張東利，陳振茂，武美先，毛 贏

（1.西安交通大學(xué) 強(qiáng)度與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.太原科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，太原 030024）

金屬柵格夾芯材料具有超輕、高比強(qiáng)／比剛度、高強(qiáng)韌和高能量吸收等優(yōu)良性能，在航天航空、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景（圖1）［1］。表層面板和芯板間的焊接部位若出現(xiàn)裂紋損傷，將會(huì)對(duì)夾芯板的力學(xué)性能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生極大的影響，因此需要對(duì)其進(jìn)行役前和在役檢測(cè)。由于夾芯板結(jié)構(gòu)特殊以及各種方法本身的局限性，常規(guī)超聲和射線檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)其焊部損傷進(jìn)行有效檢測(cè)，不適合作為超輕多孔材料夾芯結(jié)構(gòu)焊部損傷的檢測(cè)手段。渦流檢測(cè)技術(shù)具有對(duì)淺裂紋定量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及非接觸、檢測(cè)速度快和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在焊部裂紋的檢測(cè)中已得到應(yīng)用［2－8］。對(duì)于夾芯板不銹鋼面板背面焊部裂紋的定量檢測(cè)，由于裂紋位于焊部（或附近），檢測(cè)信號(hào)信噪比通常較小，難以直接用來(lái)判別裂紋的存在以及確定其大小和位置，需要尋找有效的降低噪聲信號(hào)的方法和合適的裂紋定量技術(shù)。

筆者利用焊部噪聲和裂紋信號(hào)在幅值和相位等方面存在差異的特點(diǎn)，基于通過(guò)多頻演算方法來(lái)抽取裂紋信號(hào)，用于裂紋識(shí)別和定量的思路，提出了一種基于多頻ECT 信號(hào)的夾芯板焊部裂紋反演方法。通過(guò)該方法使用試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)對(duì)裂紋形狀進(jìn)行了重構(gòu)，獲得了滿意的裂紋定量結(jié)果，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 基于多頻ECT信號(hào)的逆問(wèn)題反演方法

基于渦流檢測(cè)信號(hào)的裂紋重構(gòu)問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為使以下殘差函數(shù)最小的優(yōu)化問(wèn)題：

式中c為裂紋形狀參向量，Zm（c）為參向量為c的裂紋對(duì)應(yīng)的阻抗信號(hào)的計(jì)算值，Zobsm為響應(yīng)的測(cè)量值，M為采樣點(diǎn)總數(shù)。

為了使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，采用共軛梯度法求解裂紋形參數(shù)。其主要公式為［9］：

式中an是迭代步長(zhǎng)；｛f｝n是第n次迭代的參數(shù)更新方向。

為對(duì)在焊接部位檢測(cè)到的裂紋－焊部混合信號(hào)進(jìn)行裂紋重構(gòu)，需要抽出檢測(cè)信號(hào)中裂紋信號(hào)。采用兩個(gè)不同頻率的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)多頻演算，抽出其中的裂紋信號(hào)作為試驗(yàn)信號(hào)Zobs用于裂紋重構(gòu)。為此，也需要計(jì)算多個(gè)頻率的檢測(cè)信號(hào)并在多頻演算后作為Zm（c）用于裂紋重構(gòu)。多頻演算的具體公式為：

式中f1和f2是用于演算的兩個(gè)檢測(cè)激勵(lì)頻率；α和θ是多頻演算變換系數(shù)，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)淖儞Q系數(shù)，可降低混合信號(hào)中的噪聲，增加信噪比。

為了快速計(jì)算參值c裂紋所對(duì)應(yīng)的ECT 檢測(cè)信號(hào)zm（c），本反問(wèn)題方法采用了基于A－φ法的高效信號(hào)算法［9］。由于試驗(yàn)信號(hào)zobsm是用多頻演算法演算的結(jié)果，其中焊縫噪聲很小，故在檢測(cè)信號(hào)計(jì)算時(shí)采用了無(wú)焊縫板來(lái)計(jì)算裂紋信號(hào)zm（c）。圖2為基于單個(gè)頻率ECT 信號(hào)的裂紋反演流程和筆者采用的多頻ECT 裂紋反演流程的對(duì)比。其重要不同之處就在于多個(gè)頻率信號(hào)的計(jì)算和多頻演算方法的應(yīng)用。

2 ECT試驗(yàn)信號(hào)的獲取及數(shù)據(jù)處理

2.1 原始ECT試驗(yàn)信號(hào)的獲取

檢測(cè)對(duì)象夾芯板的上下面板和中間夾心層均采用奧氏體不銹鋼SUS304制作，采用鎳基焊料真空焊接。試件面板尺寸為215mm×70mm×3mm，上下面板分別有2×9和3×10個(gè)焊點(diǎn)，上面板的焊點(diǎn)尺寸為5 mm×5 mm×0.2 mm，下面板的為5mm×5mm×0.3mm。為了獲得夾芯板焊接部裂紋的ECT 試驗(yàn)信號(hào)，采用機(jī)械方法將上下面板完全分離并在焊點(diǎn)根部采用電火花加工方法制作了兩個(gè)長(zhǎng)寬同為10 mm×0.2 mm，但深度分別1 和2mm的人工裂紋。渦流檢測(cè)試驗(yàn)采用了如圖3所示的多頻渦流檢測(cè)系統(tǒng)。為減少提離噪聲，檢測(cè)使用了能有效抑制提離噪聲的十字探頭。檢測(cè)中所采用的探頭提離為0.5mm。為進(jìn)行多頻演算以消除焊部噪聲，同時(shí)檢測(cè)了50和80kHz的ECT 信號(hào)。

2.2 試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)的去噪及標(biāo)定

由于采用了能有效抑制提離噪聲的十字探頭來(lái)獲取檢測(cè)信號(hào)，所采集的原始試驗(yàn)信號(hào)中已不含提離噪聲。為了消除試驗(yàn)信號(hào)中的飄零噪聲和高頻白噪聲，采取了強(qiáng)制歸零和分段取均值的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。圖5分別給出了經(jīng)信號(hào)處理的1和2mm 深度焊部裂紋的檢測(cè)信號(hào)。

為了消除檢測(cè)信號(hào)中所含的焊點(diǎn)噪聲，對(duì)兩個(gè)頻率的試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了多頻演算。演算基準(zhǔn)噪聲信號(hào)采用了多處無(wú)損焊縫（點(diǎn)）的試驗(yàn)信號(hào)的平均。在試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，由于信號(hào)增益和相位的調(diào)節(jié)，會(huì)使試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)和數(shù)值模擬結(jié)果不符。為使兩者可比，基于1mm 深裂紋檢測(cè)信號(hào)，求取了增益和相位調(diào)節(jié)系數(shù)，對(duì)其他試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了校正。圖6為試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)的多頻演算結(jié)果，圖7為標(biāo)定結(jié)果和相應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的比較。由于標(biāo)定采用的基準(zhǔn)信號(hào)是1mm 深的非焊接區(qū)域裂紋的檢測(cè)信號(hào)，故1 mm 深裂紋的試驗(yàn)信號(hào)標(biāo)定結(jié)果較好，2mm深裂紋的檢測(cè)信號(hào)的標(biāo)定結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果差異較大。

3 試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)的重構(gòu)結(jié)果

試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)消噪、多頻演算和數(shù)據(jù)標(biāo)定后，最后的結(jié)果作為逆問(wèn)題的輸入，用于重構(gòu)位于焊點(diǎn)根部的裂紋尺寸和位置。

圖8為焊點(diǎn)根部1mm 深裂紋的試驗(yàn)重構(gòu)結(jié)果與真實(shí)值的比較。裂紋左端點(diǎn)位置的重構(gòu)結(jié)果為－4.1mm，右端點(diǎn)位置重構(gòu)結(jié)果為4.5mm，實(shí)際位置為－5及5mm；裂紋實(shí)際深度為1mm，重構(gòu)結(jié)果為0.93 mm，精度為92.6%；裂紋實(shí)際長(zhǎng)度為10mm，重構(gòu)結(jié)果為8.63mm，精度為86.3%。

圖9為焊點(diǎn)根部2 mm 深裂紋的試驗(yàn)重構(gòu)結(jié)果。裂紋左端點(diǎn)位置的重構(gòu)結(jié)果為－4.2mm，右端點(diǎn)位置的重構(gòu)結(jié)果為3.52mm，實(shí)際位置為－5及5mm；裂紋長(zhǎng)度的實(shí)際值為10mm，長(zhǎng)度的重構(gòu)結(jié)果為7.72mm，是實(shí)際長(zhǎng)度的77.1%；裂紋深度的實(shí)際值為2mm，重構(gòu)結(jié)果為1.64mm，是實(shí)際深度的82.0%。

4 結(jié)論

為解決金屬夾芯板內(nèi)焊部裂紋的定量檢測(cè)難題，提出了一種基于ECT 多頻信號(hào)的裂紋反演方法。使用試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)，對(duì)裂紋的尺寸和形狀進(jìn)行了重構(gòu)，獲得了滿意的定量結(jié)果，證實(shí)了所提反演方法的有效性和ECT 檢測(cè)技術(shù)用于金屬夾芯板內(nèi)焊部裂紋定量檢測(cè)的可行性。

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