多頻渦流裂紋重構(gòu)方法

1 引言
金屬柵格夾芯材料具有超輕、高比強(qiáng)/比剛度、高強(qiáng)韌、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)域有廣泛應(yīng)用前景[1]。表層面板和芯板間的焊接部位若出現(xiàn)裂紋損傷將會對夾芯板的力學(xué)性能和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生極大的影響，因此需要對其進(jìn)行役前和在役檢測。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)超聲和射線檢測方法無法對其焊部損傷進(jìn)行有效檢測，不適合作為超輕多孔材料夾芯結(jié)構(gòu)焊部損傷的檢測手段。渦流檢測技術(shù)具有對淺裂紋定量的獨(dú)特優(yōu)勢以及非接觸、檢測速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在焊部裂紋的檢測中已得到應(yīng)用[2-8]。對于夾芯板不銹鋼面板背面焊部裂紋的定量檢測，由于裂紋位于焊部（或附近），檢測信號信噪比通常較小，難以直接用來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的方法和合適的裂紋定量技術(shù)。

本文利用焊部噪聲和裂紋信號在幅值和相位等方面存在差異的特點(diǎn)，基于通過多頻演算方法來抽取裂紋信號用于裂紋識別和定量的思路，提出了一種基于多頻ECT信號的夾芯板焊部裂紋反演方法。并通過該方法使用實(shí)驗(yàn)檢測信號對裂紋形狀進(jìn)行了重構(gòu)，獲得了滿意裂紋定量結(jié)果，驗(yàn)證了所提方法的有效性。
2 基于多頻ECT信號的逆問題反演方法

基于渦流檢測信號的裂紋重構(gòu)問題可轉(zhuǎn)化為使以下殘差函數(shù)最小的優(yōu)化問題，




3 ECT實(shí)驗(yàn)信號的獲取及數(shù)據(jù)處理
3.1 原始ECT實(shí)驗(yàn)信號的獲取

檢測對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2×9，3×10個焊點(diǎn)，上面板的焊點(diǎn)尺寸為5mm×5mm×0.2mm，下面板的為5mm×5mm×0.3mm。為了獲得夾芯板焊接部裂紋的ECT實(shí)驗(yàn)信號，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長寬同為10mm×0.2mm，但深度分別1mm和2mm的人工裂紋。渦流檢測實(shí)驗(yàn)采用了如圖3所示的多頻渦流檢測系統(tǒng)。為減少提離噪聲檢測使用了能有效抑制提離噪聲的十字探頭。檢測中所采用的探頭提離為0.5 mm。為進(jìn)行多頻演算以消除焊部噪聲，同時檢測了50 kHz和 80 kHz的ECT信號。

3.2實(shí)驗(yàn)檢測信號的去噪及標(biāo)定
由于采用了能有效抑制提離噪聲的十字探頭獲取檢測信號，所采集的原始實(shí)驗(yàn)信號中已不含提離噪聲。為了消除實(shí)驗(yàn)信號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)處理方法對原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。圖5(a), (b)分別給出了經(jīng)信號處理的1mm和2mm深度焊部裂紋檢測信號的檢測信號。

為了消除檢測信號中所含的焊點(diǎn)噪聲，對兩個頻率的實(shí)驗(yàn)檢測信號進(jìn)行了多頻演算法。演算基準(zhǔn)噪聲信號采用了多處無損焊縫（點(diǎn)）的實(shí)驗(yàn)信號的平均。在實(shí)驗(yàn)檢測過程中，由于信號增益和相位的調(diào)節(jié)，會使實(shí)驗(yàn)檢測信號和數(shù)值模擬結(jié)果不符。為使二者可比，基于1mm深裂紋檢測信號求取了增益和相位調(diào)節(jié)系數(shù)，對其他實(shí)驗(yàn)檢測信號進(jìn)行了校正。圖6為實(shí)驗(yàn)檢測信號的多頻演算結(jié)果，圖7為標(biāo)定結(jié)果和相應(yīng)數(shù)值模擬計算結(jié)果的比較。由于標(biāo)定采用的基準(zhǔn)信號是1mm深的非焊接區(qū)域裂紋的檢測信號，故1mm深裂紋的實(shí)驗(yàn)信號標(biāo)定結(jié)果較好，2mm深裂紋的檢測信號的標(biāo)定結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)值模擬計算結(jié)果差異較大。

4  實(shí)驗(yàn)檢測信號的重構(gòu)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)檢測信號經(jīng)過消噪、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深裂紋的實(shí)驗(yàn)重構(gòu)結(jié)果與真實(shí)值的比較。其中(a)為裂紋形狀的重構(gòu)結(jié)果比較，(b)為裂紋信號比較。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-5mm及5mm；裂紋實(shí)際深度為1mm，重構(gòu)結(jié)果為0.93mm，精度為92.6%，裂紋實(shí)際長度為10mm，重構(gòu)結(jié)果為8.63mm，精度為86.3%。
    圖9為焊點(diǎn)根部2mm深裂紋的實(shí)驗(yàn)重構(gòu)結(jié)果。其中，(a)為裂紋形狀的重構(gòu)結(jié)果，(b)為2mm深裂紋信號的重構(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3.52 mm，實(shí)際位置為-5mm及5mm；裂紋長度的實(shí)際值為10mm，長度的重構(gòu)結(jié)果為7.72mm，是實(shí)際長度的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%。

5 結(jié)論
為解決金屬夾芯板內(nèi)面焊部裂紋的定量檢測難題，本文提出了一種基于ECT多頻信號的裂紋反演方法，并通過使用實(shí)驗(yàn)檢測信號對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)了本文所提反演方法的有效性和ECT檢測技術(shù)用于金屬夾芯板內(nèi)面焊部裂紋定量檢測的可行性。
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