TCWAN0096-2023基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的焊接接頭和堆焊接頭剪切性能測試方法

T/CWAN0096—2023

基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的焊接接頭和堆焊接頭剪切性能測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了一種用于金屬材料對接、搭接（點(diǎn)焊和縫焊）和堆焊接頭剪切性能測試方

法所涉及的試樣制備、試驗(yàn)過程和測試方法等內(nèi)容。

本文件適用于金屬材料對接、搭接（點(diǎn)焊和縫焊）和堆焊接頭采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)

行剪切性能測試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包

括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T228.1—2021金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法

GB/T3375焊接術(shù)語

T/CWAN0010焊接術(shù)語焊接檢驗(yàn)

ASTME2208-02評價(jià)非接觸式光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)指南

3術(shù)語和定義

GB/T3375與T/CWAN0010界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

剪切試驗(yàn)sheartesting

利用拉力試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)夾具上對按照規(guī)定要求加工過的矩形試樣施加單一方向剪切力

直至破壞的試驗(yàn)過程。

3.2

剪切應(yīng)力shearstress

試驗(yàn)過程中任一時(shí)刻的剪切力（P）與試樣原始剪切面積（A）之比。

3.3

剪切強(qiáng)度shearstrength

在剪切應(yīng)力作用下，材料所承受的最大剪切應(yīng)力。在剪切試驗(yàn)中，剪切強(qiáng)度是用剪切

試驗(yàn)中的最大試驗(yàn)力（Pmax）除以試樣的剪切面積（A）所得的應(yīng)力，對于最大力的定義參

見GB/T228.1—2021。

3.4

剪切屈服強(qiáng)度yieldshearstrength

3

T/CWAN0096—2023

當(dāng)試樣呈現(xiàn)出屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間試樣產(chǎn)生剪切變形而力不增加時(shí)的剪切應(yīng)力。

3.5

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)digitalimagecorrelation（DIC）

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)又稱數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，是將試件變形前后的兩幅數(shù)字圖像通過相

關(guān)計(jì)算獲取感興趣區(qū)域的變形信息的技術(shù)。

4符號

表1給出了對接、搭接（點(diǎn)焊和縫焊）和堆焊接頭剪切性能測試過程中所涉及的符號及

相應(yīng)的說明。

表1符號及說明

符號說明單位

L測試樣品兩槽之間的距離mm

t0測試樣品厚度mm

l測試樣品剪切區(qū)長度mm

t測試樣品剪切區(qū)厚度mm

δ測試樣品剪切區(qū)寬度mm

A測試樣品剪切截面面積，A=l·tmm2

P剪切力N

Pmax最大剪切力N

S剪切強(qiáng)度MPa

5測試方法和要求

5.1數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測試系統(tǒng)組成

通過非接觸式二維DIC測試系統(tǒng)對剪切性能測試試樣進(jìn)行測試過程中剪切區(qū)發(fā)生的應(yīng)

變變化過程進(jìn)行測量。DIC測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制器、數(shù)碼相機(jī)、LED光源和拉伸試驗(yàn)機(jī)

組成，如圖1所示。DIC測試系統(tǒng)應(yīng)符合ASTME2208-02標(biāo)準(zhǔn)指南的要求。

圖1數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測試系統(tǒng)組成

4

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5.2數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)工作原理

散斑可以用于分析剪切性能測試試樣的形變和變形，當(dāng)剪切性能測試試樣受到外力或變

形時(shí)，散斑圖案也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。由數(shù)碼相機(jī)對剪切性能測試試樣的變形過程進(jìn)行捕捉，

以每個(gè)計(jì)算點(diǎn)為中心（圖2中紅點(diǎn)所示），在參考圖像上選取一定區(qū)域作為當(dāng)前計(jì)算點(diǎn)的子區(qū)，

通過子區(qū)內(nèi)的像素點(diǎn)構(gòu)造一定的互相關(guān)函數(shù)，計(jì)算位移和應(yīng)變等數(shù)據(jù)并最終通過DIC測試系

統(tǒng)將視覺信號以數(shù)字化的方式進(jìn)行處理并呈現(xiàn)。

圖2數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計(jì)算應(yīng)變原理

5.3數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)散斑制作流程

5.3.1散斑制作前準(zhǔn)備

散斑制作前應(yīng)確保剪切性能測試試樣表面干凈、光滑，并且沒有粉塵、油脂或其他雜質(zhì)。

噴漆操作需要遵守相關(guān)的安全操作規(guī)范和環(huán)境保護(hù)要求。確保在通風(fēng)良好的區(qū)域進(jìn)行操作，

并采取必要的個(gè)人防護(hù)措施，如佩戴呼吸器、手套和防護(hù)眼鏡等。散斑制作應(yīng)該在不影響物

體本身外觀和性能的前提下進(jìn)行，以免對實(shí)際應(yīng)用場景產(chǎn)生不利影響。

5.3.2散斑制作

噴漆前應(yīng)使用膠帶等物體對剪切性能測試試樣待測區(qū)以外的區(qū)域進(jìn)行遮蓋和保護(hù)。散斑

制作分為兩步，第一步是將不反光白漆均勻覆蓋于剪切性能測試試樣待測區(qū)域表面，當(dāng)LED

光源照射金屬材料表面時(shí)會(huì)發(fā)生反光現(xiàn)象，干擾圖像處理，不反光白漆可以防止金屬發(fā)生反

光并在物體表面或背景中創(chuàng)建高對比度的標(biāo)記，使得特征點(diǎn)更容易被檢測和提取。第二步是

黑色散斑的制作，白漆風(fēng)干后，將不反光黑漆均勻且分散的疊加于白漆之上。待完全風(fēng)干后

對散斑進(jìn)行觀察，確保噴漆層厚度均勻，避免斑點(diǎn)不均勻和斑點(diǎn)過大/過小等問題。

5.3.3散斑質(zhì)量檢查

待測剪切性能測試試樣表面油漆完全干燥后需檢查散斑標(biāo)記的質(zhì)量和準(zhǔn)確性?？稍谖醇?/p>

載狀態(tài)下使用DIC測試系統(tǒng)進(jìn)行散斑的檢測和驗(yàn)證。理想的散斑圖案是高對比度、散斑點(diǎn)分

布隨機(jī)、散斑尺寸大小一致、且試件表面上的黑白分布密度等量。如果滿足上述所有條件，

則待測區(qū)噪點(diǎn)可控制在極低水平，并且能夠以非常低的誤差進(jìn)行跟蹤測量。

5.4樣品放置

待測剪切性能測試試樣必須與數(shù)碼相機(jī)在同一平面，剪切性能測試試樣的任何區(qū)域都不

能有朝向或遠(yuǎn)離相機(jī)的任何平面外運(yùn)動(dòng)。由于DIC二維測試僅使用一臺相機(jī)，因此軟件必須

假設(shè)圖像中的剪切性能測試試樣待測區(qū)僅在平面內(nèi)移動(dòng)，并且在該圖像中完全是平坦的。如

果測試不符合上述原則，則需要進(jìn)行調(diào)整。

5.5數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)步長和圖像采集頻率的確定

5

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步長（Stepsize）的設(shè)置能夠第計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度起決定性作用。應(yīng)變的計(jì)算是以數(shù)據(jù)

點(diǎn)為單位的，且這些數(shù)據(jù)點(diǎn)由步長分開。對于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)而言，需使用3個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算

應(yīng)變，這3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的間距由步長決定，設(shè)置合適的步長會(huì)使得應(yīng)變變化較為平滑。不同的

應(yīng)用可能對圖像的采集頻率有不同的要求。為了能在單位時(shí)間內(nèi)捕捉更多的變形信息，將采

集頻率調(diào)高至10張/s。

5.6剪切測試試樣的幾何形狀

剪切性能測試試樣宜按照圖3所示的形狀進(jìn)行加工。當(dāng)對接/堆焊接頭的焊接方向沿圖3a)

中長度方向時(shí)，所加工試樣A-A面如圖3a1)所示。對于點(diǎn)焊接頭，重疊區(qū)沿長度方向應(yīng)大于

38mm。由于搭接縫焊接頭的焊接方向?yàn)榘宀膶挾确较颍虼诵璞ＷC重疊區(qū)域滿足圖3b)中所

注尺寸，即重疊區(qū)域沿寬度方向（焊接方向）尺寸為110mm，沿長度方向重疊部分尺寸應(yīng)

≥38mm。

a)對接/堆焊/點(diǎn)焊接頭試樣b)縫焊接頭試樣

圖3剪切測試試樣幾何形狀

5.7剪切區(qū)厚度

圖4所示為圖3中不同形式焊接接頭的A-A截面示意圖，焊接接頭的熔核尺寸可根據(jù)下述

公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

wh

d(1)

2

其中：

d=熔核直徑（mm）

w=熔核寬度（mm）

h=熔核高度（mm）

圖4焊接接頭橫截面示意圖

6

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根據(jù)公式1計(jì)算得到熔核直徑d后，剪切性能測試試樣剪切區(qū)長度l值的選取可在已知熔

核直徑的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小0.1~0.2mm，且保證剪切性能測試試樣剪切區(qū)長度l的取值滿足

l/δ≥4。剪切區(qū)寬度δ通常取0.8~1.2mm。

5.8剪切區(qū)選擇

試樣加工完成后，焊接接頭的中線應(yīng)位于剪切性能測試試樣剪切區(qū)的中間，剪切性能測

試試樣取樣位置如圖5所示。剪切性能測試試樣剪切區(qū)選取位置可以根據(jù)不同的測試區(qū)域進(jìn)

行改變，例如將剪切區(qū)分別置于焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)或熱影響區(qū)，但要保證剪切區(qū)沿

橫向和縱向兩側(cè)加工尺寸滿足圖3要求，即沿中心線呈對稱分布。需注意，縫焊接頭形貌雖

與點(diǎn)焊接頭相同，但剪切試驗(yàn)件尺寸是沿縫焊接頭寬度方向選取的(如圖3b所示)。

圖5焊接接頭剪切區(qū)取樣位置示意圖

6試樣制備

6.1標(biāo)記

每個(gè)剪切性能測試試樣應(yīng)做標(biāo)記以便識別其從不同形式焊接接頭中取出的位置，如果相

關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有要求，應(yīng)標(biāo)記機(jī)加工方向，每個(gè)樣品應(yīng)做標(biāo)記以便識別其在試件中的準(zhǔn)確位置。

6.2熱處理及時(shí)效

待測試焊接接頭一般不進(jìn)行熱處理，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或允許被試驗(yàn)的焊接接頭進(jìn)行熱處

理除外，這時(shí)應(yīng)在試驗(yàn)報(bào)告中詳細(xì)記錄熱處理的參數(shù)。對于會(huì)產(chǎn)生自然時(shí)效的鋁合金，應(yīng)記

錄焊接至開始試驗(yàn)的間隔時(shí)間。

6.3測試試樣的機(jī)械加工

6.3.1一般要求

機(jī)械加工不得對剪切性能測試試樣性能產(chǎn)生影響，剪切性能測試試樣所有加工表面光潔

度至少達(dá)到Ra0.8。

6.3.2夾具

剪切性能測試試樣的夾具結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，宜由淬硬鋼加工制成。

7

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a)對接/堆焊接頭正視圖b)對接/堆焊/縫焊接頭側(cè)視圖c)點(diǎn)焊接頭側(cè)視圖

圖6剪切性能測試試樣的夾具結(jié)構(gòu)示意圖

6.4測量

剪切性能測試試樣剪切區(qū)厚度t的測量應(yīng)在加工入試件的兩個(gè)槽之間的位置進(jìn)行。剪切

區(qū)長度的測量應(yīng)在加工進(jìn)試樣的槽的兩端之間，如圖3中細(xì)節(jié)1所示。

6.5散斑制作及采集頻率的確定

剪切試驗(yàn)測試前應(yīng)在剪切區(qū)的一側(cè)涂上平整的啞光散斑圖案。建議用不反光的白色圖案

作為背底，然后用黑色斑點(diǎn)分散的疊加在白色背底上。此外，采用適當(dāng)?shù)恼彰鳎ɡ缙窆猓?/p>

以確保在數(shù)碼相機(jī)中能夠看到完整且清晰的剪切區(qū)，通過相機(jī)標(biāo)定板對待測樣品進(jìn)行二維比

例標(biāo)定以確保測試精度。步長大小應(yīng)根據(jù)剪切性能測試試樣厚度進(jìn)行調(diào)整，為保證應(yīng)變計(jì)算

結(jié)果的準(zhǔn)確性，剪切區(qū)寬度方向上至少要有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。采集頻率的設(shè)置可根據(jù)材料特性進(jìn)

行調(diào)節(jié)。

7試驗(yàn)程序

如圖6所示，將噴完漆后的剪切性能測試試樣安裝在試驗(yàn)夾具上。在裝配加載裝置（夾

具及其附件到試驗(yàn)機(jī)）時(shí)，要注意盡量減少由于夾具不對中引起的載荷偏移。為了獲得滿意

的對中效果，保持上下夾具的中心線重合偏差在0.75mm范圍內(nèi)。加載前剪切區(qū)中心應(yīng)在剪

切性能測試試樣載荷線0.025mm范圍內(nèi)。對于點(diǎn)焊樣品，為了防止樣品邊緣和中心處應(yīng)力

集中，需在剪切性能測試試樣兩側(cè)增加墊塊，如圖6c)所示。依據(jù)GB/T228.1—2021規(guī)定對樣

品逐漸連續(xù)加載，在樣品斷裂時(shí)確定最大力Pmax。剪切測試全過程應(yīng)被數(shù)碼相機(jī)完整記錄下

來，作為后續(xù)計(jì)算測試試樣剪切應(yīng)變的依據(jù)。

8試驗(yàn)結(jié)果及分析

8.1剪切強(qiáng)度計(jì)算

8

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剪切強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

P

Smax（2）

A

其中：

S-剪切強(qiáng)度，單位為MPa；

Pmax-最大力，單位為N；

A-測試試樣截面面積，單位為mm2。

8.2剪切應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算

在DIC測試系統(tǒng)中，根據(jù)樣品尺寸選擇合適的步長和區(qū)域進(jìn)行剪切應(yīng)變值的計(jì)算，剪

切應(yīng)變?yōu)槲醋冃螤顟B(tài)下90°角到變形狀態(tài)下新角度的變化。根據(jù)DIC測量結(jié)果，應(yīng)報(bào)告剪切

區(qū)的平均剪切應(yīng)變?chǔ)雍?或剪切角α。如果只報(bào)告剪切角α，則計(jì)算剪切應(yīng)變?chǔ)玫墓綖椋?/p>

tan()(3)

剪切應(yīng)力τ計(jì)算公式如下：

P

(4)

lt

其中：

P=瞬時(shí)作用力，單位為N；

l=剪切區(qū)長度，單位為mm；

t=剪切區(qū)厚度，單位為mm。t取值范圍：0.25mm~1mm，具體根據(jù)板厚尺寸確定。

8.3斷口表面檢驗(yàn)

剪切性能測試試樣斷裂后，應(yīng)檢驗(yàn)斷口表面，在斷口上對試驗(yàn)可能產(chǎn)生有害影響的缺欠

都應(yīng)在報(bào)告中記錄，記錄內(nèi)容包括剪切區(qū)厚度（t）、缺欠類型、尺寸和數(shù)量。如果出現(xiàn)白

點(diǎn)應(yīng)予以記錄。

9試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)完成后應(yīng)在報(bào)告中體現(xiàn)以下信息:

a）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)名稱；

b）材料的類型；

c）接頭形式；

d）試樣尺寸；

e）剪切截面長度及厚度，單位為mm；

f）最大剪切力，單位為N；

g）剪切強(qiáng)度，單位為MPa；

h）觀察到的缺欠的類型和尺寸；

i）剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變關(guān)系曲線；

j）典型的檢測報(bào)告示例在附錄A中給出。

9

T/CWAN0096—2023

附錄A

（資料性）

檢測報(bào)告示例

報(bào)告編號：

依據(jù)的焊接（或堆焊）工藝規(guī)程（WPS）：

制造商：

產(chǎn)品種類：

母材金屬型號：

填充金屬型號：

焊接方法：

接頭形式：

試驗(yàn)溫度：

表A.1剪切試驗(yàn)測試結(jié)果

試樣尺寸剪切區(qū)長剪切區(qū)剪切說明

試樣編號No./剪切強(qiáng)度

（長*寬）度厚度最大力（例如缺欠的

位置S/MPa

2

/mml/mmt/mmPmax/N類型和尺寸）

圖A.1剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變關(guān)系曲線

檢測：審核：

（簽名和日期）（簽名和日期）

10

ICS25.160.40

CCSJ33

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CWAN0096—2023

基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的焊接接頭和堆焊接頭

剪切性能測試方法

DIC-basedtestmethodforshearpropertiesofweldedjointandsurfacingjoint

2023-08-15發(fā)布2023-09-01實(shí)施

中國焊接協(xié)會(huì)發(fā)布

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基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的焊接接頭和堆焊接頭剪切性能測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了一種用于金屬材料對接、搭接（點(diǎn)焊和縫焊）和堆焊接頭剪切性能測試方

法所涉及的試樣制備、試驗(yàn)過程和測試方法等內(nèi)容。

本文件適用于金屬材料對接、搭接（點(diǎn)焊和縫焊）和堆焊接頭采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)

行剪切性能測試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包

括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T228.1—2021金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法

GB/T3375焊接術(shù)語

T/CWAN0010焊接術(shù)語焊接檢驗(yàn)

ASTME2208-02評價(jià)非接觸式光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)指南

3術(shù)語和定義

GB/T3375與T/CWAN0010界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

剪切試驗(yàn)sheartesting

利用拉力試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)夾具上對按照規(guī)定要求加工過的矩形試樣施加單一方向剪切力

直至破壞的試驗(yàn)過程。

3.2

剪切應(yīng)力shearstress

試驗(yàn)過程中任一時(shí)刻的剪切力（P）與試樣原始剪切面積（A）之比。

3.3

剪切強(qiáng)度shearstrength

在剪切應(yīng)力作用下，材料所承受的最大剪切應(yīng)力。在剪切試驗(yàn)中，剪切強(qiáng)度是用剪切

試驗(yàn)中的最大試驗(yàn)力（Pmax）除以試樣的剪切面積（A）所得的應(yīng)力，對于最大力的定義參

見GB/T228.1—2021。

3.4

剪切屈服強(qiáng)度yieldshearstrength

3

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當(dāng)試樣呈現(xiàn)出屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間試樣產(chǎn)生剪切變形而力不增加時(shí)的剪切應(yīng)力。

3.5

數(shù)字圖像相關(guān)