基于FBG應(yīng)變傳感器的焊接接頭疲勞試驗(yàn)

李山山,魏國(guó)前,成立夫,葉 凡

(武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081)

0 引 言

焊接結(jié)構(gòu)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，其常見(jiàn)問(wèn)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(xiàn)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(xù)極易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下經(jīng)常出現(xiàn)疲勞裂紋[1-3]。工程實(shí)踐表明，微小裂紋若不及時(shí)修復(fù)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

為了檢測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的裂紋損傷，魏國(guó)前等[4]采用目測(cè)法觀察了疲勞斷口的海灘條帶，研究了裂紋的演變形態(tài)，揭示了初始裂紋萌生位置及其數(shù)量是影響裂紋演變形態(tài)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(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程，提出并建立了一種適用于確定復(fù)雜結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生壽命的工程方法。Shirahata等[6]采用超聲無(wú)損檢測(cè)方法，研究了十字焊接接頭疲勞裂紋與焊縫原始缺陷的區(qū)分問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂紋尖端的定位。目測(cè)、著色探傷、超聲檢測(cè)屬于離線方法，可有效檢測(cè)焊接結(jié)構(gòu)中較大的裂紋缺陷，但精度較低，很難檢測(cè)出微小裂紋。此外，離線檢測(cè)方法一般都缺乏實(shí)時(shí)獲取損傷信息的能力。Nemati等[7]采用聲發(fā)射檢測(cè)方法，研究了鋼橋腹板模擬試件的聲波數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，證實(shí)了聲發(fā)射技術(shù)在捕獲、定位和預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展行為方面的適用性，但不能很好地解決噪聲干擾問(wèn)題。張善智等[8]采用電位法研究了判斷構(gòu)件表面疲勞裂紋長(zhǎng)度及其出現(xiàn)位置的方法，但在試驗(yàn)前，需建立起裂紋長(zhǎng)度、裂紋位置與電位值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者[9-11]采用壓電陶瓷(PZT)傳感器檢測(cè)方法，研究了焊接加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的裂紋識(shí)別與定位問(wèn)題。Li等[12]利用壓電薄膜(PVDF)傳感器開(kāi)發(fā)了焊接結(jié)構(gòu)焊縫裂紋的檢測(cè)方法，可以精確定位裂紋的位置。但PZT與PVDF實(shí)際應(yīng)用中極易受到電磁干擾的影響。孫昌之[13]通過(guò)在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)布置應(yīng)變片，來(lái)獲取裂紋損傷信息，但易出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移，且抗腐蝕性差。

本文采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG))應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)裂紋萌生行為的方法。開(kāi)展十字焊接接頭疲勞試驗(yàn)，在薄板焊趾多個(gè)圓弧段凸頂點(diǎn)位置布置FBG應(yīng)變傳感器，在拉伸疲勞試驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信息，通過(guò)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，研究了焊縫裂紋的演變行為。

1 FBG應(yīng)變傳感器工作原理

FBG是通過(guò)對(duì)在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射布拉格波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對(duì)測(cè)量[14]。FBG應(yīng)變傳感原理如圖1所示，光信號(hào)在FBG中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，其關(guān)系式為

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為FBG的中心波長(zhǎng);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(yīng)力、應(yīng)變和溫度等)都是控制FBG中心波長(zhǎng)改變的參量。外界條件引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移ΔλB改變可表述為

圖1 FBG應(yīng)變傳感原理示意圖

ΔλB=2Λ·Δneff+2neffΔΛ

(2)

式中：ΔΛ表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性變形；Δneff表示光纖的彈光效應(yīng)。光柵的軸向受力會(huì)引起Λ的變化；并且，光纖的彈光效應(yīng)使得外界應(yīng)變狀態(tài)改變會(huì)引起其neff的改變。所以，應(yīng)變參量可以直接用來(lái)反映光柵布拉格波長(zhǎng)漂移，這也是FBG應(yīng)變傳感器可用于監(jiān)測(cè)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(shù);ε為光柵的軸向應(yīng)變，

(5)

L為光柵周期長(zhǎng)度。將式(4)和(5)代入式(3)可得:

ΔλB/λB=ε(1-Pe)

(6)

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

2 試 驗(yàn)

2.1 試 件

采用圖2所示十字焊接接頭試件開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，試件母材的材料為Q345，其性能參數(shù)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(jìn)行手工電弧焊，焊絲為CHW-50C6。焊后采用錘擊法消除殘余應(yīng)力。試件制備完成后，采用砂紙對(duì)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(duì)整個(gè)疲勞過(guò)程的影響。

圖2 十字焊接接頭幾何模型(mm)

2.2 FBG應(yīng)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(guān)鍵信息，采用FBG應(yīng)變傳感器測(cè)取疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)。魏國(guó)前等[16]結(jié)合有限元分析和疲勞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出焊趾圓弧段凸頂點(diǎn)為十字焊接接頭的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，因此本文將這一類特征點(diǎn)作為主要測(cè)點(diǎn)。具體說(shuō)，共設(shè)定5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中：3個(gè)位于薄板焊趾圓弧段凸頂點(diǎn)，用于獲取裂紋萌生部位的應(yīng)變信號(hào)；1個(gè)位于薄板表面，用于驗(yàn)證試件承受的名義應(yīng)變；1個(gè)位于厚板側(cè)面，用于溫度補(bǔ)償。測(cè)點(diǎn)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(yīng)變傳感器與左側(cè)端面的距離。

表1 FBG應(yīng)變傳感器的光柵波長(zhǎng)值及測(cè)點(diǎn)位置

圖3 FBG應(yīng)變傳感器布置示意圖

需要注意的是，在粘貼FBG應(yīng)變傳感器之前，需先將十字焊接接頭測(cè)點(diǎn)表面用酒精清洗干凈，避免表面殘留污漬影響測(cè)量結(jié)果。FBG應(yīng)變傳感器具有較好的抗彎能力，在粘貼時(shí)，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(diǎn)位于焊趾曲線上，此時(shí)的測(cè)量值可視為焊趾處的應(yīng)變。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用SDS-100電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)十字焊接接頭試件進(jìn)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(huán)載荷，薄板的有效截面積為360 mm2，為了保證名義應(yīng)力為0～200 MPa，施加0～72 kN的恒幅循環(huán)載荷。

拉伸加載過(guò)程中，F(xiàn)BG的反射信號(hào)由光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并被采集至計(jì)算機(jī)，采集頻率為100 Hz，檢測(cè)裝置如圖4所示。整個(gè)疲勞加載過(guò)程不設(shè)暫停，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。試驗(yàn)的終止由疲勞試驗(yàn)機(jī)的位移保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)試件變形量超過(guò)預(yù)設(shè)的位移保護(hù)量±6 mm時(shí)，設(shè)備自動(dòng)停止工作。

《孟子》一書為孟子晚年與弟子萬(wàn)章等人編訂，主要記錄孟子游說(shuō)諸侯及與時(shí)人、弟子的問(wèn)答，體例上有意模仿《論語(yǔ)》，往往根據(jù)某一主題對(duì)內(nèi)容進(jìn)行編排，但并不嚴(yán)格。故閱讀《孟子》，除了逐字逐句的細(xì)讀外，還有兩條線索值得關(guān)注，一是時(shí)間線索，二是思想線索?！睹献印芬粫饕涊d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(shuō)諸侯的實(shí)踐中的宣教和主張，是對(duì)一個(gè)個(gè)具體現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的回應(yīng)。孟子不是冥想的哲學(xué)家，而是充滿濟(jì)世情懷的行動(dòng)者。故讀《孟子》，不能脫離歷史，不能抽象地看待其思想，而應(yīng)結(jié)合其生平活動(dòng)，了解其言論、主張的具體情境，想見(jiàn)其精神氣質(zhì)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(cè)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

在0～72 kN的恒幅循環(huán)載荷下，試件循環(huán)加載到56.7萬(wàn)次時(shí)，靠近2#、3#測(cè)點(diǎn)的一側(cè)首先開(kāi)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(guò)6 mm，設(shè)備停止運(yùn)行，但試件并未完全斷裂。之后重新啟動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，加大位移保護(hù)量，試件立刻被拉斷，試件最終疲勞斷口。如圖6所示，對(duì)所得疲勞斷口進(jìn)行宏觀分析，可以辨別明顯的疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)，其中：疲勞區(qū)有明顯的擴(kuò)展及腐蝕痕跡，斷口較為平整、光滑；瞬斷區(qū)較為粗糙、清鮮，無(wú)表面磨損及腐蝕痕跡且斷面呈現(xiàn)45°坡角。

圖5 試件開(kāi)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?yōu)榻橇鸭y。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)與裂紋萌生位置具有較好的一致性，1#、2#測(cè)點(diǎn)分別位于對(duì)應(yīng)半橢圓裂紋的中心處，3#測(cè)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)裂紋中心有一定的距離，可能與測(cè)點(diǎn)距離試件端部較近有關(guān)。通過(guò)對(duì)照焊趾圓弧段凸頂點(diǎn)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(diǎn)，表明焊接接頭疲勞裂紋易萌生于焊趾圓弧段凸頂點(diǎn)。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(shí)間不同步。

3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)的處理及分析

利用MATLAB軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，首先將所采集的波長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變信號(hào)，即

ε=(λcollect-λstart)×1 000/1.2

(7)

式中：λcollet為應(yīng)變傳感器采集的實(shí)時(shí)波長(zhǎng)值；λstart為應(yīng)變傳感器未加載時(shí)的波長(zhǎng)值。

基于上述公式，計(jì)算并繪制各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程曲線，如圖7所示，其中，1#、2#、3#曲線為焊趾處的應(yīng)變歷程，4#曲線為試件薄板處的應(yīng)變歷程(即名義應(yīng)變)。可以看到，1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷相似的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)“下降—平穩(wěn)—上升—急劇下降”的形態(tài)，而4#測(cè)點(diǎn)則呈現(xiàn)“平穩(wěn)-急劇上升并下降”的形態(tài)。4#曲線的穩(wěn)定應(yīng)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(yīng)變測(cè)試結(jié)果具有較高的可靠性。

圖7 各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間歷程曲線

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

表2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

分別求取每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中各個(gè)加載循環(huán)的應(yīng)變范圍，繪制應(yīng)變范圍曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯?個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變范圍也呈現(xiàn)“下降—平穩(wěn)—上升—急劇下降”的變化趨勢(shì)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。值得注意的是，3#曲線中間階段的穩(wěn)定值最大(ε=1 130×10-6)，并最先進(jìn)入上升階段，1#曲線中間階段的穩(wěn)定值最小(ε=1 003×10-6)，并最遲進(jìn)入上升階段。結(jié)合圖6中的多裂紋狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變范圍越大，裂紋尺度越大，表明該處的裂紋最先萌生?？紤]以圖8中3條曲線的斜率突變點(diǎn)作為判斷裂紋萌生的臨界點(diǎn)，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(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變程時(shí)間歷程曲線

裂紋編號(hào)萌生循環(huán)次數(shù)/萬(wàn)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(dāng)試件承受循環(huán)載荷時(shí)，焊趾曲線上應(yīng)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(shí)擴(kuò)展，導(dǎo)致試件實(shí)際承載截面逐漸減小，相鄰的其他危險(xiǎn)點(diǎn)(1#、2#)的應(yīng)力水平不斷增大，當(dāng)達(dá)到一定的臨界數(shù)值時(shí)，這些部位又會(huì)萌生新的裂紋，多個(gè)裂紋自身不斷擴(kuò)展并相互融合，直至試件最終斷裂。因此，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)而言，焊趾的不規(guī)則形狀極易導(dǎo)致焊趾多裂紋，而多裂紋的位置關(guān)系和時(shí)間不同步性對(duì)其融合和擴(kuò)展行為有重要影響。

4 結(jié) 論

提出了一種基于FBG應(yīng)變傳感器的裂紋檢測(cè)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示：

(1)FBG應(yīng)變傳感器較于其他檢測(cè)手段能夠較準(zhǔn)確獲取焊趾多裂紋的萌生時(shí)間，且抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，適用性強(qiáng)。

(2)焊接結(jié)構(gòu)的焊趾圓弧段凸頂點(diǎn)是裂紋易萌生位置，在捕捉焊接結(jié)構(gòu)萌生裂紋試驗(yàn)中，應(yīng)該將應(yīng)變傳感器布置在焊趾圓弧段的凸頂點(diǎn)。

(3)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋一般為多裂紋形式，并且各個(gè)裂紋的萌生時(shí)間不同步，導(dǎo)致最終的裂紋形態(tài)和疲勞壽命具有較大分散性。