ICS 25.160.40 CCS J33
CWA
体
标
团
准
T/CWAN 00962023
基于数字图像相关技术的焊接接头和堆焊接头
剪切性能测试方法
DIC-based test method for shear properties of welded joint and surfacing joint
2023-08-15发布
2023-09-01实施
中国焊接协会发布 T/CWAN0096—2023
目 次
前言 1范围.. 2规范性引用文件.. 3术语和定义， 4符号... 5测试方法和要求 6试样制备 7试验程序 8试验结果 9试验报告附录A（资料性）试验报告示例
IT
*.
10 ..11 T/CWAN 0096—2023
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件由中国焊接协会提出并归口。 本文件起草单位：南昌航空大学、浙大城市学院、方大特钢科技股份有限公司、重庆科技学院、
中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、北部湾大学、天津市特种设备监督检验技术研究院。
本文件主要起草人：陈玉华、史丽婷、袁树春、张体明、居琪萍、孙徕博、张龙、许明方、张世一、石燕栋、尹立孟、谢吉林、李文凯、罗玖田、方乃文、马一鸣、谢雨田、陈博文、武鹏博、杨悦。
I T/CWAN0096—2023
基于数字图像相关技术的焊接接头和堆焊接头剪切性能测试方法
1范围
本文件规定了一种用于金属材料对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头剪切性能测试方法所涉及的试样制备、试验过程和测试方法等内容。
本文件适用于金属材料对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头采用数字图像相关技术进行剪切性能测试。 2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T228.1一2021金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法 GB/T3375焊接术语 T/CWAN0010焊接术语焊接检验 ASTME2208-02评价非接触式光学应变测量系统的标准指南
3术语和定义
GB/T3375与T/CWAN0010界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
剪切试验sheartesting 利用拉力试验机在试验夹具上对按照规定要求加工过的矩形试样施加单一方向剪切力
直至破坏的试验过程。 3.2
剪切应力shearstress 试验过程中任一时刻的剪切力（P）与试样原始剪切面积（A）之比。
3.3
剪切强度shearstrength 在剪切应力作用下，材料所承受的最大剪切应力。在剪切试验中，剪切强度是用剪切
试验中的最大试验力（Pmax）除以试样的剪切面积（A）所得的应力，对于最大力的定义参见GB/T228.1—2021。 3.4
剪切屈服强度yieldshearstrength
3 T/CWAN0096—2023
当试样呈现出屈服现象时，在试验期间试样产生剪切变形而力不增加时的剪切应力。
3.5
数字图像相关技术digitalimagecorrelation（DIC）数字图像相关技术又称数字散斑相关技术，是将试件变形前后的两幅数字图像通过相
关计算获取感兴趣区域的变形信息的技术。
4符号
表1给出了对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头剪切性能测试过程中所涉及的符号及相应的说明。
表1符号及说明
符号 L t0
说明
单位 mm mm mm mm mm
测试样品两槽之间的距离
测试样品厚度测试样品剪切区长度测试样品剪切区厚度测试样品剪切区宽度
t 8 A P Pmax S
测试样品剪切截面面积，A=I-t mm?
剪切力最大剪切力剪切强度
N N MPa
5测试方法和要求
5.1数字图像相关技术测试系统组成
通过非接触式二维DIC测试系统对剪切性能测试试样进行测试过程中剪切区发生的应变变化过程进行测量。DIC测试系统由计算机、控制器、数码相机、LED光源和拉伸试验机组成，如图1所示。DIC测试系统应符合ASTME2208-02标准指南的要求。
计算机
控制器 U
拉伸试验机
相机标定板
LED光源
特测样品
A
图1数字图像相关技术测试系统组成
4 T/CWAN00962023
5.2数字图像相关技术工作原理
散斑可以用于分析剪切性能测试试样的形变和变形，当剪切性能测试试样受到外力或变形时，散斑图案也会发生相应变化。由数码相机对剪切性能测试试样的变形过程进行捕捉以每个计算点为中心（图2中红点所示），在参考图像上选取一定区域作为当前计算点的子区通过子区内的像素点构造一定的互相关函数，计算位移和应变等数据并最终通过DIC测试系统将视觉信号以数字化的方式进行处理并呈现，
Q..
/ p2 (g y)
.
P(xpy) Q...
......:
PP: P Pi
....
3
-
.
P,(x,y,)
P(x,
.....
?
........ 变形子区域
UOU
.
变形后参考区域
参考子区域
图2数字图像相关技术计算应变原理
5.3数字图像相关技术散斑制作流程
5.3.1散斑制作前准备
散斑制作前应确保剪切性能测试试样表面干净、光滑，并且没有粉尘、油脂或其他杂质。 喷漆操作需要遵守相关的安全操作规范和环境保护要求。确保在通风良好的区域进行操作，并采取必要的个人防护措施，如佩戴呼吸器、手套和防护眼镜等。散斑制作应该在不影响物体本身外观和性能的前提下进行，以免对实际应用场景产生不利影响。 5.3.2散斑制作
喷漆前应使用胶带等物体对剪切性能测试试样待测区以外的区域进行遮盖和保护。散斑
制作分为两步，第一步是将不反光白漆均匀覆盖于剪切性能测试试样待测区域表面，当LED 光源照射金属材料表面时会发生反光现象，于扰图像处理，不反光白漆可以防止金属发生反光并在物体表面或背景中创建高对比度的标记，使得特征点更容易被检测和提取。第二步是黑色散斑的制作，白漆风干后，将不反光黑漆均匀且分散的叠加于白漆之上。待完全风干后对散斑进行观察，确保喷漆层厚度均匀，避免斑点不均匀和斑点过大/过小等问题 5.3.3散斑质量检查
待测剪切性能测试试样表面油漆完全干燥后需检查散斑标记的质量和准确性。可在未加载状态下使用DIC测试系统进行散斑的检测和验证。理想的散斑图案是高对比度、散斑点分布随机、散斑尺寸大小一致、且试件表面上的黑白分布密度等量。如果满足上述所有条件，则待测区噪点可控制在极低水平，并且能够以非常低的误差进行跟踪测量。 5.4样品放置
待测剪切性能测试试样必须与数码相机在同一平面，剪切性能测试试样的任何区域都不
能有朝向或远离相机的任何平面外运动。由于DIC二维测试仅使用一台相机，因此软件必须假设图像中的剪切性能测试试样待测区仅在平面内移动，并且在该图像中完全是平坦的。如果测试不符合上述原则，则需要进行调整。 5.5数字图像相关系统步长和图像采集频率的确定
5 T/CWAN0096—2023
步长（Step size）的设置能够第计算结果的准确度起决定性作用。应变的计算是以数据点为单位的，且这些数据点由步长分开。对于每个数据点而言，需使用3个相邻数据点计算应变，这3个数据点的间距由步长决定，设置合适的步长会使得应变变化较为平滑。不同的应用可能对图像的采集频率有不同的要求。为了能在单位时间内捕捉更多的变形信息，将采集频率调高至10张/s。 5.6剪切测试试样的几何形状
剪切性能测试试样宜按照图3所示的形状进行加工。当对接/堆焊接头的焊接方向沿图3a) 中长度方向时，所加工试样A-A面如图3a1)所示。对于点焊接头，重叠区沿长度方向应大于 38mm。由于搭接缝焊接头的焊接方向为板材宽度方向，因此需保证重叠区域满足图3b)中所注尺寸，即重叠区域沿宽度方向（焊接方向）尺寸为110mm，沿长度方向重叠部分尺寸应 ≥38mm。
T -A (缝焊接头)
细节1
[al) T
a2)
细节
邱接方自
A-A(对接/堆焊接头）A-A(点焊接头)
Ra0.8
2
a）对接/堆焊/点焊接头试样
b）缝焊接头试样
图3剪切测试试样几何形状
5.7剪切区厚度
图4所示为图3中不同形式焊接接头的A-A截面示意图，焊接接头的熔核尺寸可根据下述公式（1）进行计算：
d=w+h
(1)
2
其中： d=熔核直径（mm） w=熔核宽度（mm） h=熔核高度（mm）
- a)对接接头
b)堆焊接头
c)点焊接头
d)缝焊接头（沿宽度方向）
图4焊接接头横截面示意图
6 T/CWAN00962023
根据公式1计算得到熔核直径d后，剪切性能测试试样剪切区长度I值的选取可在已知熔核直径的基础上适当减小0.1~0.2mm：且保证剪切性能测试试样剪切区长度I的取值满足 1/8>4。剪切区宽度通常取0.8~1.2mm。 5.8剪切区选择
试样加工完成后，焊接接头的中线应位于剪切性能测试试样剪切区的中间，剪切性能测
试试样取样位置如图5所示。剪切性能测试试样剪切区选取位置可以根据不同的测试区域进行改变，例如将剪切区分别置于焊接接头的焊缝区、熔合区或热影响区，但要保证剪切区沿横向和纵向两侧加工尺寸满足图3要求，即沿中心线呈对称分布。需注意，缝焊接头形貌虽与点焊接头相同，但剪切试验件尺寸是沿缝焊接头宽度方向选取的(如图3b所示)。
焊缝
热影响区
熔合区
对接
D
O
堆焊搭接
-
（点焊或缝焊）
图5焊接接头剪切区取样位置示意图
6试样制备
6.1标记
每个剪切性能测试试样应做标记以便识别其从不同形式焊接接头中取出的位置，如果相关标准有要求，应标记机加工方向，每个样品应做标记以便识别其在试件中的准确位置。 6.2热处理及时效
待测试焊接接头一般不进行热处理，但相关标准规定或允许被试验的焊接接头进行热处理除外，这时应在试验报告中详细记录热处理的参数。对于会产生自然时效的铝合金，应记录焊接至开始试验的间隔时间。 6.3测试试样的机械加工
6.3.1一般要求
机械加工不得对剪切性能测试试样性能产生影响，剪切性能测试试样所有加工表面光洁度至少达到Ra0.8。 6.3.2夹具
剪切性能测试试样的夹具结构示意如图6所示，宜由率硬钢加工制成。
7 ICS 25.160.40 CCS J33
CWA
体
标
团
准
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基于数字图像相关技术的焊接接头和堆焊接头
剪切性能测试方法
DIC-based test method for shear properties of welded joint and surfacing joint
2023-08-15发布
2023-09-01实施
中国焊接协会发布 T/CWAN0096—2023
目 次
前言 1范围.. 2规范性引用文件.. 3术语和定义， 4符号... 5测试方法和要求 6试样制备 7试验程序 8试验结果 9试验报告附录A（资料性）试验报告示例
IT
*.
10 ..11 T/CWAN 0096—2023
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件由中国焊接协会提出并归口。 本文件起草单位：南昌航空大学、浙大城市学院、方大特钢科技股份有限公司、重庆科技学院、
中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、北部湾大学、天津市特种设备监督检验技术研究院。
本文件主要起草人：陈玉华、史丽婷、袁树春、张体明、居琪萍、孙徕博、张龙、许明方、张世一、石燕栋、尹立孟、谢吉林、李文凯、罗玖田、方乃文、马一鸣、谢雨田、陈博文、武鹏博、杨悦。
I T/CWAN0096—2023
基于数字图像相关技术的焊接接头和堆焊接头剪切性能测试方法
1范围
本文件规定了一种用于金属材料对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头剪切性能测试方法所涉及的试样制备、试验过程和测试方法等内容。
本文件适用于金属材料对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头采用数字图像相关技术进行剪切性能测试。 2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T228.1一2021金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法 GB/T3375焊接术语 T/CWAN0010焊接术语焊接检验 ASTME2208-02评价非接触式光学应变测量系统的标准指南
3术语和定义
GB/T3375与T/CWAN0010界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
剪切试验sheartesting 利用拉力试验机在试验夹具上对按照规定要求加工过的矩形试样施加单一方向剪切力
直至破坏的试验过程。 3.2
剪切应力shearstress 试验过程中任一时刻的剪切力（P）与试样原始剪切面积（A）之比。
3.3
剪切强度shearstrength 在剪切应力作用下，材料所承受的最大剪切应力。在剪切试验中，剪切强度是用剪切
试验中的最大试验力（Pmax）除以试样的剪切面积（A）所得的应力，对于最大力的定义参见GB/T228.1—2021。 3.4
剪切屈服强度yieldshearstrength
3 T/CWAN0096—2023
当试样呈现出屈服现象时，在试验期间试样产生剪切变形而力不增加时的剪切应力。
3.5
数字图像相关技术digitalimagecorrelation（DIC）数字图像相关技术又称数字散斑相关技术，是将试件变形前后的两幅数字图像通过相
关计算获取感兴趣区域的变形信息的技术。
4符号
表1给出了对接、搭接（点焊和缝焊）和堆焊接头剪切性能测试过程中所涉及的符号及相应的说明。
表1符号及说明
符号 L t0
说明
单位 mm mm mm mm mm
测试样品两槽之间的距离
测试样品厚度测试样品剪切区长度测试样品剪切区厚度测试样品剪切区宽度
t 8 A P Pmax S
测试样品剪切截面面积，A=I-t mm?
剪切力最大剪切力剪切强度
N N MPa
5测试方法和要求
5.1数字图像相关技术测试系统组成
通过非接触式二维DIC测试系统对剪切性能测试试样进行测试过程中剪切区发生的应变变化过程进行测量。DIC测试系统由计算机、控制器、数码相机、LED光源和拉伸试验机组成，如图1所示。DIC测试系统应符合ASTME2208-02标准指南的要求。
计算机
控制器 U
拉伸试验机
相机标定板
LED光源
特测样品
A
图1数字图像相关技术测试系统组成
4 T/CWAN00962023
5.2数字图像相关技术工作原理
散斑可以用于分析剪切性能测试试样的形变和变形，当剪切性能测试试样受到外力或变形时，散斑图案也会发生相应变化。由数码相机对剪切性能测试试样的变形过程进行捕捉以每个计算点为中心（图2中红点所示），在参考图像上选取一定区域作为当前计算点的子区通过子区内的像素点构造一定的互相关函数，计算位移和应变等数据并最终通过DIC测试系统将视觉信号以数字化的方式进行处理并呈现，
Q..
/ p2 (g y)
.
P(xpy) Q...
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PP: P Pi
....
3
-
.
P,(x,y,)
P(x,
.....
?
........ 变形子区域
UOU
.
变形后参考区域
参考子区域
图2数字图像相关技术计算应变原理
5.3数字图像相关技术散斑制作流程
5.3.1散斑制作前准备
散斑制作前应确保剪切性能测试试样表面干净、光滑，并且没有粉尘、油脂或其他杂质。 喷漆操作需要遵守相关的安全操作规范和环境保护要求。确保在通风良好的区域进行操作，并采取必要的个人防护措施，如佩戴呼吸器、手套和防护眼镜等。散斑制作应该在不影响物体本身外观和性能的前提下进行，以免对实际应用场景产生不利影响。 5.3.2散斑制作
喷漆前应使用胶带等物体对剪切性能测试试样待测区以外的区域进行遮盖和保护。散斑
制作分为两步，第一步是将不反光白漆均匀覆盖于剪切性能测试试样待测区域表面，当LED 光源照射金属材料表面时会发生反光现象，于扰图像处理，不反光白漆可以防止金属发生反光并在物体表面或背景中创建高对比度的标记，使得特征点更容易被检测和提取。第二步是黑色散斑的制作，白漆风干后，将不反光黑漆均匀且分散的叠加于白漆之上。待完全风干后对散斑进行观察，确保喷漆层厚度均匀，避免斑点不均匀和斑点过大/过小等问题 5.3.3散斑质量检查
待测剪切性能测试试样表面油漆完全干燥后需检查散斑标记的质量和准确性。可在未加载状态下使用DIC测试系统进行散斑的检测和验证。理想的散斑图案是高对比度、散斑点分布随机、散斑尺寸大小一致、且试件表面上的黑白分布密度等量。如果满足上述所有条件，则待测区噪点可控制在极低水平，并且能够以非常低的误差进行跟踪测量。 5.4样品放置
待测剪切性能测试试样必须与数码相机在同一平面，剪切性能测试试样的任何区域都不
能有朝向或远离相机的任何平面外运动。由于DIC二维测试仅使用一台相机，因此软件必须假设图像中的剪切性能测试试样待测区仅在平面内移动，并且在该图像中完全是平坦的。如果测试不符合上述原则，则需要进行调整。 5.5数字图像相关系统步长和图像采集频率的确定
5 T/CWAN0096—2023
步长（Step size）的设置能够第计算结果的准确度起决定性作用。应变的计算是以数据点为单位的，且这些数据点由步长分开。对于每个数据点而言，需使用3个相邻数据点计算应变，这3个数据点的间距由步长决定，设置合适的步长会使得应变变化较为平滑。不同的应用可能对图像的采集频率有不同的要求。为了能在单位时间内捕捉更多的变形信息，将采集频率调高至10张/s。 5.6剪切测试试样的几何形状
剪切性能测试试样宜按照图3所示的形状进行加工。当对接/堆焊接头的焊接方向沿图3a) 中长度方向时，所加工试样A-A面如图3a1)所示。对于点焊接头，重叠区沿长度方向应大于 38mm。由于搭接缝焊接头的焊接方向为板材宽度方向，因此需保证重叠区域满足图3b)中所注尺寸，即重叠区域沿宽度方向（焊接方向）尺寸为110mm，沿长度方向重叠部分尺寸应 ≥38mm。
T -A (缝焊接头)
细节1
[al) T
a2)
细节
邱接方自
A-A(对接/堆焊接头）A-A(点焊接头)
Ra0.8
2
a）对接/堆焊/点焊接头试样
b）缝焊接头试样
图3剪切测试试样几何形状
5.7剪切区厚度
图4所示为图3中不同形式焊接接头的A-A截面示意图，焊接接头的熔核尺寸可根据下述公式（1）进行计算：
d=w+h
(1)
2
其中： d=熔核直径（mm） w=熔核宽度（mm） h=熔核高度（mm）
- a)对接接头
b)堆焊接头
c)点焊接头
d)缝焊接头（沿宽度方向）
图4焊接接头横截面示意图
6 T/CWAN00962023
根据公式1计算得到熔核直径d后，剪切性能测试试样剪切区长度I值的选取可在已知熔核直径的基础上适当减小0.1~0.2mm：且保证剪切性能测试试样剪切区长度I的取值满足 1/8>4。剪切区宽度通常取0.8~1.2mm。 5.8剪切区选择
试样加工完成后，焊接接头的中线应位于剪切性能测试试样剪切区的中间，剪切性能测
试试样取样位置如图5所示。剪切性能测试试样剪切区选取位置可以根据不同的测试区域进行改变，例如将剪切区分别置于焊接接头的焊缝区、熔合区或热影响区，但要保证剪切区沿横向和纵向两侧加工尺寸满足图3要求，即沿中心线呈对称分布。需注意，缝焊接头形貌虽与点焊接头相同，但剪切试验件尺寸是沿缝焊接头宽度方向选取的(如图3b所示)。
焊缝
热影响区
熔合区
对接
D
O
堆焊搭接
-
（点焊或缝焊）
图5焊接接头剪切区取样位置示意图
6试样制备
6.1标记
每个剪切性能测试试样应做标记以便识别其从不同形式焊接接头中取出的位置，如果相关标准有要求，应标记机加工方向，每个样品应做标记以便识别其在试件中的准确位置。 6.2热处理及时效
待测试焊接接头一般不进行热处理，但相关标准规定或允许被试验的焊接接头进行热处理除外，这时应在试验报告中详细记录热处理的参数。对于会产生自然时效的铝合金，应记录焊接至开始试验的间隔时间。 6.3测试试样的机械加工
6.3.1一般要求
机械加工不得对剪切性能测试试样性能产生影响，剪切性能测试试样所有加工表面光洁度至少达到Ra0.8。 6.3.2夹具
剪切性能测试试样的夹具结构示意如图6所示，宜由率硬钢加工制成。
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