鈦合金結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測實驗研究

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(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

0 引 言

鈦合金因具有比強高、耐蝕性好、耐熱性高，機械性能好等特點而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在飛機使用過程中，金屬材料的承力結(jié)構(gòu)發(fā)生故障的主要形式為疲勞斷裂，嚴(yán)重威脅飛行安全，因此,對飛機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時在線疲勞損傷狀態(tài)監(jiān)測十分重要。理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠在結(jié)構(gòu)安全隱患發(fā)生的初期，準(zhǔn)確將其發(fā)現(xiàn)并能夠定位和確定隱患的程度，進(jìn)而提供結(jié)構(gòu)的安全性評估，預(yù)測結(jié)構(gòu)損傷的剩余壽命，并對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行主動控制。

電渦流檢測可用于大多數(shù)導(dǎo)電材料的損傷檢測、適用范圍廣、易于同結(jié)構(gòu)集成、信號處理簡單，可以實現(xiàn)于被測材料不接觸等優(yōu)點，相關(guān)的研究和應(yīng)用越來越廣泛。損傷監(jiān)測是在無損監(jiān)測基礎(chǔ)上，對損傷實時在線地監(jiān)測，相比無損檢測，損傷監(jiān)測具有實時性、定量化的特點[1～3]。

為研究不同鈦合金寬度裂紋對輸出信號的影響規(guī)律，本文制備了不同裂紋寬度的TC4鈦合金試件，通過搭建的監(jiān)測系統(tǒng)，開展了鈦合金裂紋擴(kuò)展模擬監(jiān)測實驗研究。實驗結(jié)果表明：隨著裂紋寬度的增加，輸出信號幅值比增大，兩者呈正相關(guān)，通過檢測輸出信號，可以判斷是否出現(xiàn)裂紋，并且可以估計裂紋的寬度。模擬監(jiān)測實驗研究表明:傳感器能夠準(zhǔn)確地識別和定量監(jiān)測裂紋，精度達(dá)到1 mm。

1 電渦流監(jiān)測的基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電渦流傳感器中的線圈中通過高頻交變的電流時，線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，它會引起被測導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，感應(yīng)電渦流包含被測導(dǎo)體的損傷信息，又會反過來影響線圈的有效阻抗，通過分析線圈的有效阻抗可以定量推出其損傷信息，這就是電渦流檢測的基本原理[4～6],如圖1。

圖1 電渦流檢測基本原理

如果有一塊電導(dǎo)率為σ、磁導(dǎo)率為μ、厚度為t、溫度為T的金屬板，距離金屬板上方x處有一個半徑為r的線圈。當(dāng)線圈中通以正弦交變電流I時，線圈的周圍就產(chǎn)生了正弦交變磁場H。此時，置于此磁場中的金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，形成電渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到金屬板導(dǎo)電性能的影響，而渦流的反作用磁場又使線圈的阻抗Z發(fā)生變化，即

Z=F(σ,μ,r,x,t,I,ω).

如果只改變裂紋信息，其他參數(shù)保持不變，這樣阻抗就成為裂紋信息的單值函數(shù)。通過測定線圈阻抗的變化，根據(jù)相應(yīng)的算法，就可以得出裂紋的信息。電渦流檢測出被測材料的損傷后，確定其位置，分析損傷程度，進(jìn)而對被測材料的安全性評估，在保證安全的條件下，最大程度發(fā)揮材料的使用潛力。

2 渦流陣列傳感器

渦流陣列傳感器簡化物理模型如圖2所示。渦流陣列傳感器由共面的單匝激勵線圈和感應(yīng)線圈構(gòu)成。圖中共有4個感應(yīng)通道，從左到右依次為1,2,3,4通道，激勵線圈周期性延伸，感應(yīng)線圈位于感應(yīng)線圈的2條導(dǎo)線之間[7]。

傳感器工作時，激勵電流在矩形區(qū)域1,2,3,4內(nèi)產(chǎn)生激勵場，區(qū)域1,2,3,4內(nèi)所包含的感應(yīng)線圈產(chǎn)生感生電壓，而位于相應(yīng)區(qū)域下方的結(jié)構(gòu)損傷可通過渦流影響相應(yīng)通道的感生電壓，則感生電壓的變化可以判斷裂紋損傷的當(dāng)前位置，即渦流傳感器通過類似一種分段監(jiān)測的機制來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)裂紋損傷的定量監(jiān)測。

在交變載荷作用下，應(yīng)力集中部位出現(xiàn)疲勞源，進(jìn)而發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到通道1對應(yīng)的位置時，通道1內(nèi)的感應(yīng)磁場發(fā)生改變，通道1的輸出信號也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到通道2所對應(yīng)的位置時，通道2的輸出信號也相應(yīng)發(fā)生變化。依次類推，隨著裂紋擴(kuò)展，傳感器各個通道的輸出信號依次發(fā)生變化，通過記錄傳感器各個感應(yīng)通道輸出信號的變化就實現(xiàn)了對裂紋擴(kuò)展過程的監(jiān)測。

3 鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測模擬實驗

選用TC4鈦合金板材試驗件作為研究對象，裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件長200 mm,寬50 mm,厚4 mm，表面拋光處理。試件中心鉆直徑6 mm的圓孔，選用直徑0.1 mm的鉬絲進(jìn)行線切割，切割出長度為20 mm,寬度分別為0.2,0.3,0.4,0.5 mm的模擬裂紋。

為實現(xiàn)對TC4鈦合金不同寬度裂紋擴(kuò)展的模擬監(jiān)測，搭建監(jiān)測系統(tǒng)，完成信號發(fā)生、傳輸、采集、特征提取的全過程。裂紋監(jiān)測系統(tǒng)主要由渦流傳感器、激勵信號源、功率放大器、信號采集系統(tǒng)與信號處理五大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號產(chǎn)生、放大、傳輸、采集、處理及裂紋損傷判定[8]。圖4為傳感器裂紋監(jiān)測實驗探頭細(xì)節(jié)。

圖3 裂紋監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 傳感器裂紋監(jiān)測實驗探頭細(xì)節(jié)

3.1 TC4鈦合金基準(zhǔn)信號的測定

將四感應(yīng)通道渦流陣列傳感器貼附在TC4鈦合金板材表面，輸入激勵信號的頻率為3 MHz的正弦波。選取傳感器各感應(yīng)線圈的輸出電壓信號與激勵信號電壓的幅值比作為傳感器的特征量，作為傳感器的輸出信號。各通道輸出信號采樣數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 各通道輸出信號采樣數(shù)據(jù)(無裂紋)

從圖5中看出:傳感器的輸出信號幅值比平穩(wěn)，傳感器各個通道工作狀態(tài)正常，傳感器在TC4鈦合金表面工作時能夠保持高可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 在不同寬度裂紋下TC4鈦合金輸出信號的測定

將傳感器貼附在多功能試驗臺的探頭上。通過調(diào)節(jié)探頭的位置，使探頭和裂紋標(biāo)準(zhǔn)試件緊密接觸，并將傳感器置于裂紋上方，在不同寬度裂紋的條件下，觀察并記錄輸出信號。采集輸出信號幅值比，每組采樣100次，通過最小二乘法擬合得到相應(yīng)寬度裂紋下的輸出信號幅值比，各通道輸出信號如圖6所示。

圖6 不同寬度下各通道輸出信號對比

圖7為在不同裂紋寬度下，傳感器輸出信號幅值比的變化率。以第一通道為例，工作頻率為3 MHz條件下，輸出信號的基準(zhǔn)值為0.277 7，當(dāng)鈦合金板材含有0.2 mm裂紋時，輸出信號為0.285 6，變化率為2.84 %；當(dāng)鈦合金板材含有0.3 mm裂紋時，輸出信號為0.286 6，變化率為3.22 %；當(dāng)鈦合金板材含有0.4 mm裂紋時，輸出信號為0.288 2，變化率為3.79 %；當(dāng)鈦合金板材含有0.5 mm裂紋時，輸出信號為0.290 3，變化率為4.54 %。

圖7 輸出信號變化率

另外3個通道變化規(guī)律與第一通道相同。由此可見，當(dāng)出現(xiàn)裂紋后，各通道的輸出信號與無裂紋的基準(zhǔn)信號有較大的變化，即傳感器對裂紋有較好的檢測能力，并且隨著裂紋寬度的增加，輸出信號幅值比增大。

3.3 TC4鈦合金裂紋監(jiān)測模擬實驗

將試件固定在多功能試驗臺面板上，傳感器貼附在電動位移臺的探頭上，通過位移臺的精準(zhǔn)移動，帶動探頭在試件表面移動模擬裂紋的擴(kuò)展過程。首先將傳感器貼附在試件不含裂紋的地方，通過位移臺移動，逐步使傳感器4個通道依次通過含裂紋的區(qū)域，觀察并記錄輸出信號，輸出信號如圖8所示。

圖8 不同裂紋下各通道幅值比變化曲線

試件固定不動，通過傳感器的緩慢移動進(jìn)入裂紋來模擬裂紋擴(kuò)展，傳感器各個通道在進(jìn)入裂紋前和完全進(jìn)入裂紋之后，輸出信號比較穩(wěn)定。傳感器各個通道的輸出信號幅值比都有一個明顯的上升過程，表明傳感器正在進(jìn)入含裂紋區(qū)域。隨著輸出信號的穩(wěn)定，可知傳感器已完全進(jìn)入裂紋區(qū)域。裂紋寬度越大，相應(yīng)的輸出信號就越大。這是由于隨著試件模擬裂紋寬度的增加，試件中形成的感應(yīng)磁場相對減弱，對激勵磁場的削弱作用減小，使得感應(yīng)線圈輸出信號幅值比相對增大。

由各通道的輸出信號可以定量識別裂紋的長度。第一通道輸出信號增大，可以得知裂紋已經(jīng)擴(kuò)展至第一通道的感應(yīng)線圈，當(dāng)?shù)诙ǖ垒敵鲂盘栐龃螅f明裂紋擴(kuò)展至第二通道的感應(yīng)線圈，2個通道感應(yīng)線圈的間距決定傳感器可以定量識別裂紋的精確度，本文所用的傳感器可以定量識別1 mm的裂紋。

4 結(jié) 論

1)渦流陣列傳感器能夠較好地識別裂紋，當(dāng)通道的輸出信號幅值比有明顯的上升過程時，說明裂紋正在擴(kuò)展通過該通道的感應(yīng)線圈，隨著輸出信號幅值比的穩(wěn)定，可知裂紋已經(jīng)完全擴(kuò)展傳感器。傳感器感應(yīng)線圈的陣列化布置實現(xiàn)了對裂紋的定量化監(jiān)測，監(jiān)測靈敏度達(dá)到了1 mm。

2)當(dāng)鈦合金出現(xiàn)裂紋后，傳感器各通道的輸出信號與無裂紋的基準(zhǔn)信號有較大的變化，當(dāng)試件裂紋寬度增加時，傳感器輸出信號幅值比相應(yīng)增大，與裂紋寬度變化呈正相關(guān)。通過傳感器輸出信號幅值可以定性判斷裂紋的寬度。

參考文獻(xiàn):

[1] 袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 范孟豹.脈沖渦流解析模型研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2009, 43(9)：1621-1624.

[3] 苗恩銘.電渦流傳感器誤差修正技術(shù)研究[J].中國機械工程，2011,22(21)：2527-2529.

[4] 徐可北.渦流檢測[M].北京：機械工程出版社，2007.

[5] 陳 禎.小波分析在滲碳層深度渦流檢測信號處理中的應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[6] Russell Rick，Jablonski David，Washabaugh Andy，et.al.Development of meandering winding agnetometer(MWM)eddy current sensors for the health monitoring,odeling and damage detection of high temperature composite materials[C]∥32nd High Temple Workshop，Palm Springs，USA，2012.

[7] 焦勝博.基于渦流陣列傳感器的金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測方案可行性研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(8):43-46.

[8] 徐晨曦,闕沛文,毛義梅.脈沖渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計脈沖渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(6):95-97.