基于FBG應變傳感器的焊接接頭疲勞試驗

李山山,魏國前,成立夫,葉 凡

(武漢科技大學 冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，武漢 430081)

0 引 言

焊接結構廣泛用于工業生產，其常見問題是由疲勞載荷或腐蝕引起的疲勞損傷，而損傷的主要表現形式為疲勞裂紋。研究表明，焊件初始缺陷和焊縫幾何形狀的不連續極易造成應力集中，導致焊接結構在疲勞載荷下經常出現疲勞裂紋[1-3]。工程實踐表明，微小裂紋若不及時修復，可能導致嚴重后果。

為了檢測焊接結構的裂紋損傷，魏國前等[4]采用目測法觀察了疲勞斷口的海灘條帶，研究了裂紋的演變形態，揭示了初始裂紋萌生位置及其數量是影響裂紋演變形態的主要因素。陳群志等[5]采用著色探傷方法，研究了典型飛機復雜結構疲勞裂紋擴展過程，提出并建立了一種適用于確定復雜結構疲勞裂紋萌生壽命的工程方法。Shirahata等[6]采用超聲無損檢測方法，研究了十字焊接接頭疲勞裂紋與焊縫原始缺陷的區分問題，實現了對裂紋尖端的定位。目測、著色探傷、超聲檢測屬于離線方法，可有效檢測焊接結構中較大的裂紋缺陷，但精度較低，很難檢測出微小裂紋。此外，離線檢測方法一般都缺乏實時獲取損傷信息的能力。Nemati等[7]采用聲發射檢測方法，研究了鋼橋腹板模擬試件的聲波數據采集問題，證實了聲發射技術在捕獲、定位和預測裂紋擴展行為方面的適用性，但不能很好地解決噪聲干擾問題。張善智等[8]采用電位法研究了判斷構件表面疲勞裂紋長度及其出現位置的方法，但在試驗前，需建立起裂紋長度、裂紋位置與電位值之間的對應關系。一些國內外學者[9-11]采用壓電陶瓷(PZT)傳感器檢測方法，研究了焊接加強肋結構和金屬結構的裂紋識別與定位問題。Li等[12]利用壓電薄膜(PVDF)傳感器開發了焊接結構焊縫裂紋的檢測方法，可以精確定位裂紋的位置。但PZT與PVDF實際應用中極易受到電磁干擾的影響。孫昌之[13]通過在起重機金屬結構疲勞危險點布置應變片，來獲取裂紋損傷信息，但易出現數據漂移，且抗腐蝕性差。

本文采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG))應變傳感器監測裂紋萌生行為的方法。開展十字焊接接頭疲勞試驗，在薄板焊趾多個圓弧段凸頂點位置布置FBG應變傳感器，在拉伸疲勞試驗中實時記錄各測點的應變信息，通過對應變數據進行處理和分析，研究了焊縫裂紋的演變行為。

1 FBG應變傳感器工作原理

FBG是通過對在光纖內部寫入的光柵反射或透射布拉格波長光譜的檢測，實現被測結構的應變和溫度量值的絕對測量[14]。FBG應變傳感原理如圖1所示，光信號在FBG中傳播時，會發生反射和透射現象，其關系式為

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為FBG的中心波長;neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期。所有引起neff和Λ變化的外界條件(應力、應變和溫度等)都是控制FBG中心波長改變的參量。外界條件引起光柵布拉格波長漂移ΔλB改變可表述為

圖1 FBG應變傳感原理示意圖

ΔλB=2Λ·Δneff+2neffΔΛ

(2)

式中：ΔΛ表示光纖本身在應力作用下的彈性變形；Δneff表示光纖的彈光效應。光柵的軸向受力會引起Λ的變化；并且，光纖的彈光效應使得外界應變狀態改變會引起其neff的改變。所以，應變參量可以直接用來反映光柵布拉格波長漂移，這也是FBG應變傳感器可用于監測裂紋損傷的根本原因。

由式(1)和(2)可得:

(3)

Δneff/neff=-Peε

(4)

式中:Pe為光纖的彈光系數;ε為光柵的軸向應變，

(5)

L為光柵周期長度。將式(4)和(5)代入式(3)可得:

ΔλB/λB=ε(1-Pe)

(6)

式中:ΔλB為應變引起的波長漂移。對于石英光纖，Pe=0.22，因而恒溫條件下布拉格波長漂移與軸向應變呈理想線性關系。若取光柵的中心波長為1 541 nm，由式(6)可得FBG軸向應變靈敏度為1.202 pm/ε。因此，通過檢測光柵中心波長的變化，便可獲取FBG軸向應變的改變量。需要注意的是，實際應用中，若溫度變化顯著，還需考慮做溫度補償[15]。

2 試 驗

2.1 試 件

采用圖2所示十字焊接接頭試件開展疲勞試驗，試件母材的材料為Q345，其性能參數如下:σs=355 MPa,σb=560 MPa,σ=22 %,E=206 GPa,μ=0.3。試件共有4處拐角，其中3處拐角處直接加工成圓角形狀，另1處拐角加工成直角形狀，之后進行手工電弧焊，焊絲為CHW-50C6。焊后采用錘擊法消除殘余應力。試件制備完成后，采用砂紙對試件表面做打磨處理，以剔除殘留在試件表面上的缺陷和污漬，避免其對整個疲勞過程的影響。

圖2 十字焊接接頭幾何模型(mm)

2.2 FBG應變傳感器布置

在疲勞載荷下，為獲取薄板焊趾處裂紋萌生的關鍵信息，采用FBG應變傳感器測取疲勞危險點的應變信號。魏國前等[16]結合有限元分析和疲勞實驗驗證，得出焊趾圓弧段凸頂點為十字焊接接頭的疲勞危險點，因此本文將這一類特征點作為主要測點。具體說，共設定5個測點，其中：3個位于薄板焊趾圓弧段凸頂點，用于獲取裂紋萌生部位的應變信號；1個位于薄板表面，用于驗證試件承受的名義應變；1個位于厚板側面，用于溫度補償。測點布置情況如表1和圖3所示，表1中的“D-”定義為薄板焊趾曲線上FBG應變傳感器與左側端面的距離。

表1 FBG應變傳感器的光柵波長值及測點位置

圖3 FBG應變傳感器布置示意圖

需要注意的是，在粘貼FBG應變傳感器之前，需先將十字焊接接頭測點表面用酒精清洗干凈，避免表面殘留污漬影響測量結果。FBG應變傳感器具有較好的抗彎能力，在粘貼時，光柵一端可位于薄板表面；另一端可位于焊縫表面，以確保光柵中心點位于焊趾曲線上，此時的測量值可視為焊趾處的應變。

2.3 實驗過程

采用SDS-100電液伺服疲勞試驗機對十字焊接接頭試件進行疲勞加載，加載的頻率為10 Hz。薄板為主要受力件，受拉伸循環載荷，薄板的有效截面積為360 mm2，為了保證名義應力為0～200 MPa，施加0～72 kN的恒幅循環載荷。

拉伸加載過程中，FBG的反射信號由光纖光柵解調儀解調后轉換為電信號并被采集至計算機，采集頻率為100 Hz，檢測裝置如圖4所示。整個疲勞加載過程不設暫停，以保證數據的連續性。試驗的終止由疲勞試驗機的位移保護功能實現，當試件變形量超過預設的位移保護量±6 mm時，設備自動停止工作。

《孟子》一書為孟子晚年與弟子萬章等人編訂，主要記錄孟子游說諸侯及與時人、弟子的問答，體例上有意模仿《論語》，往往根據某一主題對內容進行編排，但并不嚴格。故閱讀《孟子》，除了逐字逐句的細讀外，還有兩條線索值得關注，一是時間線索，二是思想線索。《孟子》一書主要記載了孟子的思想，但他的思想不是書齋中的沉思和玄想，而是在游說諸侯的實踐中的宣教和主張，是對一個個具體現實問題的回應。孟子不是冥想的哲學家，而是充滿濟世情懷的行動者。故讀《孟子》，不能脫離歷史，不能抽象地看待其思想，而應結合其生平活動，了解其言論、主張的具體情境，想見其精神氣質和音容笑貌，這樣才可以“知人論世”，真正讀懂和理解《孟子》。

圖4 疲勞裂紋檢測裝置

3 試驗結果與分析

3.1 疲勞試驗結果

在0～72 kN的恒幅循環載荷下，試件循環加載到56.7萬次時，靠近2#、3#測點的一側首先開裂，為典型的邊裂紋引致斷裂，如圖5所示。由于試件變形量超過6 mm，設備停止運行，但試件并未完全斷裂。之后重新啟動疲勞實驗機，加大位移保護量，試件立刻被拉斷，試件最終疲勞斷口。如圖6所示，對所得疲勞斷口進行宏觀分析，可以辨別明顯的疲勞區與瞬斷區，其中：疲勞區有明顯的擴展及腐蝕痕跡，斷口較為平整、光滑；瞬斷區較為粗糙、清鮮，無表面磨損及腐蝕痕跡且斷面呈現45°坡角。

圖5 試件開裂

圖6 疲勞斷口及焊趾曲線

由圖6可以觀察到3處裂紋，1#、2#裂紋為半橢圓表面裂紋;3#裂紋由半橢圓表面裂紋逐漸演變為角裂紋。1#、2#、3#測點與裂紋萌生位置具有較好的一致性，1#、2#測點分別位于對應半橢圓裂紋的中心處，3#測點與對應裂紋中心有一定的距離，可能與測點距離試件端部較近有關。通過對照焊趾圓弧段凸頂點與疲勞斷口中裂紋所在位置，1#、2#裂紋恰位于焊趾圓弧段凸頂點，表明焊接接頭疲勞裂紋易萌生于焊趾圓弧段凸頂點。另外，1#、2#、3#裂紋大小及氧化程度不同，表明多裂紋的萌生時間不同步。

3.2 應變數據的處理及分析

利用MATLAB軟件對采集的信號進行處理，首先將所采集的波長信號轉換為應變信號，即

ε=(λcollect-λstart)×1 000/1.2

(7)

式中：λcollet為應變傳感器采集的實時波長值；λstart為應變傳感器未加載時的波長值。

基于上述公式，計算并繪制各個測點的應變時間歷程曲線，如圖7所示，其中，1#、2#、3#曲線為焊趾處的應變歷程，4#曲線為試件薄板處的應變歷程(即名義應變)。可以看到，1#、2#、3#測點經歷相似的變化趨勢，呈現“下降—平穩—上升—急劇下降”的形態，而4#測點則呈現“平穩-急劇上升并下降”的形態。4#曲線的穩定應變峰值為ε=1.001×10-3，這與理論值ε=0.970 9×10-3非常接近，表明應變測試結果具有較高的可靠性。

圖7 各個測點的應變時間歷程曲線

考察圖7中1#、2#、3#曲線的初始階段，應變循環的峰值均高于名義應變，隨著循環次數的增加，應變峰值和谷值逐漸減小并趨于穩定。上述現象表明試件材料具有明顯的硬化階段。在加載后期，應變循環的峰值和谷值同時增大，進入塑性流變階段，很快應變又急劇下降，直至試件斷裂。初始應變峰值、穩定應變峰值及范圍和后期最大應變數值如表2所示。

表2 應變測試結果

分別求取每個測點數據中各個加載循環的應變范圍，繪制應變范圍曲線，如圖8所示。可以看出，3個測點的應變范圍也呈現“下降—平穩—上升—急劇下降”的變化趨勢，關鍵數據見表2。值得注意的是，3#曲線中間階段的穩定值最大(ε=1 130×10-6)，并最先進入上升階段，1#曲線中間階段的穩定值最小(ε=1 003×10-6)，并最遲進入上升階段。結合圖6中的多裂紋狀態，可以發現應變范圍越大，裂紋尺度越大，表明該處的裂紋最先萌生。考慮以圖8中3條曲線的斜率突變點作為判斷裂紋萌生的臨界點，可以獲得裂紋萌生壽命及其壽命占比，如表3所示。

圖8 1#、2#、3#測點的應變變程時間歷程曲線

裂紋編號萌生循環次數/萬次萌生壽命占總壽命的比值/%1#47.779.52#44.373.43#33.966.5

由表3可以看出，焊趾多裂紋的萌生行為明顯不同步。當試件承受循環載荷時，焊趾曲線上應力集中最劇烈的位置(3#)首先萌生裂紋，裂紋沿焊趾曲線方向和板厚方向同時擴展，導致試件實際承載截面逐漸減小，相鄰的其他危險點(1#、2#)的應力水平不斷增大，當達到一定的臨界數值時，這些部位又會萌生新的裂紋，多個裂紋自身不斷擴展并相互融合，直至試件最終斷裂。因此，對于焊接結構而言，焊趾的不規則形狀極易導致焊趾多裂紋，而多裂紋的位置關系和時間不同步性對其融合和擴展行為有重要影響。

4 結 論

提出了一種基于FBG應變傳感器的裂紋檢測方法，并進行了試驗驗證，結果顯示：

(1)FBG應變傳感器較于其他檢測手段能夠較準確獲取焊趾多裂紋的萌生時間，且抗干擾能力強，穩定性好，適用性強。

(2)焊接結構的焊趾圓弧段凸頂點是裂紋易萌生位置，在捕捉焊接結構萌生裂紋試驗中，應該將應變傳感器布置在焊趾圓弧段的凸頂點。

(3)焊接結構的疲勞裂紋一般為多裂紋形式，并且各個裂紋的萌生時間不同步，導致最終的裂紋形態和疲勞壽命具有較大分散性。