TCWAN0096-2023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

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—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

符号说明单位

L测试样品两槽之间的距离mm

t0测试样品厚度mm

l测试样品剪切区长度mm

t测试样品剪切区厚度mm

δ测试样品剪切区宽度mm

A测试样品剪切截面面积，A=l·tmm2

P剪切力N

Pmax最大剪切力N

S剪切强度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。

图1数字图像相关技术测试系统组成

4

T/CWAN0096—2023

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。

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，干扰图像处理，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（Stepsize）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。

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：

wh

d(1)

2

其中：

d=熔核直径（mm）

w=熔核宽度（mm）

h=熔核高度（mm）

图4焊接接头横截面示意图

6

T/CWAN0096—2023

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l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l的取值满足

l/δ≥4。剪切区宽度δ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)。

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，宜由淬硬钢加工制成。

7

T/CWAN0096—2023

a)对接/堆焊接头正视图b)对接/堆焊/缝焊接头侧视图c)点焊接头侧视图

图6剪切性能测试试样的夹具结构示意图

6.4测量

剪切性能测试试样剪切区厚度t的测量应在加工入试件的两个槽之间的位置进行。剪切

区长度的测量应在加工进试样的槽的两端之间，如图3中细节1所示。

6.5散斑制作及采集频率的确定

剪切试验测试前应在剪切区的一侧涂上平整的哑光散斑图案。建议用不反光的白色图案

作为背底，然后用黑色斑点分散的叠加在白色背底上。此外，采用适当的照明（例如偏振光）

以确保在数码相机中能够看到完整且清晰的剪切区，通过相机标定板对待测样品进行二维比

例标定以确保测试精度。步长大小应根据剪切性能测试试样厚度进行调整，为保证应变计算

结果的准确性，剪切区宽度方向上至少要有3个数据点。采集频率的设置可根据材料特性进

行调节。

7试验程序

如图6所示，将喷完漆后的剪切性能测试试样安装在试验夹具上。在装配加载装置（夹

具及其附件到试验机）时，要注意尽量减少由于夹具不对中引起的载荷偏移。为了获得满意

的对中效果，保持上下夹具的中心线重合偏差在0.75mm范围内。加载前剪切区中心应在剪

切性能测试试样载荷线0.025mm范围内。对于点焊样品，为了防止样品边缘和中心处应力

集中，需在剪切性能测试试样两侧增加垫块，如图6c)所示。依据GB/T228.1—2021规定对样

品逐渐连续加载，在样品断裂时确定最大力Pmax。剪切测试全过程应被数码相机完整记录下

来，作为后续计算测试试样剪切应变的依据。

8试验结果及分析

8.1剪切强度计算

8

T/CWAN0096—2023

剪切强度计算公式如下：

P

Smax（2）

A

其中：

S-剪切强度，单位为MPa；

Pmax-最大力，单位为N；

A-测试试样截面面积，单位为mm2。

8.2剪切应力-应变计算

在DIC测试系统中，根据样品尺寸选择合适的步长和区域进行剪切应变值的计算，剪

切应变为未变形状态下90°角到变形状态下新角度的变化。根据DIC测量结果，应报告剪切

区的平均剪切应变τ和/或剪切角α。如果只报告剪切角α，则计算剪切应变γ的公式为：

tan()(3)

剪切应力τ计算公式如下：

P

(4)

lt

其中：

P=瞬时作用力，单位为N；

l=剪切区长度，单位为mm；

t=剪切区厚度，单位为mm。t取值范围：0.25mm~1mm，具体根据板厚尺寸确定。

8.3断口表面检验

剪切性能测试试样断裂后，应检验断口表面，在断口上对试验可能产生有害影响的缺欠

都应在报告中记录，记录内容包括剪切区厚度（t）、缺欠类型、尺寸和数量。如果出现白

点应予以记录。

9试验报告

试验完成后应在报告中体现以下信息:

a）依据标准名称；

b）材料的类型；

c）接头形式；

d）试样尺寸；

e）剪切截面长度及厚度，单位为mm；

f）最大剪切力，单位为N；

g）剪切强度，单位为MPa；

h）观察到的缺欠的类型和尺寸；

i）剪切应力-剪切应变关系曲线；

j）典型的检测报告示例在附录A中给出。

9

T/CWAN0096—2023

附录A

（资料性）

检测报告示例

报告编号：

依据的焊接（或堆焊）工艺规程（WPS）：

制造商：

产品种类：

母材金属型号：

填充金属型号：

焊接方法：

接头形式：

试验温度：

表A.1剪切试验测试结果

试样尺寸剪切区长剪切区剪切说明

试样编号No./剪切强度

（长*宽）度厚度最大力（例如缺欠的

位置S/MPa

2

/mml/mmt/mmPmax/N类型和尺寸）

图A.1剪切应力-剪切应变关系曲线

检测：审核：

（签名和日期）（签名和日期）

10

ICS25.160.40

CCSJ33

团体标准

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

DIC-basedtestmethodforshearpropertiesofweldedjointandsurfacingjoint

2023-08-15发布2023-09-01实施

中国焊接协会发布

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—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