TiAl/40Cr扩散焊界面超声信号特征分析与缺陷智能识别研究

论文摘要

扩散焊在航空航天、电子及核工业等领域得到了广泛应用,在许多新材料的连接方面,其应用范围也日益扩大。扩散焊界面的缺陷严重影响界面的完整性、结构的力学性能进而影响焊接结构的在役服务性能。因此,采用无损检测手段,掌握缺陷的类型、大小和位置,对保证焊接结构的性能和使用寿命具有十分重要的意义。由于扩散焊接头中缺陷多为微米级,常规超声波检测该类缺陷非常困难,尤其对于异种材料扩散焊质量的检测,因界面两侧材料声阻抗的差异,进一步增加了检测的难度。采用改变扩散焊温度和焊接压力的方式,制备了不同焊接质量的试样。应用超声波C扫描成像技术,获得了试样的界面C扫描图像和包含界面信号的数据。从界面显微结构、接头强度、断口形貌和界面超声信号等角度出发,阐述了扩散焊界面未焊合缺陷、弱接合缺陷、微孔缺陷和焊接良好区域的各自特征。分析了超声波在钛铝金属间化合物(TiAl)和40铬钢(40Cr)之间空气间隙上的反射特性,揭示了反射系数的幅度和相位与超声波频率和空气间隙厚度之间的关系。采用傅立叶变换的方法研究了超声波在TiAl和40Cr扩散焊界面三种缺陷和焊接良好界面的幅频和相频特性,分析了检测增益和探头中心频率对反射特性的影响。未焊合、弱接合和微孔缺陷的幅频和相频特性曲线与焊接良好界面信号的有明显差别,利用幅频和相频特征可区分开三种缺陷和焊接良好界面。当增益增加未引起信号饱和采样时,对信号幅频和相频特性没有影响。探头的中心频率增加,信号幅频和相频特性保持不变。采用连续小波变换研究了TiAl和40Cr扩散焊界面缺陷和焊接良好信号的时频特征,分析了四种复值小波表征信号时频特征的性能以及小波参数、尺度与步长对时频特征的影响。采用时频能量模图像和时频相位图像表征了未焊合缺陷、弱接合缺陷、微孔缺陷和焊接良好界面信号的特征。时频分析揭示了扩散焊界面每一时刻的信号均具有相同的反射特性。建立了扩散焊界面缺陷智能识别模型,系统分析了训练样本数量、核函数、参数优化方法和特征值对模型性能的影响。实现了扩散焊界面未焊合、弱接合和微孔缺陷的智能识别,消除了界面回波对缺陷判断的影响。在此基础上,给出了试样抗剪强度与焊合率的经验公式,实现了接头强度的预测,预测强度与实测强度具有较好地对应关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 扩散焊界面常见缺陷及其特点
• 1.3 扩散焊界面缺陷无损检测与评价研究现状
• 1.3.1 脉冲回波法
• 1.3.2 超声频谱法
• 1.3.3 超声成像法
• 1.3.4 实时监测
• 1.3.5 非线性超声波技术
• 1.4 焊接缺陷智能识别的研究现状
• 1.4.1 人工神经元网络
• 1.4.2 支持向量机
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 扩散焊试样的制备及超声波信号采集
• 2.1 引言
• 2.2 试样的制备
• 2.2.1 材料及规格
• 2.2.2 扩散焊接工艺
• 2.3 超声波信号的采集
• 2.3.1 超声波检测系统
• 2.3.2 超声波检测方法
• 2.3.3 超声波C 扫描结果
• 2.4 界面的显微特征
• 2.4.1 未焊合缺陷
• 2.4.2 弱接合缺陷
• 2.4.3 微孔缺陷
• 2.4.4 焊接良好界面
• 2.5 界面的信号特征
• 2.6 接头抗剪强度试验
• 2.6.1 剪切试样规格和剪切夹具
• 2.6.2 接头的抗剪强度
• 2.6.3 断口特征
• 2.6.4 回波幅度与抗剪强度的关系
• 2.7 本章小结
• 第3章 扩散焊界面信号的幅频和相频特性
• 3.1 引言
• 3.2 超声波在扩散焊界面上的反射特性
• 3.3 典型界面信号的幅频和相频特性
• 3.3.1 未焊合缺陷
• 3.3.2 弱接合缺陷
• 3.3.3 微孔缺陷
• 3.3.4 焊接良好界面
• 3.4 检测增益对信号幅频和相频特性的影响
• 3.5 探头中心频率对信号幅频和相频特性的影响
• 3.6 扩散焊界面信号特征提取
• 3.6.1 特征提取的目的和思路
• 3.6.2 幅频斜率和相频均值
• 3.7 本章小结
• 第4章 扩散焊界面信号的时频特征
• 4.1 引言
• 4.2 连续小波变换
• 4.3 复Morlet 小波函数
• 4.4 扩散焊界面信号的时频图像优化
• 4.4.1 图像时频分辩率
• 4.4.2 时频尺度
• 4.4.3 尺度步长
• 4.5 典型界面信号的时频特征
• 4.5.1 时频能量特征
• 4.5.2 时频相位特征
• 4.6 扩散焊界面缺陷特征的提取
• 4.7 本章小结
• 第5章 扩散焊界面缺陷识别模型的构建与智能识别
• 5.1 引言
• 5.2 支持向量机的基本原理
• 5.2.1 线性可分支持向量机
• 5.2.2 线性不可分情况
• 5.2.3 非线性支持向量机
• 5.3 扩散焊界面缺陷识别模型的构建
• 5.3.1 样本数量对模型性能的影响
• 5.3.2 核函数对模型性能的影响
• 5.3.3 参数优化方法对模型性能的影响
• 5.3.4 特征值对模型性能的影响
• 5.3.5 模型的训练与性能测试
• 5.4 扩散焊界面缺陷的智能识别
• 5.4.1 扩散焊试样的识别
• 5.4.2 界面缺陷识别结果分析
• 5.4.3 接头强度的预测
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历