CN115078470A - 一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，采用基于微纳米传感器的监测单元对焊接结构的焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变；对焊接结构的服役状态进行监测，并对焊接结构进行安全评估。本发明通过对焊缝布控微纳米传感器以实现对焊接结构的服役状态进行监测，能够警示维修人员及时进行维护、维修，在发挥焊接结构最大服役期限的同时降低其危险性。

Description

一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，具体为一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法。

背景技术

焊接现早已广泛应用于机械、建筑、船舶、航空航天等领域，且随着社会的发展，形状复杂、规模宏大的焊接结构出现在世界各地。随着焊接方法、设备以及焊接材料的发展，焊接工艺和焊接质量也有了较大提升，但由于在焊接过程中存在不同的热循环(机械)作用，易在焊缝及其热影响区形成较大的晶粒组织，在服役过程中存在较大的潜在危险。当焊接参数选定不当或焊接过程中受到外界因素干扰时，在焊接结构处易形成未焊透、未熔合、咬边、焊瘤、气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，随着服役时间的延长，在缺陷处往往形成应力集中区域而率先导致裂纹的萌生与扩展，最终导致结构失效。

为保证焊接结构在服役过程中的安全性，常采用超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、X射线检测(PT)等无损检测的方法对其进行探伤，以达到在不损坏被检测对象内部及表面结构、性质和状态的情况下对工件进行检查和测试，对其进行分析和评价。每种无损检测均有其特殊的检测方法和适宜的工作领域，无法适用于全部工件和缺陷，因此，在对某试件确定无损检测方案时，只有尽量采用多种无损检测方法，才能保证方法间的互补，从而取得更详细的产品和缺陷信息；昂贵的自动化测试设备成本，通常需要在停机状态下对结构进行检测，无法对金属材料提供实时在线的监测，大大降低了设备的生产效率；焊接结构的尺寸、工作环境也限制了无损检测技术的应用。这些因素均限制了无损检测市场进一步扩大，且由于其不具有实时在线性无法将设备寿命最大化。

结构健康监测(Structure Health Monitoring，SHM)指的是针对工程结构的损伤识别及其特征化的策略和过程。结构损伤指的是结构材料参数及其几何特征的改变。结构健康监测过程涉及使用周期性采样的传感器阵列获取结构响应、损伤敏感指标的提取、损伤敏感指标的统计分析以确定当前结构健康状况等过程。

本发明通过传感器分布来对焊接结构在服役过程中的状态进行监测，是针对焊接结构服役状态的一种监测方法。

发明内容

本发明的内容是提供一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，通过对焊缝布控微纳米传感器以实现对焊接结构的服役状态进行监测，能够警示维修人员及时进行维护、维修，在发挥焊接结构最大服役期限的同时降低其危险性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，采用基于微纳米传感器的监测单元对焊接结构的焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变；对焊接结构的服役状态进行监测，并对焊接结构进行安全评估。

进一步地，所述基于微纳米传感器的监测单元包括传感器单元及与其连接的电阻测量仪表，传感器单元包括单个微纳米传感器或微纳米传感器阵列，传感器单元将焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，电阻测量仪表对传感器单元输出的数字信号进行记录，计算处理后，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值。

进一步地，所述传感器单元具体是通过将微纳米传感器和柔性印刷电路进行粘接，再采用绝缘层对微纳米传感器进行封装而形成的。

进一步地，所述微纳米传感器由碳纳米管、石墨烯、二维导电材料、炭黑、金属纳米线中的任意一种或几种纳米导电材料组成。

进一步地，所述焊接结构健康监测方法，具体包括以下步骤：

S1、搭建测试平台：根据待测结构尺寸和形状对微纳米传感器、柔性印刷电路、绝缘层进行设计、裁剪及封装处理，对待测区域进行打磨、清洁处理，除去表面金属氧化物及油污，在焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处布控监测单元；

S2、计算焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值：传感器单元将焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，电阻测量仪表对微纳米传感器输出的数字信号进行记录，通过下式计算处理后，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值；

式中，ε为待测区域应变值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的实时电阻值，R₀为微纳米传感器采集的初始电阻值，(R-R₀)/R₀为微纳米传感器的电阻变化率；

S3、焊接结构的安全评估：结合步骤(2)中计算出的应变值ε，与焊接结构允许最大应变进行比较，和/或对焊接缺陷处裂纹的扩展进行监测，判断焊接结构是否失效，并根据在服役过程中应变的增量预测焊接结构的剩余寿命。

进一步地，所述焊接缺陷处裂纹的扩展进行监测方法为：(1)根据无损检测，找出裂纹方向和焊接结构在服役状态下所受载荷的方向判断裂纹处发生的裂纹类型，根据裂纹类型确定其平面应变的断裂韧性K_ic；(2)通过金属材料应力-应变曲线，由材料应变数据确定应力值，根据应力值计算裂纹处应力场强度因子K_i，当K_i>K_ic时，即可判定在该区域裂纹发生扩展。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的焊接结构健康监测方法，实现了对服役中的焊接结构应变状态进行监测；也实现了对焊接过程中焊接不当导致的焊接缺陷以及缺陷处裂纹的扩展监测；通过监测与结构所允许发生最大应变进行对比，对焊接结构进行安全评估，也可以根据不同的服役工况来规定预警值的大小，当应变达到预警值时进行预警。

(2)本发明通过微纳米传感器实时监测焊接结构，收集不同位置微纳米传感器的阻值变化，计算焊缝、热影响区以及焊接缺陷处不同区域的应变值，来实现对焊接结构的实时快速有效监测，实现对焊接结构长期高效进行监测。

(3)本发明的焊接结构健康监测方法，使用简便，计算简单，精确度高，耐久性强，尺寸和形状可自由设计，适用范围广，能够对焊接结构进行长期稳定有效的监测，能够实时反应出焊接结构处应变的大小并根据安全评估方法进行预警。

(4)本发明的焊接结构健康监测方法，适用于全部金属及焊接方法，应用范围广。

(5)本发明能够警示维修人员及时进行维护、维修，在发挥焊接结构最大服役期限的同时降低其危险性。

附图说明

图1是本发明的焊接结构健康监测方法工作架构图；

图2是本发明的焊接结构健康监测方法的监测单元结构示意图；

图3是实施例1电阻变化率-应变示意图；

图4是不同类型裂纹示意图；

图5是金属材料应力-应变曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，如图1所示，采用基于微纳米传感器的监测单元对焊接结构的焊缝、热影响区以及焊接缺陷处的应变数据进行采集，得到焊缝、热影响区以及焊接缺陷处的应变；对焊接结构的服役状态进行监测，并对焊接结构进行安全评估。

其中，如图2所示，监测单元包括传感器单元及与其连接的万能表，传感器单元为单个微纳米传感器或微纳米传感器阵列。传感器单元是通过将微纳米传感器和柔性印刷电路进行粘接，再采用绝缘层对微纳米传感器进行封装而形成的。万能表可根据传感器的数量进行连接，以达到对全部传感器同时进行采集的目的。

其中，微纳米传感器、柔性印刷电路、保护膜均可根据实际需要来进行裁剪及布控，传感器单元将焊缝、热影响区以及焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，电阻测量仪表对传感器单元输出的数字信号进行记录，计算处理后，得到焊缝、热影响区以及焊接缺陷处的应变值，再结合安全评估系数对焊接结构进行安全评估，以实现对焊接结构进行长期高效健康监测。

本发明的焊接结构健康监测方法，是为了实现对服役中的焊接结构进行结构健康监测与安全评估预警，首先根据焊接材料、焊接方法以及应用场景考虑焊缝及热影响区所允许发生最大应变，采用微纳米传感器对焊缝、热影响区以及焊接缺陷处进行实时监测，电阻测量仪表获取微纳米传感器的有效数据，并对实时监测的数据进行记录和计算，推断焊缝、热影响区以及焊接缺陷处的应变值，与允许最大应变对比以对焊接结构进行安全评估，实现对焊接结构长期高效的进行监测。

实施例1

一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，包括以下步骤：

S1、搭建测试平台：

采用专利CN 201911336931.8《一种用于监测复合材料液体成型工艺的传感器及制备方法》中的制备方法制备MXene/CNT传感器，依据实际待测位置及焊接结构形状、尺寸设计柔性印刷电路、微纳米传感器及绝缘层，将微纳米传感器阵列和柔性印刷电路进行粘接，再采用绝缘层聚酰亚胺对微纳米传感器阵列进行封装，并将封装后的传感器阵列布控在焊缝及其热影响区，连接万能表，搭建测试平台，接通电源，进行传感器信号采集。

S2、计算焊接结构应变值：

微纳米传感器对焊缝及其热影响区的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，万能表对微纳米传感器输出的数字信号进行收集记录，经计算处理后，得到焊缝及其热影响区应变值。计算方法如下：

式中，ε为待测区域应变值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的实时电阻值，R₀为微纳米传感器采集的初始电阻值，(R-R₀)/R₀为微纳米传感器的电阻变化率；

将传感器布控在焊缝及热影响区，之后采用拉伸机对焊接接头施加循环应力，采用万能表测出的拉伸过程中的传感器的电阻变化，(R-R₀)/R₀计算出的电阻变化率-应变示意图如图3所示。

S4、对焊接结构服役状态进行安全评估：

当传感器所受外加拉力时，其阻值会随着应变的上升而增加；当拉力释放时，阻值随着应变的减小而降低。反之，当所受载荷为压力时，阻值会随应变的增加而减小；随着应变的减小而增加。当焊接结构产生弯曲应变时，随着挠度的增加，位于内凹一侧的传感器由于受到挤压作用，阻值随挠度的增加而减小，随挠度的减小而增大；位于外凸侧的传感器则呈现出相反的趋势。因此，焊接结构所受载荷类型及大小不同，传感器的阻值会随之产生不同的变化。根据阻值变化的不同可根据上式计算出焊接结构不同位置的应变的类型及大小。与焊接结构所允许最大应变比较即可对焊接结构安全系数进行评估。

实施例2

一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，包括以下步骤：

S1、对焊接结构进行探伤处理：

对焊接结构处进行目视观察和无损检测，确定焊接结构存在的焊接缺陷尺寸及位置，根据不同材料、焊接方法、服役工况选择合适的焊接缺陷评估标准，评判接头是否符合服役要求，在存在焊接缺陷处布控微纳米传感器对服役过程中的应变进行监测，当存在焊接缺陷时，在焊接缺陷处会导致更为明显的应力集中现象，导致在该区域形成裂纹进而导致断裂。

根据裂纹面与应力的取向关系，如图4所示，裂纹类型可分为：

张开型(图4a，Ⅰ型)：外加拉应力垂直于裂纹面和裂纹前缘线，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展；

滑开型(图4b，Ⅱ型)：外加切应力即平行于裂纹面又垂直于裂纹前缘线，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展；

撕开型(图4c，Ⅲ型)：外加切应力平行作用于裂纹面且与裂纹前缘线平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展。

根据无损检测出的裂纹方向和焊接结构在服役状态下所受载荷的方向可推断出裂纹处发生的裂纹类型，即可确定出其平面应变的断裂韧性(K_Ⅰc、K_Ⅱc、K_Ⅲc)。

S2、搭建测试平台：

采用专利CN 201911336931.8《一种用于监测复合材料液体成型工艺的传感器及制备方法》中的制备方法制备MXene/CNT传感器，依据实际待测位置及焊接结构形状、尺寸设计柔性印刷电路、微纳米传感器及及绝缘层，将微纳米传感器阵列和柔性印刷电路进行粘接，再采用绝缘层聚酰亚胺对微纳米传感器阵列进行封装，并将封装后的传感器阵列布控在无损检测确定的焊接缺陷处，连接万能表，搭建测试平台，接通电源，进行传感器信号采集。

S3、计算裂纹处应力场强度因子：

微纳米传感器对焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，万能表对微纳米传感器输出的数字信号进行收集记录，经计算处理后，得到焊接缺陷处的应变值。计算方法如下：

式中，ε为待测区域应变值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的实时电阻值，R₀为微纳米传感器采集的初始电阻值，(R-R₀)/R₀为微纳米传感器的电阻变化率。

由金属材料应力-应变曲线(如图5所示)可知，当材料类型为已知时，由材料应变可对应推断出该区域应力值，根据裂纹处应力场强度因子(K_i)计算公式可计算出其K_i(i＝Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)值的大小，当K_i>K_ic(i＝Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)时，即可判定在该区域裂纹发生扩展。其中：

其中，Y为裂纹的形状因子，通常是量纲为1的裂纹长度a/W的函数；W为试样的宽度；σ为垂直于裂纹面方向的应力值；a为裂纹长度的一半；b为裂纹之间距离的一半；τ为应力在平行于裂纹面上的分量。

S4、对焊接结构进行安全评估：

根据不同材料、焊接方法、服役工况选择合适的焊接缺陷评估标准，通过上述步骤判断裂纹是否发生扩展，如果发生扩展进行无损检测，并根据焊接缺陷等级评判焊接裂纹尺寸是否满足焊接结构服役要求，依据其服役工况确定其安全系数，及时对焊接结构进行预警并对存在危险区域进行及时维修、更换。

综上，本发明的新型焊接结构健康监测方法，传感器可根据实际焊接结构的形状进行剪裁布控，导线与传感器采用导电胶进行连接，系统使用简便，计算简单，耐久性强，可以针对焊接结构实现长期实时监测，弥补了无损检测不能实时进行检测的不足，为实时掌握焊缝、热影响区应变以及裂纹扩展提供了新的思路，具有显著的进步。

本发明的新型焊接结构健康监测方法，适用于全部金属及焊接结构，可适用范围广，惟以上所述具体实施方式，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组(传感器、信号采集器)的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属于发明权利要求书涵盖范围之范畴。

Claims (6)

1.一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，采用基于微纳米传感器的监测单元对焊接结构的焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变；对焊接结构的服役状态进行监测，并对焊接结构进行安全评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：所述基于微纳米传感器的监测单元包括传感器单元及与其连接的电阻测量仪表，传感器单元包括单个微纳米传感器或微纳米传感器阵列，传感器单元将焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，电阻测量仪表对传感器单元输出的数字信号进行记录，计算处理后，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值。

3.根据权利要求2所述的一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：所述传感器单元具体是通过将微纳米传感器和柔性印刷电路进行粘接，再采用绝缘层对微纳米传感器进行封装而形成的。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：所述微纳米传感器由碳纳米管、石墨烯、二维导电材料、炭黑、金属纳米线中的任意一种或几种纳米导电材料组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：所述焊接结构健康监测方法，具体包括以下步骤：

S1、搭建测试平台：根据待测结构尺寸和形状对微纳米传感器、柔性印刷电路、绝缘层进行设计、裁剪及封装处理，对待测区域进行打磨、清洁处理，除去表面金属氧化物及油污，在焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处布控监测单元；

S2、计算焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值：传感器单元将焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变数据进行采集并将其转换为数字信号，电阻测量仪表对微纳米传感器输出的数字信号进行记录，通过下式计算处理后，得到焊缝、热影响区和/或焊接缺陷处的应变值；

式中，ε为待测区域应变值，K为微纳米传感器的应变系数，R为微纳米传感器的实时电阻值，R₀为微纳米传感器采集的初始电阻值，(R-R₀)/R₀为微纳米传感器的电阻变化率；

S3、焊接结构的安全评估：结合步骤(2)中计算出的应变值ε，与焊接结构允许最大应变进行比较，和/或对焊接缺陷处裂纹的扩展进行监测，判断焊接结构是否失效，并根据在服役过程中应变的增量预测焊接结构的剩余寿命。

6.根据权利要求5所述的一种基于微纳米传感器的焊接结构健康监测方法，其特征在于：所述焊接缺陷处裂纹的扩展进行监测方法为：(1)根据无损检测，找出裂纹方向和焊接结构在服役状态下所受载荷的方向判断裂纹处发生的裂纹类型，根据裂纹类型确定其平面应变的断裂韧性K_ic；(2)通过金属材料应力-应变曲线，由材料应变数据确定应力值，根据应力值计算裂纹处应力场强度因子K_i，当K_i>K_ic时，即可判定在该区域裂纹发生扩展。

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