焊縫的超聲波檢測與有限元仿真

陳漢新，余 剛，楊詩琪，劉 岑，孫 魁

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

0 引 言

焊接技術(shù)現(xiàn)在在各種領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，特別是鍋爐、壓力容器、壓力管道和各種鋼結(jié)構(gòu)都是采用焊接方法制造的，通過焊接加工的鋼材幾乎占世界鋼材產(chǎn)量的50%以上.超聲檢測是提供焊接接頭質(zhì)量評價(jià)數(shù)據(jù)和焊縫缺陷定位的重要無損檢測手段之一.TOFD技術(shù)最早是在20世紀(jì)70年代提出來的，原理是超聲波在檢測時(shí)會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，M J Silk發(fā)現(xiàn)了這個(gè)重要的現(xiàn)象并將其用到超聲檢測當(dāng)中［1］.TOFD將探頭對稱分布于焊縫兩側(cè)，一個(gè)發(fā)出信號，另一個(gè)接收信號.檢測到缺陷時(shí)，接收探頭可以接收到直通波與反射波之間的衍射波.用Mutli軟件不僅可以自由設(shè)置超聲波檢測過程的各種參數(shù)，還可以輕易得出A掃描信號和TOFD圖像，TOFD圖像是將每個(gè)A掃描的信號顯示成的一維圖像線條沿探頭的運(yùn)動方向拼接成的二維視圖［2］.

用有限元ANSYS軟件對超聲波在固體中的傳播過程進(jìn)行仿真建模是將要檢測的試件看做是向同性均勻的［3］.超聲波的傳播是對物體具有聲壓的，所以本研究主要是將波的傳播過程看做是對物件的加載過程，從而得出的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測的結(jié)果進(jìn)行對比.期望在這方面能夠?qū)Τ暡ǖ臋z測有更多的實(shí)際幫助［4］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 焊縫自然缺陷的分類

焊縫缺陷根據(jù)其性質(zhì)、特征主要分為以下6個(gè)大類：（1）裂紋：縱向與橫向裂紋，弧坑裂紋與支狀裂紋等.（2）孔穴：氣孔，結(jié)晶縮孔，弧形坑孔等.（3）固體夾雜：夾渣，焊劑與溶劑夾渣，氧化物和金屬夾雜等.（4）未焊透及未熔合.（5）形狀和尺寸不良：咬邊，縮溝，下榻，焊瘤，錯(cuò)邊，燒穿，未焊滿等.（6）其它缺陷：電弧擦傷，飛濺等［5］.

在上述6種常見的缺陷中，肉眼可看見表面缺陷，不用檢測；未熔合和未焊接在檢測中很難區(qū)分開，所以不適合使用TOFD法檢測，這里不作過多表述.內(nèi)部缺陷包括氣孔與夾雜，非內(nèi)部缺陷則包括根部、邊緣、焊縫表面起的縱深裂紋等.焊縫中的橫向裂紋以及橫向排列的氣孔夾雜等通過射線檢測后能得到相當(dāng)精確的成像，但對于縱向排列的缺陷來說，射線檢測具有很大的局限性，焊縫最上方的缺陷或者最大的缺陷會將射線底片中所有的縱向缺陷的成像掩蓋［6］.因此焊縫內(nèi)部缺陷的檢測是本文的主要研究對象［7］.

1.2 模型的建立

圖1是TOFD檢測中5種常見的縱向自然缺陷.圖1（a）縱向裂紋；圖1（b）氣孔與夾雜；圖1（c）側(cè)壁未熔合；圖1（d）根部未焊透；圖1（e）內(nèi)凹與根部未融合.建模過程中首先根據(jù)要檢測的的試件的尺寸建立二維模型，然后根據(jù)檢測的結(jié)果在試件中勾畫出缺陷模型.對于簡單的裂紋氣孔缺陷可以直接在ANSYS直接建模；對于側(cè)壁、根部未熔合等不規(guī)則的缺陷可以在CAD軟件上建模然后導(dǎo)入到ANSYS中.

圖1 焊縫中5種常見的縱向自然缺陷示意圖Fig.1 Five kinds of common vertical natural defects in weld

1.3 實(shí)驗(yàn)對象

焊縫缺陷的TOFD法檢測.檢測的對象是實(shí)驗(yàn)室中定制的人為制作的縱向排列氣孔類型的自然缺陷試件，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)的時(shí)候?qū)⑻筋^沿著焊縫方向上下移動，觀察其A掃圖與B掃圖.A掃圖是將超聲信號的幅度與傳播的關(guān)系以直角坐標(biāo)的形式顯示出來，橫坐標(biāo)代表波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代表信號幅度.B掃圖顯示的是與聲束傳播方向平行且與工件的測量表面垂直的剖面.

圖2 缺陷試塊Fig.2 Natural welding defects test block

1.4 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

將相控陣探頭沿著焊縫一側(cè)移動，在沒有缺陷的時(shí)候?qū)趫D3左邊A掃圖中顯示探頭表面、探頭與楔塊之間、楔塊與被檢測物體之間的反射波，沒有缺陷回波的出現(xiàn).右邊的B掃圖中也沒有缺陷出現(xiàn).

當(dāng)探頭移動至有缺陷的位置時(shí)，此時(shí)的A掃圖中不僅出現(xiàn)以上3種反射波，還會出現(xiàn)缺陷回波，B掃圖中也會出現(xiàn)缺陷的位置，如圖4所示.

沿著兩個(gè)缺陷范圍拖動坐標(biāo)指針，記錄指針的幾何位置與缺陷位置幅值的變化，可以預(yù)判缺陷的大小位置，將其幾何示意圖的形式表示出來，如圖5所示.

圖3 無缺陷的情況Fig.3 The condition without any kind of defects

圖4 有缺陷的情況Fig.4 The condition with defects

圖5 自然缺陷的幾何示意圖Fig.5 Natural defects of weld geometry diagram

在檢測出實(shí)際的焊縫位置出來后.用TOFD法檢測該處缺陷.在試驗(yàn)的時(shí)候?qū)蓚€(gè)探頭固定在缺陷兩端，如圖6所示.在A掃圖中已經(jīng)觀測出來4種波，所以用不同的灰度就可以將其表現(xiàn)出來，如圖7所示.這樣有利于方便波形的辨認(rèn)與檢測判定，強(qiáng)調(diào)的是此灰度圖只是缺陷局部，而不是整體焊縫的情況.

圖6 TOFD檢測探頭分布Fig.6 TOFD detection probe distribution

圖7 TOFD法檢測焊縫的結(jié)果圖Fig.7 The results of the weld detection with the TOFD method

2 仿真部分

2.1 仿真原理

TOFD技術(shù)是基于焊縫中裂紋的上下尖端所產(chǎn)生的衍射波傳播的時(shí)間差值來確定裂紋尺寸的大小.在試驗(yàn)部分中，所選的探頭具有32個(gè)晶片，可以選擇其中的一系列晶片來施加特定規(guī)則的時(shí)間脈沖來控制超聲波的發(fā)射角度.所以仿真的過程就是模擬超聲波探頭在檢測試件表面上一系列特定節(jié)點(diǎn)上施加不同的脈沖信號［8］.

仿真的重點(diǎn)就是在不同的節(jié)點(diǎn)處施加具有時(shí)間延遲的載荷，這是根據(jù)惠更斯原理［9］中，聲束的角度（?）、速度（V）、相鄰晶片的時(shí)間延遲（Δt）、相鄰晶片之間的距離（d）的數(shù)學(xué)關(guān)系方程（1）決定的：

而脈沖激發(fā)的延時(shí)方程則通過分段函數(shù)來實(shí)現(xiàn).第一個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的方程是方程（2）：

第N個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的載荷方程是方程（3）：

在特定節(jié)點(diǎn)施加延遲方程可以得到具有非常好指向性的波陣面，其中圖8是在13個(gè)節(jié)點(diǎn)施加脈沖的效果.

圖8 具有良好指向性的波陣面圖Fig.8 The good directivity of wavefront

2.2 仿真結(jié)果

按照焊縫自然缺陷建立的檢測模型如圖9所示.其中圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）分別表示波在1.5μs、2.5μs、3.5μs這3個(gè)不同的時(shí)刻的傳播過程圖.

圖9 不同時(shí)刻提取的傳播過程圖Fig.9 The spread process of different time extraction

3 對比結(jié)果以及結(jié)論分析

規(guī)定滿屏信號的幅值為10%.以缺陷回波所占的百分比作為縱坐標(biāo)，超聲波傳播的時(shí)間為橫坐標(biāo).將TOFD法檢測自然缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比，如圖10所示.

圖10 兩種方法的幅值對比圖Fig.10 Two methods of amplitude comparison

從表面波、衍射波及底面反射波三個(gè)方面來就理論計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)值、仿真值進(jìn)行歸納，以理論值作為標(biāo)準(zhǔn).計(jì)算誤差如表1所示.

表1 三種方法的計(jì)算結(jié)果對比Table 1 Result comparison of three methods

從表1中可以清晰的看到，直通波實(shí)驗(yàn)值誤差為－2.1%，仿真值為－8.3%，均為負(fù)誤差，試驗(yàn)中出現(xiàn)這種誤差的原因很可能是因?yàn)閮蓚€(gè)探頭之間的排距不夠精確造成的；衍射波的實(shí)驗(yàn)值誤差為2.0%，仿真誤差幾乎為0，由此可見對衍射波進(jìn)行仿真的準(zhǔn)確性，應(yīng)該是TOFD法仿真的準(zhǔn)確性；底面回波的兩個(gè)誤差均為1.2%，可見仿真的手段在實(shí)際檢查缺陷的時(shí)候是有發(fā)揮的空間的.當(dāng)然數(shù)值仿真也有其失真的一面.在試驗(yàn)部分，如果沒有灰度圖的輔助判斷，直通波的幅值和衍射波的相差不大，而且容易與噪音混合.在仿真部分，直通波與衍射波的區(qū)分度很高，很容易被觀察到.

對超聲波檢測的有限元數(shù)值仿真，是本文最中心的部分，以超聲波檢測的過程作為載荷加載的過程來仿真是非常有效的，也是比較精確的.希望以后仿真能夠在超聲波檢測這一行業(yè)中發(fā)揮更大的作用.

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