声发射技术在焊接裂纹检测中的应用研究

论文摘要

焊接作为一种材料成型技术,被广泛应用于各种重大结构工程及技术装备的制造。金属材料焊接时,由于焊接工艺选择不当或焊工操作不正确等原因,往往会导致焊缝或焊接热影响区产生焊接裂纹,而焊接工艺的制定又与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数、构件的形状和厚度以及焊后热处理状态等多种因素有关,任何一种因素所带来的不利影响都可能导致焊接裂纹的产生。要想实现理想的焊接过程控制和焊接质量保证,有必要对焊接物理过程的现象及本质进行深入的研究与分析。声发射是能够实施表征物理现象本质的一种无损测试方法。焊接过程中的电弧燃烧、熔滴过渡和金属材料的受力变形、相变、结晶凝固、位错运动以及裂纹的产生与扩展等事件都伴随着弹性能量释放,均会在焊件中产生声发射信号。因此可以通过分析接收到的声发射信号来监测焊接质量和帮助判断焊接构件的完整性和可服役性,适于焊接过程及焊件服役过程的早期事故预报。声发射(AE)检测技术正在被越来越广泛地用于材料的变形和断裂行为实时动态监测和分析。本文在广泛查阅国内外科技文献资料的基础上,归纳总结了声发射技术基本原理和应用现状,进行了声发射检测技术用于焊接裂纹监测的实用化研究。重点讨论了裂纹产生的声发射产生和传播原理,研究了声发射小波分析的分解和重构过程,对焊接裂纹声发射监测系统进行了软、硬件设计,并开发了一套基于虚拟仪器技术的焊接裂纹声发射监测分析系统平台。该系统的硬件部分由微型计算机、声发射传感器、放大和滤波电路及A/D数据采集卡等组成,软件部分则以LabVIEW虚拟仪器并结合工程数学软件Matlab进行设计,同时利用现代化的信号处理手段对采集到的声发射信号进行分析与处理。系统实现了信号采集、频率分析、小波分解、小波重构、功率谱分析、参数提取等模块功能,并通过对铸铁件和45号钢在不同拘束条件下焊接时的焊接接头的声发射数据进行采集和对比分析,得出其不同的裂纹信号特征,验证了裂纹信号频率主要集中在110kHz到190kHz之间,以及小波去噪的有效性,发现了一些有助于深入研究分析焊接裂纹的现象和规律,为最终实现将声发射检测技术有效地应用于焊接施工现场裂纹监测奠定了良好的基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 声发射简介
• 1.1.1 声发射技术
• 1.1.2 声发射技术的特点
• 1.1.3 声发射技术发展现状
• 1.2 声发射系统概述
• 1.2.1 硬件系统概述
• 1.2.2 软件系统概述
• 1.2.3 声发射监测系统发展现状
• 1.3 本文的研究意义和研究内容
• 1.3.1 焊接裂纹声发射监测的研究意义
• 1.3.2 主要做的工作
• 1.4 本章小结
• 2 声发射检测物理基础
• 2.1 声发射机理
• 2.1.1 位错运动的AE 源机理
• 2.1.2 裂纹形成与扩展的AE 源机理
• 2.2 声发射波的传播
• 2.2.1 波的传播模式
• 2.2.2 波的传播速度
• 2.2.3 波的反射、折射与模式转换
• 2.2.4 波的衰减
• 2.3 金属裂纹声发射信号
• 2.3.1 金属裂纹声发射信号特征
• 2.4 本章小结
• 3 声发射信号的处理和分析
• 3.1 声发射信号的参数分析方法
• 3.1.1 声发射信号的特征参数
• 3.1.2 声发射参数分析表示方法
• 3.2 声发射信号的波形分析
• 3.2.1 谱分析
• 3.2.2 模态声发射
• 3.2.3 小波分析技术
• 3.3 声发射噪声来源和消除
• 3.3.1 声发射噪声来源
• 3.3.2 声发射噪声消除
• 3.4 本章小结
• 4 焊接声发射监测系统的组成
• 4.1 声发射监测系统的总体设计
• 4.1.1 总体设计的原则和设计目标
• 4.1.2 系统的总体结构和设计内容
• 4.2 硬件设备设计
• 4.2.1 传感器
• 4.2.2 前置放大器
• 4.2.3 数据采集卡
• 4.2.4 焊接裂纹监测系统的其它硬件
• 4.3 软件系统的设计
• 4.3.1 软件开发环境
• 4.3.2 数据采集层实现
• 4.3.3 数据分析层实现
• 4.4 本章小结
• 5 焊接裂纹声发射试验及分析
• 5.1 焊接裂纹声发射监测试验概述
• 5.2 试验结果及分析
• 5.2.1 铸铁堆焊试验结果分析
• 5.2.2 CTS 拘束应力试验结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录