多频涡流裂纹重构方法

1 引言
金属栅格夹芯材料具有超轻、高比强/比刚度、高强韧、高能量吸收等优良性能，在航天航空、铁路运输等领域有广泛应用前景[1]。表层面板和芯板间的焊接部位若出现裂纹损伤将会对夹芯板的力学性能和相应结构的安全性产生极大的影响，因此需要对其进行役前和在役检测。由于夹芯板结构特殊以及各种方法本身的局限性，常规超声和射线检测方法无法对其焊部损伤进行有效检测，不适合作为超轻多孔材料夹芯结构焊部损伤的检测手段。涡流检测技术具有对浅裂纹定量的独特优势以及非接触、检测速度快、灵敏度高等优点，在焊部裂纹的检测中已得到应用[2-8]。对于夹芯板不锈钢面板背面焊部裂纹的定量检测，由于裂纹位于焊部（或附近），检测信号信噪比通常较小，难以直接用来判别裂纹的存在以及确定其大小和位置，需要寻找有效的降低噪声信号的方法和合适的裂纹定量技术。

本文利用焊部噪声和裂纹信号在幅值和相位等方面存在差异的特点，基于通过多频演算方法来抽取裂纹信号用于裂纹识别和定量的思路，提出了一种基于多频ECT信号的夹芯板焊部裂纹反演方法。并通过该方法使用实验检测信号对裂纹形状进行了重构，获得了满意裂纹定量结果，验证了所提方法的有效性。
2 基于多频ECT信号的逆问题反演方法

基于涡流检测信号的裂纹重构问题可转化为使以下残差函数最小的优化问题，




3 ECT实验信号的获取及数据处理
3.1 原始ECT实验信号的获取

检测对象夹芯板的上下面板和中间夹心层均采用奥氏体不锈钢SUS304制作，采用镍基焊料真空焊接。试件面板尺寸为215mm×70mm×3mm，上下面板分别有2×9，3×10个焊点，上面板的焊点尺寸为5mm×5mm×0.2mm，下面板的为5mm×5mm×0.3mm。为了获得夹芯板焊接部裂纹的ECT实验信号，采用机械方法将上下面板完全分离并在焊点根部采用电火花加工方法制作了两个长宽同为10mm×0.2mm，但深度分别1mm和2mm的人工裂纹。涡流检测实验采用了如图3所示的多频涡流检测系统。为减少提离噪声检测使用了能有效抑制提离噪声的十字探头。检测中所采用的探头提离为0.5 mm。为进行多频演算以消除焊部噪声，同时检测了50 kHz和 80 kHz的ECT信号。

3.2实验检测信号的去噪及标定
由于采用了能有效抑制提离噪声的十字探头获取检测信号，所采集的原始实验信号中已不含提离噪声。为了消除实验信号中的飘零噪声和高频白噪声，采取了强制归零和分段取均值的数据处理方法对原始实验数据进行了处理。图5(a), (b)分别给出了经信号处理的1mm和2mm深度焊部裂纹检测信号的检测信号。

为了消除检测信号中所含的焊点噪声，对两个频率的实验检测信号进行了多频演算法。演算基准噪声信号采用了多处无损焊缝（点）的实验信号的平均。在实验检测过程中，由于信号增益和相位的调节，会使实验检测信号和数值模拟结果不符。为使二者可比，基于1mm深裂纹检测信号求取了增益和相位调节系数，对其他实验检测信号进行了校正。图6为实验检测信号的多频演算结果，图7为标定结果和相应数值模拟计算结果的比较。由于标定采用的基准信号是1mm深的非焊接区域裂纹的检测信号，故1mm深裂纹的实验信号标定结果较好，2mm深裂纹的检测信号的标定结果和相应的数值模拟计算结果差异较大。

4  实验检测信号的重构结果
    实验检测信号经过消噪、多频演算和数据标定后，最后的结果作为逆问题的输入，用于重构位于焊点根部的裂纹尺寸和位置。
   图8为焊点根部1mm深裂纹的实验重构结果与真实值的比较。其中(a)为裂纹形状的重构结果比较，(b)为裂纹信号比较。裂纹左端点位置的重构结果为-4.1mm，右端点位置重构结果为4.5mm，实际位置为-5mm及5mm；裂纹实际深度为1mm，重构结果为0.93mm，精度为92.6%，裂纹实际长度为10mm，重构结果为8.63mm，精度为86.3%。
    图9为焊点根部2mm深裂纹的实验重构结果。其中，(a)为裂纹形状的重构结果，(b)为2mm深裂纹信号的重构结果。裂纹左端点位置的重构结果为-4.2mm，右端点位置的重构结果为3.52 mm，实际位置为-5mm及5mm；裂纹长度的实际值为10mm，长度的重构结果为7.72mm，是实际长度的77.1%，裂纹深度的实际值为2mm，重构结果为1.64mm，是实际深度的82.0%。

5 结论
为解决金属夹芯板内面焊部裂纹的定量检测难题，本文提出了一种基于ECT多频信号的裂纹反演方法，并通过使用实验检测信号对裂纹的尺寸和形状进行了重构，获得了满意的定量结果，证实了本文所提反演方法的有效性和ECT检测技术用于金属夹芯板内面焊部裂纹定量检测的可行性。
参考文献：
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[8] 黄建明 and 林俊明, 焊缝电磁涡流检测技术. 无损检测, 2004(02): p. 95-98.
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