Page 36 - 无损检测2022年第十二期
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周海鹏, 等:

   基于非线性超声检测的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命评价

   评估的核心内容, 也一直是车辆设计与制造过程中                           式中: E 为介质的弹性模量。
   的难点   [ 3 ] 。目前一般方法是根据疲劳评估标准, 通                        对于线性介质, 有 f ε ) =ε 。受组织不均匀及
                                                                           (
   过有限元仿真计算分析焊缝附近的应力, 同时通过                           材料内部微小缺陷影响, 超声波的传播介质会表现
                                                                       ()
   动力学仿真或动应力试验获得焊缝区域的载荷谱,                            出非线性效应, 即 f ε 中还会出现ε 的二次项及高
   基于应 力 计 算 结 果 和 载 荷 谱 计 算 焊 缝 的 疲 劳 寿             次项, 此时 f ε 可根据泰勒公式近似分解为
                                                                 ()
   命  [ 4-6 ] 。这类评估结果的准确性与模型精度直接相                                            1
                                                                                 2
                                                                    ()
                                                                  f ε = ε+ β ε +    …           ( 3 )
   关, 结合疲劳试验验证可获得更加可靠的评价结果,                                                  2
   但试验成本高、 时间长, 应用条件受限, 基于有限元                        式中: 为二次非线性系数, 以下简称非线性系数。
                                                          β
                                                          超声波一般由单一频率的正弦波激励, 在起始
   仿真的疲劳寿命估算结果往往得不到有效验证。
       相关研究表明, 疲劳损伤引起的非线性效应会                         位置有如下形式

   导致超声检测信号中出现特殊频率的信号成分, 利                                      u ( x = 0 , t ) =A 1 sin2π f 1 t  ( 4 )
   用非线性超声检测手段可对疲劳损伤进行检测, 获                           式中: A 1  为超声波基波的幅值;              为超声波的频
                                                                                   f 1
   取与疲劳寿命相关的检测信号特征, 实现疲劳寿命                           率。
   的无损评价     [ 7 ] 。                                      将式( 3 ) 代入式( 1 ), 并将式( 4 ) 作为边界条件,
       在疲劳损伤的非线性超声检测领域, 国内外学                         可求解得到
                                                                                (/
   者已取得了多种研究成果。赵立彬                [ 6 ] 采用非线性超              u ( x , t ) =A 1 sin [ 2π f 1 x c- t )] -
   声检测对 6061 铝合金母材及焊接接头的疲劳损伤                                   A 2 cos [ 4π f 1 x c- t )] …     ( 5 )
                                                                          (/
                                                                                     +
   过程进行了研究, 发现可以通过非线性参数来表征                           式中: A 2  为二次谐波的幅值, 可表示为
                                                                                     2
                                                                        2
   疲劳损伤程度; 高立等         [ 7 ] 采用超声 Lamb 波检测技                      A 2 =A 1 β x ( π f 1 )/( 2c )  ( 6 )
                                                                                2
   术对 5005 铝合金板材进行了非线性超声检测, 发现                          式( 5 ) 中右侧第一项表示基波成分, 第二项表示
   Lamb波的频散特性会导致基频幅值波动较大, 但                          二次谐波成分( 其信号频率是基波频率的两倍), 其
   二次谐波幅值可用于检测铝板的早期疲劳; 李海洋                           余项为三次及更高阶次的谐波成分; 由于高次谐波
   等  [ 8 ] 采用非线性 Ra y lei g h ( 瑞利) 表面波检测方法分        的能量占比非常小, 非线性超声检测中一般只考虑
   别对不同疲劳阶段下 Q235 钢的拉伸疲劳和腐蚀疲                         二次谐波成分。
   劳试件进行了分析, 发现超声非线性系数与疲劳周                                对于同组超声检测中由不同试件得到的同一处
   期数呈单调递增关系, 可用来表征材料的表面疲劳                           回波信号而言, 其传播距离 x 、 基波频率 f 1              及波速
   损伤程度。                                             c 一般不会改变, 则有
                                                                                2
                                                                             /
       基于上述研究成果, 以 FSW 接头为研究对象,                                       β ∝ A 2 A 1               ( 7 )
   提出了一种基于超声检测的焊缝疲劳寿命 估算方                               根据式( 7 ), 可通过测量基波和二次谐波的幅
   法。该方法采用非线性超声检测手段评价焊缝中疲                            值, 分析  β  的相对大小。
   劳损伤的累积程度, 根据疲劳寿命与超声检测信号                                与基于基波的传统超声检测相比, 非线性超声
   特征的相关关系来评价焊缝的疲劳寿命, 具有成本                           检测中的谐波信号对材料中包括疲劳损伤在内的微
   低、 可靠性高等优点, 可望推动疲劳寿命评价方法的                         小损伤更为敏感。材料疲劳过程中会产生微小的疲

   技术发展。                                             劳损伤并逐渐累积, 由这些疲劳损伤引起的非线性
                                                     效应也会逐渐增强。因为            β  可表征非线性效应的大
  1  疲劳损伤的非线性超声检测原理                                  小, 所以根据     β 的变化趋势可分析疲劳损伤的发展


      超声波在固体介质中的传播可由函数 u ( x , t )                   过程, 进而实现材料疲劳寿命的无损评价。
   表示, 该函数表示传播时间为t 、 传播距离为 x 处的
                                                     2  非线性超声检测方案
   声波振动幅度, 遵循如下波动方程              [ 9 ]
                  2
                                2
                 ∂u            ∂u                    2.1  检测对象
                        2
                    2 = cf ' ( ε )            ( 1 )
                 ∂t            ∂x 2                     选取厚度为8mm , 材料为6005A-T6 的铝合金
   式中: c 为超声波的传播速度; ( ε ) 为关于应变ε 的                   挤压板材进行了单轴肩 FSW 对焊, 焊后将焊接接
                             f
   函数, 由应力σ 与应变 ε 的关系决定, 即                           头磨平, 按照图 1 所示尺寸进行取样加工, 制备得到
                     σ=E f ε                  ( 2 )  FSW 焊接试件。
                            ()
    2

          2022 年 第 44 卷 第 12 期

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