張東利，陳振茂，武美先，毛 贏

（1.西安交通大學 強度與振動教育部重點實驗室，西安 710049；2.太原科技大學 機電學院，太原 030024）

金屬柵格夾芯材料具有超輕、高比強／比剛度、高強韌和高能量吸收等優(yōu)良性能，在航天航空、鐵路運輸?shù)阮I域有廣闊應用前景（圖1）［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性能和相應結構的安全性產(chǎn)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(guī)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(yōu)勢以及非接觸、檢測速度快和靈敏度高等優(yōu)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。

筆者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。通過該方法使用試驗檢測信號對裂紋形狀進行了重構，獲得了滿意的裂紋定量結果，驗證了所提方法的有效性。

1 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(zhuǎn)化為使以下殘差函數(shù)最小的優(yōu)化問題：

式中c為裂紋形狀參向量，Zm（c）為參向量為c的裂紋對應的阻抗信號的計算值，Zobsm為響應的測量值，M為采樣點總數(shù)。

為了使目標函數(shù)達到最小，采用共軛梯度法求解裂紋形參數(shù)。其主要公式為［9］：

式中an是迭代步長；｛f｝n是第n次迭代的參數(shù)更新方向。

為對在焊接部位檢測到的裂紋－焊部混合信號進行裂紋重構，需要抽出檢測信號中裂紋信號。采用兩個不同頻率的檢測信號，通過多頻演算，抽出其中的裂紋信號作為試驗信號Zobs用于裂紋重構。為此，也需要計算多個頻率的檢測信號并在多頻演算后作為Zm（c）用于裂紋重構。多頻演算的具體公式為：

式中f1和f2是用于演算的兩個檢測激勵頻率；α和θ是多頻演算變換系數(shù)，通過選取適當?shù)淖儞Q系數(shù)，可降低混合信號中的噪聲，增加信噪比。

為了快速計算參值c裂紋所對應的ECT 檢測信號zm（c），本反問題方法采用了基于A－φ法的高效信號算法［9］。由于試驗信號zobsm是用多頻演算法演算的結果，其中焊縫噪聲很小，故在檢測信號計算時采用了無焊縫板來計算裂紋信號zm（c）。圖2為基于單個頻率ECT 信號的裂紋反演流程和筆者采用的多頻ECT 裂紋反演流程的對比。其重要不同之處就在于多個頻率信號的計算和多頻演算方法的應用。

2 ECT試驗信號的獲取及數(shù)據(jù)處理

2.1 原始ECT試驗信號的獲取

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和3×10個焊點，上面板的焊點尺寸為5 mm×5 mm×0.2 mm，下面板的為5mm×5mm×0.3mm。為了獲得夾芯板焊接部裂紋的ECT 試驗信號，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10 mm×0.2 mm，但深度分別1 和2mm的人工裂紋。渦流檢測試驗采用了如圖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0.5mm。為進行多頻演算以消除焊部噪聲，同時檢測了50和80kHz的ECT 信號。

2.2 試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來獲取檢測信號，所采集的原始試驗信號中已不含提離噪聲。為了消除試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(shù)據(jù)處理方法對原始試驗數(shù)據(jù)進行了處理。圖5分別給出了經(jīng)信號處理的1和2mm 深度焊部裂紋的檢測信號。

為了消除檢測信號中所含的焊點噪聲，對兩個頻率的試驗檢測信號進行了多頻演算。演算基準噪聲信號采用了多處無損焊縫（點）的試驗信號的平均。在試驗檢測過程中，由于信號增益和相位的調(diào)節(jié)，會使試驗檢測信號和數(shù)值模擬結果不符。為使兩者可比，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)，對其他試驗檢測信號進行了校正。圖6為試驗檢測信號的多頻演算結果，圖7為標定結果和相應數(shù)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(qū)域裂紋的檢測信號，故1 mm 深裂紋的試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(shù)值模擬計算結果差異較大。

3 試驗檢測信號的重構結果

試驗檢測信號經(jīng)過消噪、多頻演算和數(shù)據(jù)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 深裂紋的試驗重構結果與真實值的比較。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－5及5mm；裂紋實際深度為1mm，重構結果為0.93 mm，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2 mm 深裂紋的試驗重構結果。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3.52mm，實際位置為－5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%。

4 結論

為解決金屬夾芯板內(nèi)焊部裂紋的定量檢測難題，提出了一種基于ECT 多頻信號的裂紋反演方法。使用試驗檢測信號，對裂紋的尺寸和形狀進行了重構，獲得了滿意的定量結果，證實了所提反演方法的有效性和ECT 檢測技術用于金屬夾芯板內(nèi)焊部裂紋定量檢測的可行性。

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