基于压电和应变效应的钢材焊缝在线监测传感方法的研究
我国是钢产量和钢使用大国，钢材作为一种常见建材被应用于大量的建筑中，大部分钢结构都需要进行焊接，焊接缺陷在结构制造和工程建设中一直引起重视。焊接接头处的熔合区决定了焊接工件的质量，熔合区又称半熔化区，它实际上是一个化学成分和组织成分都很不均匀的区域，焊缝中的各种缺陷常起源于这里，如裂纹、夹渣、气孔等。研究表明裂纹最可能引起脆性断裂，焊缝中裂纹产生初期不易察觉，往往伴随着应力集中而逐步扩大，外部表现为钢件局部的形变，国内外学者针对钢材焊缝的缺陷提出了很多无损检测方法，例如：超声波探伤、磁粉检测、射线检测和渗透检测等，而超声波探伤中常需要专用的仪器来分析回波信号的频谱；磁粉检测和渗透检测都需要人工现场检测，且操作复杂，只能检测焊件表面的缺陷；射线检测因对人体危害很大，需要专业的防护措施。鉴于目前的检测方法的局限性，本课题利用压电效应和电阻应变效应，针对水平和直角焊接两种工况的焊缝，提出了一种可以实时在线监测焊缝损伤程度的传感方法，并研制了钢材焊缝在线监测传感装置。 本文的主要研究内容及成果如下： （1）分析了国内外学者对钢材焊缝损伤检测的几种常用方法，对其各自特点和适用范围进行了总结，提出了利用压电和电阻应变效应相结合的焊缝损伤检测方法：对主动压电陶瓷以正弦信号激励，通过分析被动压电陶瓷的超声波响应来判断钢材焊缝损伤情况，通过贴电阻应变片法来测量钢材焊件的形变大小。并制作了可以在线监测钢材焊缝损伤程度的传感装置。 （2）设计了传感装置的硬件电路部分，主要包括：电源控制电路、一键下载电路、超声波发/收电路、有效值测量电路、相位差测量电路、信号处理电路（差分放大电路和有源带通滤波电路）和无线通讯电路。 （3）制作了水平焊接件和直角焊接件，搭建了钢材形变实验平台。通过用切割机制造凹槽来模拟裂纹，进而探究焊缝损伤程度对超声波特征量的影响，通过螺栓加载的方式来探究钢材焊件形变对压电陶瓷及电阻应变片测量信号的影响。 （4）在大量模拟钢材焊缝损伤实验的基础上，提出用扫频激励和单一频率激励相结合的方式来激励压电陶瓷，这种激励方式在一定程度上将温度对压电效应的影响降低，并在一定程度上消除了钢材焊缝处的形变对压电效应的影响，这使得传感装置的准确性和可靠性提高，同时单独采用贴电阻应变片法来测量钢材焊件的形变。 本课题针对两种常见钢结构的焊缝损伤提出了一种钢材焊缝在线监测传感方法，并研制了相应的在线监测传感装置，该传感装置使用压电陶瓷和电阻应变片这种简单的器件来作为执行元件和响应元件，相对于传统的检测方法及监测装置具有操作简单、体型小、成本低的优点，同时利用太阳能和可充电电池为传感装置供电，且传感装置具有数据无线远程传输的功能，为之后钢材焊缝损伤监测传感装置的便携化和智能化研究提供了借鉴。
无损检测;焊缝损伤;超声波;压电效应;电阻应变效应
中国计量大学
硕士
控制工程
李青;金卫良
2021
中文
TP274.53
2022-06-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）