不等厚鋼板對接焊縫裂紋超聲SH 波監測試驗研究

趙 娜 李 娜 胡亞男

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

不等厚鋼板對接焊接廣泛應用于起重裝備、壓力容器等設備上[1]，這些設備是我國工業領域的重要支撐，其安全健康運行是經濟和社會發展的重要保障。然而由于鋼板的厚度不同造成形狀上的不連續，在對接焊縫處極易產生應力集中，隨著設備運行時間的增長，焊縫處可能產生裂紋，如果不及時檢出裂紋會在載荷作用下迅速擴展，嚴重時產生關鍵結構件的斷裂，不僅給企業造成巨大的經濟損失和人員傷亡，而且造成惡劣的社會影響。

目前一般采用超聲波[2]、超聲相控陣[3]、X 射線[4]等檢測方法對不等厚鋼板對接焊縫的裂紋進行檢測，但上述檢測一般在停機時進行，檢測效率低，影響設備的正常運行，且檢測結果不能對設備結構的運行情況做到實時掌握，無法得到設備運行過程中的結構裂紋擴展實時信息。超聲SH 波具有檢測范圍大、能量衰減慢、缺陷識別能力強等優點，在金屬板類結構裂紋的在線監測中具有顯著的優勢[5-6]。本文以岸邊橋式起重機前拉桿上的不等厚鋼板對接焊縫為研究對象，基于磁致伸縮的超聲SH 波監測技術深入開展不等厚鋼板焊縫裂紋監測試驗研究，采用時域、時頻域等方法分析監測信號隨裂紋擴展的變化情況，探索基于特征參數的焊縫裂紋演化表征方法，為不等厚鋼板對接焊縫的裂紋監測提供技術支撐。

1 磁致伸縮傳感原理

本文基于磁致伸縮原理開展不等厚鋼板對接焊縫的裂紋監測試驗研究。當無外加磁場時，鐵磁材料內部的各個磁疇均具有一定極化方向，在材料內部自由排列，材料總體表現為無磁性或磁中性；當在鐵磁性材料周圍加磁場時，磁疇偏轉至與外磁場相同的方向，宏觀上表現為在外磁場方向伸長，在磁場垂直方向上材料縮短[7]。這種鐵磁材料在外加磁場的作用下，其幾何尺寸沿磁化方向伸長或縮短的現象，稱為磁致伸縮效應[8-9]。

磁致伸縮傳感器是基于磁致伸縮效應工作的，由磁致伸縮帶材和感應線圈組成，工作原理如圖1 所示。對磁致伸縮帶材進行磁化使之產生靜態偏置磁場，當傳感器激勵信號時，在感應線圈中通入脈沖交流信號，此時在線圈中形成的動磁場與靜態偏置磁場相耦合，在磁致伸縮帶材中將產生剪切變形，傳遞至被測板類結構后，沿著與傳感器垂直的方向傳播超聲SH 波[10-11]。當傳感器接收信號時，依據楞次定律，超聲SH 波傳播引起的動磁場變化將使感應線圈輸出電壓信號[12]。

圖1 磁致伸縮傳感器原理圖

磁致伸縮傳感器產生的超聲SH 波在不等厚鋼板中傳播時，遇到焊縫裂紋等缺陷將產生反射，反射回波被傳感器接收后，通過將監測回波信號和無損傷時的基準信號進行對比，從而判斷缺陷的嚴重程度和大小。

2 焊縫裂紋演化監測試驗

為使焊縫裂紋演化監測的試驗條件更接近工程現場，試驗結果更精確地服務于工業應用，本文采用上海振華重工（集團)股份有限公司生產的岸邊橋式起重機前拉桿試件開展試驗研究，見圖2，由厚度分別為30 mm 和22 mm 的2 塊鋼板焊接而成，其長度分別為700 mm 和1 100 mm。在距離22 mm 厚鋼板邊緣300 mm 的位置布設磁致伸縮傳感器，用于產生激勵信號和接收經焊縫反射的回波信號。

焊縫裂紋演化監測試驗裝置由磁致伸縮傳感器、脈沖發生／接收器（型號：USB-UT350）和工業計算機等組成（見圖2）。在激勵信號的參數確定中，激勵頻率的選擇決定了監測靈敏度，當激勵頻率較高時，其對應的波長較小，對小缺陷比較敏感，并且可在板類結構中產生多個模態，缺陷對多個模態信號的影響可能使監測信號變化更明顯，因此本文選用中心頻率為256 kHz 的激勵頻率。基于此，本文采用中心頻率為256 kHz、電壓為300 V、經漢寧窗調制的正弦波信號對磁致伸縮傳感器進行激勵，傳感器采用自激自收的方式對焊縫裂紋進行監測。

使用切割機在不等厚鋼板的對接焊縫上切割凹槽來模擬裂紋。在同一位置依次進行11 次切割增大凹槽的寬度和深度（見圖3），從而模擬裂紋在載荷作用下的擴展，每次切割后采集5 次監測信號，共采集300 組數據（5 組×5 次×12 等級）。

圖3 焊縫裂紋演化趨勢模擬

根據頻散曲線（如圖4 所示）可知，激勵頻率為256 kHz 時在22 mm 厚鋼板上產生SH0、SH1、SH2和SH3等4 種模態的導波信號，計算各模態經焊縫裂紋和端面的反射回波到達傳感器的時間，見表1，缺陷反射回波的起始時間在0.52 ～0.92 ms 范圍內，右端面反射回波的起始時間集中在0.19 ～0.35 ms 之間，左端面反射回波的起始時間均大于0.97 ms，所以可利用波形到達時間區分缺陷信號和端面反射信號。本文對0.52 ～0.92 ms 時間段的監測信號進行分析。

表1 SH 回波到達時間（理論值）

圖4 22 mm 厚鋼板的SH 波頻散曲線圖

選取環境溫度相同或相近時不同裂紋等級的監測信號繪制波形圖，如圖5（a）～圖5（e）所示。可以看出，隨著裂紋等級的增大，在0.52 ～0.92 ms 時間段內，多個波包的信號變化明顯，其幅值呈逐漸增大的趨勢。

圖5 監測信號隨焊縫裂紋等級變化

為了更好地分析信號的時、頻域特性，本文采用短時傅里葉變換（STFT）對監測信號進行分析。通過滑移時窗對監測信號分段截取，假定被窗函數分割的每一個小段信號都是平穩的，然后對加窗后的信號逐段開展傅里葉變換，得到監測信號在不同時刻附近的傅里葉變換。從該信號中既能看出信號的頻率，也能看出頻率隨時間變化的情況。對焊縫裂紋回波信號進行短時傅里葉變換，如圖5（f）～圖5（j）所示，可以看出，隨著裂紋等級的增大，多個波包的能量逐漸增大，能更顯著地反映監測信號隨裂紋演化的變化趨勢。綜上所述，監測信號的時域和時頻域分析結果均表明，基于磁致伸縮的超聲SH 波技術可用于不等厚鋼板對接焊縫裂紋的在線監測。

3 基于特征參數的焊縫裂紋演化趨勢分析

上一節針對每個焊縫裂紋等級選取一組監測信號，對12 個等級的焊縫裂紋回波信號進行分析，得到監測信號隨裂紋演化的變化規律。然而在實際監測中，采用上述方法對所有監測信號進行分析，具有工作量大、結果顯示不直觀等缺點，因此研究基于特征參數的焊縫裂紋監測信號分析方法。由于隨著焊縫裂紋的演化，裂紋回波信號的幅值具有顯著變化，因此提取裂紋回波信號的峰峰值、能量、有效值（RMS）和頻域最大幅值等4 個特征參數進行分析。選擇焊縫裂紋回波信號中波形變化比較明顯的2 個時間段0.513 ～0.541 ms 和 0.718 ～0.734 ms，針對300 組監測信號，分別計算這2 個時間段內波形的4 個特征參數，繪制特征參數隨焊縫裂紋等級變化的曲線，如圖6、圖7所示，其中黑色線表示特征參數隨焊縫裂紋等級變化曲線，紅色線表示采集信號時的環境溫度。可以看出當環境溫度變化不大時，隨著焊縫裂紋的增大，特征參數呈顯著增大的趨勢。

圖6 時間段1 特征參數隨裂紋等級變化圖（續）

圖6 時間段1 特征參數隨裂紋等級變化圖

圖7 時間段2 特征參數隨裂紋等級變化圖

由以上分析可以看出，對不等厚鋼板焊縫裂紋演化進行實時在線監測，其裂紋回波信號的峰峰值、能量、有效值及頻域最大幅值等特征參數能有效反映裂紋的演化趨勢。并且由于超聲SH 波在中厚板傳播時的多模態特性，監測信號中多個波包特征參數的變化均與焊縫裂紋的演化趨勢相一致，其多模態特性在不等厚鋼板焊縫裂紋監測中發揮了顯著的優勢。

4 總結

本文基于磁致伸縮技術的超聲SH 波監測方法對不等厚鋼板對接焊縫的裂紋進行監測試驗研究，通過采用切割機在焊縫處切割不同長度和深度的凹槽，模擬焊縫裂紋的不斷演化。采用磁致伸縮傳感器及監測裝置對不同等級的焊縫裂紋進行信號采集，分析焊縫裂紋反射回波隨裂紋演化的變化情況，得到以下結論：

1）采用磁致伸縮傳感器及監測裝置對不同等級的焊縫裂紋進行監測試驗，通過對監測信號進行時域、時頻域分析可知，隨著裂紋等級的增大，焊縫裂紋反射回波呈顯著增大的趨勢。

2）在焊縫裂紋監測中很好地利用了超聲SH 波的多模態特性，選擇合適的激勵頻率，使得在監測信號中出現多個模態的波形，并且這些波包均隨著裂紋的演化顯著變化，體現了超聲SH 波多模態特性應用于結構損傷監測中的優勢。

3）從焊縫裂紋反射回波中提取了能反映焊縫裂紋演化的峰峰值、能量、有效值及頻域最大幅值等特征參數，利用這些特征參數可實現對大量監測信號的快速、有效分析。

綜上所述，基于磁致伸縮技術的超聲SH 波監測方法可實現對不等厚鋼板對接焊縫裂紋的實時有效快速監測，為焊縫裂紋監測的工程應用奠定了技術基礎。