Page 37 - 无损检测2022年第十二期
P. 37
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
( 试件厚度的 4 倍), 由此可以接收到超声波在试件
内经两次底面反射后的回波信号。
图 1 FSW 焊接试件尺寸示意
参照标准 GB / T3075-2008 《 金属材料 疲劳
试验 轴向力控制方法》对焊接试件进行阶段性疲 图 3 接触式双斜探头超声检测方式示意
劳试验, 采用正弦变化的交变载荷进行加载, 加载频
3 检测信号特征分析
率约为 100Hz , 应力比( 最小应力与最大应力的比
值) 为 0.1 , 设置最大应力为 120 MPa 。取预期疲劳 3.1 信号特征提取算法
( 7 , 采用基于高斯调制脉冲( GMP ) 模型的信号提
寿命 为 N 0 10 次), 将 试 件 分 别 疲 劳 至 0.1 N 0
, , , 且不出现疲劳失效, 即可获 取算法 [ 10 ] 对超声检测信号进行处理, 检测信号中各
0.3 N 0 0.5N 0 0.7N 0
得 10% , 30% , 50% , 70% 寿命的 阶段性疲劳试件。 回波信号s n t 可认为具有如下形式
()
每个阶段各获取 8 个试件, 另取 8 个未疲劳试件记 ( t- t n
)
s n t = a n ex p - 2 ×
()
2
为 0% 寿 命 阶 段 作 为 对 比。 对 各 阶 段 试 件 ( 共 40 b n
个) 进行非线性超声检测, 可分析得到检测信号特征 ( ) ( 8 )
cos2π f n t- t n + φ n
与疲劳寿命的相关关系, 并据此研究焊缝疲劳寿命 式中: a n 为信号幅值; t n 为信号传播时间; 为信
f n
的评价方法。 号频率; 为带宽因子, 与信号的
φ n 为信号相位; b n
2.2 检测系统 时域波形宽度和频域带宽相关。
采用 RITEC 公司的 RAM-5000SNAP 型非线 采用基于 GMP 模型的信号提取算法, 可将各
性超声检测系统发射和接收超声波信号, 同时配合 , , , , ) 的
回波 信 号 表 示 为 控 制 参 数 ( a n b n t n f n φ n
带通滤波器、 前置放大器等信号处理模块, 提取检测 GMP 模型, 结合互相关滤波估计各控制参数, 实现
信号的基波及二次谐波成分, 非线性超声检测系统 信号特征提取。文章按照如下流程分析检测信号,
结构框图如图 2 所示 [ 7 ] 。系统工作时, 激励信号经 并估计信号的非线性特征。
5MHz带通滤波器处理后, 由发射探头传播进入试 ( 1 )对于 5 MHz的基波信号和 10 MHz的二
件中; 采用宽带探头接收信号, 其中基波信号直接传 次谐波信号, 分别按对应的控制参数生成 GMP 模
入信号接收器, 同时通过 10 MHz带通滤波器提取 根据信
, , , , ), 其中b 0
型作为参考信号( a 0 b 0 t 0 f 0 φ 0
二次谐波信号并传入另一路信号接收器。 号特点估计得到, 即
, , , , )
① ( a 0 b 0 t 0 f 0 φ 0 5M = ( 1 , 0.4 , 0 , 5 , 0 );
, , , , )
② ( a 0 b 0 t 0 f 0 φ 0 10M = ( 1 , 0.4 , 0 , 10 , 0 )。
( 2 )计算检测信号与参考信号的互相关滤波,
的估计值,
提取滤波信号最大值出现的时刻作为t n
和
根据t n 处回波信号 的 时 域 与 频 域 特 征 估 计a n
; 基波信号取n=1 , 二次谐波信号取 n=2 , 分别
f n
估计以上信号特征。
是否在 5±0.5 MHz范围内,
( 3 )校核 f 1
f 2
是否在 10±1MHz范围内, 如超过该范围则认为信
号提取有误, 需要复核信号提取流程。
图 2 非线性超声检测系统结构框图 ( 4 )根据超声波的衰减规律, 仅考虑扩散衰减
采用如图 3 所示的接触式双斜探头检测方式对 的情况下, 超声波( 球面波) 的声压幅值与传播距离
阶段性疲劳试件进行检测。定制斜探头的 发射角 成反比, 笔者对信号幅值进行近似校正, 即
度, 使超声波在试件中形成折射角为 45° 的横波; 调 A n = a n t n n= 1 , 2 ( 9 )
/ ,
整探头位置使两个探头对应的折射点距离为 32mm 式中: a n 以 mV 为单位; t n 以 s为单位进行无量纲
μ
3
2022 年 第 44 卷 第 12 期
无损检测
