取应力信息。标识为圆形，方便打标，尺寸可以根据实际工件的尺寸进行相应的尺寸调整。标识为圆形，更容易反映出径向的形变。

17、上述技术方案的技术效果之一是：标识阵列排布，标识为正方形，边长，大于1mm，小于20mm；标识中心间距大于5mm，小于30mm。标识为方形，更容易反映x轴和y轴两个方向上的形变。

18、上述技术方案的技术效果之一是：阵列分布在两个或两个以上焊接工件的焊接表面，可以通过将阵列分布获取两个焊接工件之间的焊接应力变化信息。

19、上述技术方案的技术效果之一是：雕刻和摄像位置驱动单元驱动激光雕刻单元给焊接工件标注两个以上的标识；激光雕刻单元和摄像单元共享一个雕刻和摄像位置驱动单元，能在雕刻标识的同时进行拍照，既节省了运动部件的成本，还提高了两者的同步性和一致性，避免了采用两个运动部件时，引起的测量误差，一举多得。

20、上述技术方案的技术效果之一是：雕刻和摄像位置驱动单元，包括x轴移动模组、y轴移动模组，能进行两个方向上的二维的运动，能对焊接面进行二维阵列标识，获取多个点位的标识和图片。

21、上述技术方案的技术效果之一是：设置网络单元和服务器，图形分析单元位于服务器上；标识图片通过网络单元发送到服务器上。服务器的设置，可以提高图形分析单元的数据收集和运算能力，能更快速地进行应力分析，且能汇总各种应力数据，丰富实际的应力数据库内容，从而提高应力分析的准确性。

22、上述技术方案的技术效果之一是：摄像单元设置在y轴移动模组上，摄像单元和激光雕刻单元随动，两者的相对位置固定，因此雕刻标识的位置和图片中标识位置之间一致性更高，标识的位置准确性和图片中标识位置的准确性都更高。

23、上述技术方案的技术效果之一是：雕刻和摄像位置驱动单元位于安装固定装置上，安装固定装置包括螺丝连接孔，安装固定装置通过螺丝连接到焊接件上。这样的方式非常灵活，无论是工件在生产还是维修过程中，都能方便地设置安装固定装置，从而为雕刻和摄像位置驱动单元的安装提供了空间和位置。且这样的方式也能方便拆卸，在需要进行检测时，非常方便安装，在不需要检测时，可以灵活地拆卸。且通常可以侧向安装，不影响工件的位置，不影响焊接的操作。

24、上述技术方案的技术效果之一是：在焊接件为具有磁力吸附特性的材料制成时，安装固定装置包括磁铁，安装固定装置通过磁铁吸附到焊接件上，这样的方式进一步让安装和拆卸所述安装固定装置变得更便捷高效。

25、上述技术方案的技术效果之一是：通过不同位置或方向的多幅图片，提升相对位移变化量的精度。