数字图像相关法检测铝合金激光-MIG复合焊残余应力的文献学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《焊接学报》2026年第47卷第7期，由内蒙古工业大学与内蒙古科技大学联合完成，受国家自然科学基金和自治区自然科学基金资助。研究的核心创新点在于将数字图像相关法（DIC）引入铝合金激光-MIG复合焊残余应力的快速无损检测，并通过能量配比优化实现残余应力的有效控制。

残余应力是焊接接头服役可靠性的关键影响因素。对于铝合金结构件，残余拉应力会显著降低疲劳寿命和应力腐蚀开裂（SCC）抗力。传统的残余应力检测方法如X射线衍射法（XRD）虽然精度高，但需要逐点测量、耗时较长，且对表面粗糙度有一定要求。DIC法作为一种全场光学测量技术，具有非接触、全场测量、速度快等优势，但其在焊接残余应力检测中的应用仍面临挑战——主要是如何在焊前焊后实现精确的散斑匹配。

DIC法在残余应力检测中的关键技术突破

本文的技术突破在于两个层面。第一，在散斑制备方面，采用铅笔在待测件表面刻画密集的网格状标记，替代了传统的随机散斑喷涂。这一做法的优势在于：网格标记的几何特征明确，有利于图像匹配算法的精确识别；同时避免了喷涂散斑可能带来的表面污染和对铝合金基材的腐蚀风险。第二，在相关函数选择方面，采用零均值归一化互相关函数（ZNCC），该函数对光强变化不敏感，有效解决了焊接前后光照条件不一致导致的匹配精度下降问题。

验证结果表明，DIC法在热影响区和母材区获得了与XRD法一致的结果，且距离焊缝中心线越远偏差越小。这说明DIC法在焊缝附近的高应变梯度区域仍存在一定误差，但在母材区和远场区域的测量可靠性较高。从工程应用角度，这意味着DIC法非常适合用于评估焊接残余应力的整体分布趋势和峰值位置，但对于焊缝熔合线附近的精确应力值，仍需结合XRD等高精度方法。

能量配比优化与残余应力控制

本文的另一重要贡献是系统研究了激光-MIG复合焊的能量配比（η=MIG电弧功率/激光功率）对残余应力和焊缝成形的影响。在8 mm厚6061铝合金板材上，分别选取η=1.1、1.0和0.9三种能量配比，测得焊后残余应力峰值如下：

数据趋势清晰：随着激光功率占比增大（η减小），残余应力峰值增大。这一现象的物理机制在于：激光能量密度高、热输入集中，导致熔池温度梯度大、凝固收缩应力大；同时激光的深熔特性使得熔池深宽比大，凝固过程中的约束应力更显著。相反，MIG电弧的热输入相对分散，熔池温度梯度较小，凝固收缩应力较低。

从工程实践角度思考，η=1.1（电弧主导）的组合在残余应力控制和焊缝成形方面均表现最优。但需要指出的是，本文测试的残余应力峰值均在200 MPa以下，对于6061铝合金（屈服强度约276 MPa）而言，这一应力水平尚在可接受范围内。然而，在实际工程中，残余应力还会与外载荷叠加，因此需要结合具体工况进行安全评估。对于高应力服役环境，建议采用焊后热处理（如时效处理或应力消除退火）进一步降低残余应力。

方法学思考与工程应用展望

DIC法在焊接残余应力检测中的应用前景值得关注，但需要正视其局限性。首先，DIC法测量的是表面应变，对于厚板焊接接头，表面应变与截面中心应变可能存在差异，需要结合有限元分析进行三维应力重建。其次，DIC法的测量精度受限于图像分辨率和散斑质量，对于应变梯度极大的焊缝熔合线区域，测量误差较大。第三，DIC法需要焊前焊后两次拍摄并实现精确匹配，对于大型结构件的现场检测，操作复杂度和时间成本仍需优化。

对于铝合金焊接结构的残余应力控制，我认为应建立"预防-检测-消除"三位一体的管控体系：在预防阶段，通过合理的焊接工艺参数（如本文优化的能量配比）和焊接顺序设计降低残余应力产生；在检测阶段，采用DIC法进行快速筛查，对关键部位采用XRD法精确测量；在消除阶段，对高应力区域实施局部热处理或锤击处理。本文的研究为这一体系中的工艺预防环节提供了重要的参数依据。