基于红外热像技术研究变幅载荷下HFMI处理纵向加劲肋疲劳行为的新方法

《Welding in the World》：On the applicability of infrared thermography for investigating the fatigue behaviour under variable amplitude loading on the example of HFMI-treated longitudinal stiffeners

本研究针对变幅载荷(VAL)下焊接结构疲劳行为评估的难题，创新性地将红外热像技术(IRT)应用于高频机械冲击(HFMI)处理纵向加劲肋的疲劳性能研究。通过改进现有评估方法，成功实现了VAL条件下裂纹萌生和扩展过程的可视化监测，为焊接结构疲劳寿命评估提供了新的技术手段。

　　

在焊接工程领域，焊接结构在循环载荷作用下的疲劳失效一直是困扰工程安全的关键问题。由于几何和材料缺口效应，焊趾区域通常成为疲劳破坏的最关键部位，显著缩短了结构的疲劳寿命。为了改善这一状况，高频机械冲击处理(HFMI)等焊后处理技术被广泛应用，通过塑性变形焊趾区域，产生平滑的缺口几何形状、加工硬化表面和压缩残余应力，从而显著提高焊接接头的疲劳性能。

然而，传统评估方法在监测变幅载荷(VAL)条件下的疲劳行为时面临挑战。常规测量技术如应变计或位移传感器难以检测疲劳损伤的空间局部起始，也无法以空间分辨率监测裂纹扩展。红外热像技术(IRT)作为一种能够捕获试样表面较大区域的成像技术，特别适合分析裂纹萌生和后续裂纹扩展，但此前该方法主要应用于恒幅载荷(CAL)条件，在更符合实际工程条件的VAL场景下的应用研究尚属空白。

正是在这一背景下，Lea Wendler等研究人员在《Welding in the World》上发表了他们的最新研究成果，探讨了IRT在VAL条件下研究HFMI处理纵向加劲肋疲劳行为的适用性。该研究基于S355钢制成的单侧纵向加劲肋，采用HFMI处理后，在p(1/3)谱的VAL条件下进行疲劳试验，并同步进行IRT测量。

研究团队采用了几项关键技术方法：使用FLIR X6540sc红外相机以293.5Hz频率记录图像序列；应用基于归一化互相关的运动补偿算法处理图像位移；利用经验小波变换(EWT)生成无噪声参考信号；通过快速傅里叶变换(FFT)识别差异信号的基础频率，从而分离温度响应中的线性和非线性分量。

线性温度响应的分析

研究人员发现，通过改进的EWT方法可以有效地从VAL条件下的红外数据中提取线性温度响应分量。线性温度分量代表了热弹性效应，与施加的载荷成正比。研究结果表明，在疲劳试验初期，焊趾区域显示出明显增加的线性温度振幅，反映了这些位置的应力集中。随着裂纹萌生和扩展，线性温度振幅出现局部下降，表明应力重新分布和载荷传递减少。

非线性温度响应的分析

针对VAL条件下温度响应非线性分量的分析，研究团队开发了基于频率域的新方法。与传统CAL条件下使用预定频率的方法不同，VAL条件下的差异信号包含多个频率分量，需要为每个差异信号单独确定基础频率。通过FFT分析识别基础频率f₀，并提取相应的正弦波，可以有效地表征由耗散效应引起的非线性温度响应。

疲劳行为的图形评估

通过将线性和非线性温度振幅以彩色图形式呈现，研究人员能够直观地展示VAL条件下疲劳裂纹的萌生和扩展过程。对于50mm加劲肋试件，在N=20,000次载荷循环时，焊趾区域已显示出应力集中；在N=70,000次循环(7%的疲劳寿命)时，非线性温度振幅显著增加，表明塑性化增强；在N=200,000次循环(20%的疲劳寿命)时，下部焊趾处线性温度振幅的局部下降指示了裂纹萌生。

裂纹萌生行为的评估

通过分析预定区域内温度振幅随载荷循环数的演变，研究发现线性温度振幅在裂纹萌生开始后持续下降至接近零，而非线性温度振幅在疲劳寿命早期阶段没有显著变化。线性温度振幅的特征性下降趋势可作为裂纹萌生的指示，而非线性温度振幅的变化更多局限于裂纹尖端和接触区域。

研究结论表明，改进后的IRT评估方法能够有效应用于VAL条件下HFMI处理焊接接头的疲劳行为分析。通过图形化表示温度响应分布，可以实现裂纹萌生和扩展过程的定性观察。线性温度振幅的演变提供了评估裂纹萌生的可靠指标，而非线性温度振幅的变化更多与裂纹扩展过程中的局部现象相关。

这项研究的重要意义在于首次将IRT方法成功扩展到VAL条件，为焊接结构在更符合实际工程载荷条件下的疲劳性能评估提供了新的技术手段。该方法不仅适用于HFMI处理接头，也有望推广至焊态试件，为焊接结构的疲劳寿命预测和安全性评估提供了重要工具。未来研究将重点放在IRT数据与实际裂纹尺寸的相关性分析上，进一步量化评估结果，推动该技术在工程实践中的广泛应用。