趙 娜 李 娜 胡亞男

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

不等厚鋼板對接焊接廣泛應用于起重裝備、壓力容器等設備上[1]，這些設備是我國工業(yè)領域的重要支撐，其安全健康運行是經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要保障。然而由于鋼板的厚度不同造成形狀上的不連續(xù)，在對接焊縫處極易產(chǎn)生應力集中，隨著設備運行時間的增長，焊縫處可能產(chǎn)生裂紋，如果不及時檢出裂紋會在載荷作用下迅速擴展，嚴重時產(chǎn)生關鍵結構件的斷裂，不僅給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，而且造成惡劣的社會影響。

目前一般采用超聲波[2]、超聲相控陣[3]、X 射線[4]等檢測方法對不等厚鋼板對接焊縫的裂紋進行檢測，但上述檢測一般在停機時進行，檢測效率低，影響設備的正常運行，且檢測結果不能對設備結構的運行情況做到實時掌握，無法得到設備運行過程中的結構裂紋擴展實時信息。超聲SH 波具有檢測范圍大、能量衰減慢、缺陷識別能力強等優(yōu)點，在金屬板類結構裂紋的在線監(jiān)測中具有顯著的優(yōu)勢[5-6]。本文以岸邊橋式起重機前拉桿上的不等厚鋼板對接焊縫為研究對象，基于磁致伸縮的超聲SH 波監(jiān)測技術深入開展不等厚鋼板焊縫裂紋監(jiān)測試驗研究，采用時域、時頻域等方法分析監(jiān)測信號隨裂紋擴展的變化情況，探索基于特征參數(shù)的焊縫裂紋演化表征方法，為不等厚鋼板對接焊縫的裂紋監(jiān)測提供技術支撐。

1 磁致伸縮傳感原理

本文基于磁致伸縮原理開展不等厚鋼板對接焊縫的裂紋監(jiān)測試驗研究。當無外加磁場時，鐵磁材料內部的各個磁疇均具有一定極化方向，在材料內部自由排列，材料總體表現(xiàn)為無磁性或磁中性；當在鐵磁性材料周圍加磁場時，磁疇偏轉至與外磁場相同的方向，宏觀上表現(xiàn)為在外磁場方向伸長，在磁場垂直方向上材料縮短[7]。這種鐵磁材料在外加磁場的作用下，其幾何尺寸沿磁化方向伸長或縮短的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應[8-9]。

磁致伸縮傳感器是基于磁致伸縮效應工作的，由磁致伸縮帶材和感應線圈組成，工作原理如圖1 所示。對磁致伸縮帶材進行磁化使之產(chǎn)生靜態(tài)偏置磁場，當傳感器激勵信號時，在感應線圈中通入脈沖交流信號，此時在線圈中形成的動磁場與靜態(tài)偏置磁場相耦合，在磁致伸縮帶材中將產(chǎn)生剪切變形，傳遞至被測板類結構后，沿著與傳感器垂直的方向傳播超聲SH 波[10-11]。當傳感器接收信號時，依據(jù)楞次定律，超聲SH 波傳播引起的動磁場變化將使感應線圈輸出電壓信號[12]。

圖1 磁致伸縮傳感器原理圖

磁致伸縮傳感器產(chǎn)生的超聲SH 波在不等厚鋼板中傳播時，遇到焊縫裂紋等缺陷將產(chǎn)生反射，反射回波被傳感器接收后，通過將監(jiān)測回波信號和無損傷時的基準信號進行對比，從而判斷缺陷的嚴重程度和大小。

2 焊縫裂紋演化監(jiān)測試驗

為使焊縫裂紋演化監(jiān)測的試驗條件更接近工程現(xiàn)場，試驗結果更精確地服務于工業(yè)應用，本文采用上海振華重工（集團)股份有限公司生產(chǎn)的岸邊橋式起重機前拉桿試件開展試驗研究，見圖2，由厚度分別為30 mm 和22 mm 的2 塊鋼板焊接而成，其長度分別為700 mm 和1 100 mm。在距離22 mm 厚鋼板邊緣300 mm 的位置布設磁致伸縮傳感器，用于產(chǎn)生激勵信號和接收經(jīng)焊縫反射的回波信號。

焊縫裂紋演化監(jiān)測試驗裝置由磁致伸縮傳感器、脈沖發(fā)生／接收器（型號：USB-UT350）和工業(yè)計算機等組成（見圖2）。在激勵信號的參數(shù)確定中，激勵頻率的選擇決定了監(jiān)測靈敏度，當激勵頻率較高時，其對應的波長較小，對小缺陷比較敏感，并且可在板類結構中產(chǎn)生多個模態(tài)，缺陷對多個模態(tài)信號的影響可能使監(jiān)測信號變化更明顯，因此本文選用中心頻率為256 kHz 的激勵頻率?；诖耍疚牟捎弥行念l率為256 kHz、電壓為300 V、經(jīng)漢寧窗調制的正弦波信號對磁致伸縮傳感器進行激勵，傳感器采用自激自收的方式對焊縫裂紋進行監(jiān)測。

使用切割機在不等厚鋼板的對接焊縫上切割凹槽來模擬裂紋。在同一位置依次進行11 次切割增大凹槽的寬度和深度（見圖3），從而模擬裂紋在載荷作用下的擴展，每次切割后采集5 次監(jiān)測信號，共采集300 組數(shù)據(jù)（5 組×5 次×12 等級）。

圖3 焊縫裂紋演化趨勢模擬

根據(jù)頻散曲線（如圖4 所示）可知，激勵頻率為256 kHz 時在22 mm 厚鋼板上產(chǎn)生SH0、SH1、SH2和SH3等4 種模態(tài)的導波信號，計算各模態(tài)經(jīng)焊縫裂紋和端面的反射回波到達傳感器的時間，見表1，缺陷反射回波的起始時間在0.52 ～0.92 ms 范圍內，右端面反射回波的起始時間集中在0.19 ～0.35 ms 之間，左端面反射回波的起始時間均大于0.97 ms，所以可利用波形到達時間區(qū)分缺陷信號和端面反射信號。本文對0.52 ～0.92 ms 時間段的監(jiān)測信號進行分析。

表1 SH 回波到達時間（理論值）

圖4 22 mm 厚鋼板的SH 波頻散曲線圖

選取環(huán)境溫度相同或相近時不同裂紋等級的監(jiān)測信號繪制波形圖，如圖5（a）～圖5（e）所示。可以看出，隨著裂紋等級的增大，在0.52 ～0.92 ms 時間段內，多個波包的信號變化明顯，其幅值呈逐漸增大的趨勢。

圖5 監(jiān)測信號隨焊縫裂紋等級變化

為了更好地分析信號的時、頻域特性，本文采用短時傅里葉變換（STFT）對監(jiān)測信號進行分析。通過滑移時窗對監(jiān)測信號分段截取，假定被窗函數(shù)分割的每一個小段信號都是平穩(wěn)的，然后對加窗后的信號逐段開展傅里葉變換，得到監(jiān)測信號在不同時刻附近的傅里葉變換。從該信號中既能看出信號的頻率，也能看出頻率隨時間變化的情況。對焊縫裂紋回波信號進行短時傅里葉變換，如圖5（f）～圖5（j）所示，可以看出，隨著裂紋等級的增大，多個波包的能量逐漸增大，能更顯著地反映監(jiān)測信號隨裂紋演化的變化趨勢。綜上所述，監(jiān)測信號的時域和時頻域分析結果均表明，基于磁致伸縮的超聲SH 波技術可用于不等厚鋼板對接焊縫裂紋的在線監(jiān)測。

3 基于特征參數(shù)的焊縫裂紋演化趨勢分析

上一節(jié)針對每個焊縫裂紋等級選取一組監(jiān)測信號，對12 個等級的焊縫裂紋回波信號進行分析，得到監(jiān)測信號隨裂紋演化的變化規(guī)律。然而在實際監(jiān)測中，采用上述方法對所有監(jiān)測信號進行分析，具有工作量大、結果顯示不直觀等缺點，因此研究基于特征參數(shù)的焊縫裂紋監(jiān)測信號分析方法。由于隨著焊縫裂紋的演化，裂紋回波信號的幅值具有顯著變化，因此提取裂紋回波信號的峰峰值、能量、有效值（RMS）和頻域最大幅值等4 個特征參數(shù)進行分析。選擇焊縫裂紋回波信號中波形變化比較明顯的2 個時間段0.513 ～0.541 ms 和 0.718 ～0.734 ms，針對300 組監(jiān)測信號，分別計算這2 個時間段內波形的4 個特征參數(shù)，繪制特征參數(shù)隨焊縫裂紋等級變化的曲線，如圖6、圖7所示，其中黑色線表示特征參數(shù)隨焊縫裂紋等級變化曲線，紅色線表示采集信號時的環(huán)境溫度。可以看出當環(huán)境溫度變化不大時，隨著焊縫裂紋的增大，特征參數(shù)呈顯著增大的趨勢。

圖6 時間段1 特征參數(shù)隨裂紋等級變化圖（續(xù)）

圖6 時間段1 特征參數(shù)隨裂紋等級變化圖

圖7 時間段2 特征參數(shù)隨裂紋等級變化圖

由以上分析可以看出，對不等厚鋼板焊縫裂紋演化進行實時在線監(jiān)測，其裂紋回波信號的峰峰值、能量、有效值及頻域最大幅值等特征參數(shù)能有效反映裂紋的演化趨勢。并且由于超聲SH 波在中厚板傳播時的多模態(tài)特性，監(jiān)測信號中多個波包特征參數(shù)的變化均與焊縫裂紋的演化趨勢相一致，其多模態(tài)特性在不等厚鋼板焊縫裂紋監(jiān)測中發(fā)揮了顯著的優(yōu)勢。

4 總結

本文基于磁致伸縮技術的超聲SH 波監(jiān)測方法對不等厚鋼板對接焊縫的裂紋進行監(jiān)測試驗研究，通過采用切割機在焊縫處切割不同長度和深度的凹槽，模擬焊縫裂紋的不斷演化。采用磁致伸縮傳感器及監(jiān)測裝置對不同等級的焊縫裂紋進行信號采集，分析焊縫裂紋反射回波隨裂紋演化的變化情況，得到以下結論：

1）采用磁致伸縮傳感器及監(jiān)測裝置對不同等級的焊縫裂紋進行監(jiān)測試驗，通過對監(jiān)測信號進行時域、時頻域分析可知，隨著裂紋等級的增大，焊縫裂紋反射回波呈顯著增大的趨勢。

2）在焊縫裂紋監(jiān)測中很好地利用了超聲SH 波的多模態(tài)特性，選擇合適的激勵頻率，使得在監(jiān)測信號中出現(xiàn)多個模態(tài)的波形，并且這些波包均隨著裂紋的演化顯著變化，體現(xiàn)了超聲SH 波多模態(tài)特性應用于結構損傷監(jiān)測中的優(yōu)勢。

3）從焊縫裂紋反射回波中提取了能反映焊縫裂紋演化的峰峰值、能量、有效值及頻域最大幅值等特征參數(shù)，利用這些特征參數(shù)可實現(xiàn)對大量監(jiān)測信號的快速、有效分析。

綜上所述，基于磁致伸縮技術的超聲SH 波監(jiān)測方法可實現(xiàn)對不等厚鋼板對接焊縫裂紋的實時有效快速監(jiān)測，為焊縫裂紋監(jiān)測的工程應用奠定了技術基礎。