ICS25.160.40

CCSJ33

團體標準

T/CWAN0096—2023

基于數(shù)字圖像相關技術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實施

中國焊接協(xié)會發(fā)布

T/CWAN0096—2023

基于數(shù)字圖像相關技術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、試驗過程和測試方法等內容。

本文件適用于金屬材料對接、搭接（點焊和縫焊）和堆焊接頭采用數(shù)字圖像相關技術進

行剪切性能測試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構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金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法

GB/T3375焊接術語

T/CWAN0010焊接術語焊接檢驗

ASTME2208-02評價非接觸式光學應變測量系統(tǒng)的標準指南

3術語和定義

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

3.1

剪切試驗sheartesting

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

直至破壞的試驗過程。

3.2

剪切應力shearstress

試驗過程中任一時刻的剪切力（P）與試樣原始剪切面積（A）之比。

3.3

剪切強度shearstrength

在剪切應力作用下，材料所承受的最大剪切應力。在剪切試驗中，剪切強度是用剪切

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

見GB/T228.1—2021。

3.4

剪切屈服強度yieldshearstrength

3

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當試樣呈現(xiàn)出屈服現(xiàn)象時，在試驗期間試樣產生剪切變形而力不增加時的剪切應力。

3.5

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

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

關計算獲取感興趣區(qū)域的變形信息的技術。

4符號

表1給出了對接、搭接（點焊和縫焊）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剪切強度MPa

5測試方法和要求

5.1數(shù)字圖像相關技術測試系統(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行測試過程中剪切區(qū)發(fā)生的應

變變化過程進行測量。DIC測試系統(tǒng)由計算機、控制器、數(shù)碼相機、LED光源和拉伸試驗機

組成，如圖1所示。DIC測試系統(tǒng)應符合ASTME2208-02標準指南的要求。

圖1數(shù)字圖像相關技術測試系統(tǒng)組成

4

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5.2數(shù)字圖像相關技術工作原理

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

形時，散斑圖案也會發(fā)生相應變化。由數(shù)碼相機對剪切性能測試試樣的變形過程進行捕捉，

以每個計算點為中心（圖2中紅點所示），在參考圖像上選取一定區(qū)域作為當前計算點的子區(qū)，

通過子區(qū)內的像素點構造一定的互相關函數(shù)，計算位移和應變等數(shù)據(jù)并最終通過DIC測試系

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

圖2數(shù)字圖像相關技術計算應變原理

5.3數(shù)字圖像相關技術散斑制作流程

5.3.1散斑制作前準備

散斑制作前應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。

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

并采取必要的個人防護措施，如佩戴呼吸器、手套和防護眼鏡等。散斑制作應該在不影響物

體本身外觀和性能的前提下進行，以免對實際應用場景產生不利影響。

5.3.2散斑制作

噴漆前應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)域進行遮蓋和保護。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LED

光源照射金屬材料表面時會發(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)建高對比度的標記，使得特征點更容易被檢測和提取。第二步是

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

對散斑進行觀察，確保噴漆層厚度均勻，避免斑點不均勻和斑點過大/過小等問題。

5.3.3散斑質量檢查

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記的質量和準確性?？稍谖醇?/p>

載狀態(tài)下使用DIC測試系統(tǒng)進行散斑的檢測和驗證。理想的散斑圖案是高對比度、散斑點分

布隨機、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)噪點可控制在極低水平，并且能夠以非常低的誤差進行跟蹤測量。

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

能有朝向或遠離相機的任何平面外運動。由于DIC二維測試僅使用一臺相機，因此軟件必須

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

果測試不符合上述原則，則需要進行調整。

5.5數(shù)字圖像相關系統(tǒng)步長和圖像采集頻率的確定

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步長（Stepsize）的設置能夠第計算結果的準確度起決定性作用。應變的計算是以數(shù)據(jù)

點為單位的，且這些數(shù)據(jù)點由步長分開。對于每個數(shù)據(jù)點而言，需使用3個相鄰數(shù)據(jù)點計算

應變，這3個數(shù)據(jù)點的間距由步長決定，設置合適的步長會使得應變變化較為平滑。不同的

應用可能對圖像的采集頻率有不同的要求。為了能在單位時間內捕捉更多的變形信息，將采

集頻率調高至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所示的形狀進行加工。當對接/堆焊接頭的焊接方向沿圖3a)

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

38mm。由于搭接縫焊接頭的焊接方向為板材寬度方向，因此需保證重疊區(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

≥38mm。

a)對接/堆焊/點焊接頭試樣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）進行計算：

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

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根據(jù)公式1計算得到熔核直徑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

核直徑的基礎上適當減小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

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

與點焊接頭相同，但剪切試驗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標記

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

關標準有要求，應標記機加工方向，每個樣品應做標記以便識別其在試件中的準確位置。

6.2熱處理及時效

待測試焊接接頭一般不進行熱處理，但相關標準規(guī)定或允許被試驗的焊接接頭進行熱處

理除外，這時應在試驗報告中詳細記錄熱處理的參數(shù)。對于會產生自然時效的鋁合金，應記

錄焊接至開始試驗的間隔時間。

6.3測試試樣的機械加工

6.3.1一般要求

機械加工不得對剪切性能測試試樣性能產生影響，剪切性能測試試樣所有加工表面光潔

度至少達到Ra0.8。

6.3.2夾具

剪切性能測試試樣的夾具結構示意如圖6所示，宜由淬硬鋼加工制成。

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a)對接/堆焊接頭正視圖b)對接/堆焊/縫焊接頭側視圖c)點焊接頭側視圖

圖6剪切性能測試試樣的夾具結構示意圖

6.4測量

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

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

6.5散斑制作及采集頻率的確定

剪切試驗測試前應在剪切區(qū)的一側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，然后用黑色斑點分散的疊加在白色背底上。此外，采用適當?shù)恼彰鳎ɡ缙窆猓?/p>

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

例標定以確保測試精度。步長大小應根據(jù)剪切性能測試試樣厚度進行調整，為保證應變計算

結果的準確性，剪切區(qū)寬度方向上至少要有3個數(shù)據(jù)點。采集頻率的設置可根據(jù)材料特性進

行調節(jié)。

7試驗程序

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

具及其附件到試驗機）時，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。加載前剪切區(qū)中心應在剪

切性能測試試樣載荷線0.025mm范圍內。對于點焊樣品，為了防止樣品邊緣和中心處應力

集中，需在剪切性能測試試樣兩側增加墊塊，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，在樣品斷裂時確定最大力Pmax。剪切測試全過程應被數(shù)碼相機完整記錄下

來，作為后續(xù)計算測試試樣剪切應變的依據(jù)。

8試驗結果及分析

8.1剪切強度計算

8

T/CWAN0096—2023

剪切強度計算公式如下：

P

Smax（2）

A

其中：

S-剪切強度，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剪切應力-應變計算

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)域進行剪切應變值的計算，剪

切應變?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測量結果，應報告剪切

區(qū)的平均剪切應變τ和/或剪切角α。如果只報告剪切角α，則計算剪切應變γ的公式為：

tan()(3)

剪切應力τ計算公式如下：

P

(4)

lt

其中：

P=瞬時作用力，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

剪切性能測試試樣斷裂后，應檢驗斷口表面，在斷口上對試驗可能產生有害影響的缺欠

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

點應予以記錄。

9試驗報告

試驗完成后應在報告中體現(xiàn)以下信息:

a）依據(jù)標準名稱；

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）剪切強度，單位為MPa；

h）觀察到的缺欠的類型和尺寸；

i）剪切應力-剪切應變關系曲線；

j）典型的檢測報告示例在附錄A中給出。

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