多頻渦流裂紋重構方法

1 引言
金屬柵格夾芯材料具有超輕、高比強/比剛度、高強韌、高能量吸收等優良性能，在航天航空、鐵路運輸等領域有廣泛應用前景[1]。表層面板和芯板間的焊接部位若出現裂紋損傷將會對夾芯板的力學性能和相應結構的安全性產生極大的影響，因此需要對其進行役前和在役檢測。由于夾芯板結構特殊以及各種方法本身的局限性，常規超聲和射線檢測方法無法對其焊部損傷進行有效檢測，不適合作為超輕多孔材料夾芯結構焊部損傷的檢測手段。渦流檢測技術具有對淺裂紋定量的獨特優勢以及非接觸、檢測速度快、靈敏度高等優點，在焊部裂紋的檢測中已得到應用[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。

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，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驗檢測信號對裂紋形狀進行了重構，獲得了滿意裂紋定量結果，驗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問題可轉化為使以下殘差函數最小的優化問題，




3 ECT實驗信號的獲取及數據處理
3.1 原始ECT實驗信號的獲取

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，上面板的焊點尺寸為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實驗信號，采用機械方法將上下面板完全分離并在焊點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。渦流檢測實驗采用了如圖3所示的多頻渦流檢測系統。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實驗檢測信號的去噪及標定
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，所采集的原始實驗信號中已不含提離噪聲。為了消除實驗信號中的飄零噪聲和高頻白噪聲，采取了強制歸零和分段取均值的數據處理方法對原始實驗數據進行了處理。圖5(a), (b)分別給出了經信號處理的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噪聲，對兩個頻率的實驗檢測信號進行了多頻演算法。演算基準噪聲信號采用了多處無損焊縫（點）的實驗信號的平均。在實驗檢測過程中，由于信號增益和相位的調節，會使實驗檢測信號和數值模擬結果不符。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節系數，對其他實驗檢測信號進行了校正。圖6為實驗檢測信號的多頻演算結果，圖7為標定結果和相應數值模擬計算結果的比較。由于標定采用的基準信號是1mm深的非焊接區域裂紋的檢測信號，故1mm深裂紋的實驗信號標定結果較好，2mm深裂紋的檢測信號的標定結果和相應的數值模擬計算結果差異較大。

4  實驗檢測信號的重構結果
    實驗檢測信號經過消噪、多頻演算和數據標定后，最后的結果作為逆問題的輸入，用于重構位于焊點根部的裂紋尺寸和位置。
   圖8為焊點根部1mm深裂紋的實驗重構結果與真實值的比較。其中(a)為裂紋形狀的重構結果比較，(b)為裂紋信號比較。裂紋左端點位置的重構結果為-4.1mm，右端點位置重構結果為4.5mm，實際位置為-5mm及5mm；裂紋實際深度為1mm，重構結果為0.93mm，精度為92.6%，裂紋實際長度為10mm，重構結果為8.63mm，精度為86.3%。
    圖9為焊點根部2mm深裂紋的實驗重構結果。其中，(a)為裂紋形狀的重構結果，(b)為2mm深裂紋信號的重構結果。裂紋左端點位置的重構結果為-4.2mm，右端點位置的重構結果為3.52 mm，實際位置為-5mm及5mm；裂紋長度的實際值為10mm，長度的重構結果為7.72mm，是實際長度的77.1%，裂紋深度的實際值為2mm，重構結果為1.64mm，是實際深度的82.0%。

5 結論
為解決金屬夾芯板內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，并通過使用實驗檢測信號對裂紋的尺寸和形狀進行了重構，獲得了滿意的定量結果，證實了本文所提反演方法的有效性和ECT檢測技術用于金屬夾芯板內面焊部裂紋定量檢測的可行性。
參考文獻：
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