U71Mn鋼焊接接頭疲勞損傷的非線性超聲檢測.pdf

1、焊接作為常用的連接手段，廣泛應用于航空、高速列車、橋梁建設以及汽車制造等工業(yè)領域中。焊接質量優(yōu)異的接頭在承受交變載荷時，也會產生疲勞損傷，危及焊接結構的使用。目前對焊接接頭的疲勞壽命進行預測需要通過復雜的計算才能實現(xiàn)，不能直接檢測材料內部的疲勞損傷。與常規(guī)疲勞預測方法相比，非線性超聲檢測技術使用相對簡單，能夠直觀地表征材料中的疲勞損傷。但是現(xiàn)階段焊接接頭的非線性超聲機理研究與結構疲勞損傷檢測的研究還處于起步階段，實際應用中缺乏完整的疲勞

2、壽命預測模型，特別是裂紋擴展過程中的非線性超聲響應模型，目前還需要進一步的完善。因此，焊接接頭疲勞損傷區(qū)域中非線性超聲響應特征的提取及相關研究，已成為目前研究人員重點關注的課題。
　　本文基于固體中超聲波波動理論，以U71Mn鋼為試驗材料，推導出沿立方晶體內部不同方向傳播的超聲波波動方程，選取了非線性檢測的波型，獲得了檢測中所使用的非線性系數的表達式；同時推導出非線性系數與材料損傷之間的關系，為非線性超聲檢測技術用于疲勞損傷表征提

3、供了理論依據。
　　基于位錯理論下?lián)p傷與非線性系數之間的關系，利用有限振幅超聲波穿透單個或多個位錯時產生的非線性效應，建立了位錯組織與超聲波之間的非線性效應模型。結合TEM觀察的疲勞區(qū)域結構組織形貌，對U71Mn鋼試件低頻加載后非線性系數的變化進行了理論解釋，研究表明，疲勞初期的損傷與非線性系數呈單調關系，非線性系數增加的主要原因是疲勞區(qū)域中位錯弦的拉長與位錯密度的上升。
　　探討了有限振幅超聲波與裂紋之間的相互作用，解釋了

4、二次諧波的產生原理。通過改變激勵信號幅值或作用于裂紋界面的加載力，研究了裂紋的不同閉合狀態(tài)對非線性系數的影響。研究結果表明，有限振幅超聲波信號幅值越高，其在裂紋界面由拉/壓效應產生的非線性效應越強；裂紋的閉合面積越大，有限振幅超聲波通過后產生的非線性效應越強；而宏觀裂紋的出現(xiàn)會降低超聲波的透射率，將會減弱非線性效應。結合以上三點分析，疲勞中后期產生的損傷與非線性系數將呈非單調關系；第一階段非線性系數增加主要是由于微裂紋的萌生與生長，而第

5、二階段非線性系數下降的原因是宏觀裂紋的形成。
　　非線性檢測中有限振幅波以不同入射角度通過疲勞區(qū)域時，產生的非線性效應也將不同。本文采用端面入射法、直入射法與斜入射法提取了承受疲勞載荷U71Mn鋼試件中的非線性系數。研究表明，斜入射法既能保證聲波與疲勞損傷區(qū)的相互作用，又對不同的焊接接頭有較好的適應性，可以獲得較好的非線性超聲測試結果。
　　通過透射電鏡與金相顯微鏡觀察不同低頻疲勞加載次數U71Mn鋼母材試件中的組織形貌，將

6、材料的損傷與提取的非線性系數進行關聯(lián)，建立了疲勞加載次數與非線性系數的關系曲線（β~N曲線）。發(fā)現(xiàn)位錯弦拉長與位錯密度增加造成了非線性系數的升高（5萬次前TEM形貌）；微裂紋的出現(xiàn)使非線性系數進一步升高（5-11萬次間金相照片）；而宏觀裂紋的擴展將引起非線性系數下降（11萬次加載后金相照片）。
　　利用HHT技術處理了穿透焊接接頭試件疲勞區(qū)域的超聲信號，結合位錯與裂紋的理論分析，將β~N曲線劃分為三個階段。第Ⅰ階段非線性系數呈緩慢

7、線性上升趨勢，對應疲勞初期應力集中與位錯增殖期（6萬次前）；第Ⅱ階段非線性系數呈快速線性上升趨勢，對應了疲勞過程中裂紋萌生（6-8萬次）及閉合裂紋產生（6-11萬次）階段；第Ⅲ階段非線性系數呈快速下降趨勢（11萬次后），對應了疲勞過程中的宏觀裂紋產生及生長階段。通過二次加載的方式，利用實驗獲得的β~N曲線預測了U71Mn鋼焊接接頭試件的剩余疲勞壽命，平均預測誤差不超過20％，最低預測誤差可達到4.63%。以上研究結果表明，利用β~N曲線