基于有限元方法的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測

楊永鋒等

摘 要 鋼板焊縫缺陷檢測是一項難度較大的工作，對檢測技術(shù)有著極高的要求，只有高效的檢測出焊接缺陷，才能進行有效的處理，增強焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，缺陷檢測技術(shù)也越來越先進，紅外無損檢測在有限元方法的基礎(chǔ)上，可以更加全面的體現(xiàn)出被檢測對象的狀況。建立在有限元方法基礎(chǔ)上的紅外無損檢測技術(shù)在缺陷檢測方面發(fā)揮著重要的作用，可以通過ansys仿真分析軟件獲取被檢測鋼板焊縫的圖像，從不同的角度對缺陷問題進行分析，保證缺陷檢測的精確程度。

關(guān)鍵詞 有限元方法；鋼板焊縫；無損檢測；紅外熱成像

中圖分類號 TG4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2015）09-0027-01

鋼板是一種應用率極高的施工構(gòu)件，焊接缺陷類型多種多樣，這些焊縫缺陷問題，必然會對施工工作的順利進行造成干擾，必須要進行有效的檢測。因此，研究有限元法基礎(chǔ)上的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測有著非常重要的意義，能夠準確的檢測出鋼板焊縫的缺陷所在，為后期處理工作提供可靠的依據(jù)，改善鋼板結(jié)構(gòu)的安全程度，為相關(guān)研究提供參考意見。

1 紅外無損檢測中的有限元方法概述

ansys仿真分析軟件是有限元方法的關(guān)鍵所在，能夠?qū)z測的各項條件進行限定，對程序進行編寫，并完成相關(guān)的計算任務(wù)。該軟件技術(shù)最后通過云圖來將鋼板焊縫的溫度場檢測結(jié)果顯示出來，溫度同顏色深度呈正比關(guān)系。建立在有限元方法基礎(chǔ)上的紅外無損檢測技術(shù)在二、三維檢測過程中，分別應用的是PLANE77及SOLID70單元，二者包括的節(jié)點數(shù)均為八個，不同的溫度自由度與各個節(jié)點相互對應[1]。

在檢測鋼板焊縫缺陷時，應將零時間點同特定時間內(nèi)的被檢測部位的中心點溫度直接的大小差距計算出來，該數(shù)值同不存在缺陷問題相應指標的比值可以表示為對比度。通過這一項數(shù)據(jù)能夠更加的清晰的查看無損檢測的精確性和敏感程度，可以將缺陷位置處的溫度變化狀況放大，判定缺陷問題。在紅外無損檢測的過程中，不僅需要測定出相應的數(shù)據(jù)，還需要對這些測量出來的結(jié)果進行計算和統(tǒng)計，需要借助相應的軟件來完成，檢測所需時間較長，結(jié)果直觀性有所欠缺，應用范圍有

限[2]。然而因為鋼板構(gòu)件的焊縫問題表現(xiàn)為多種形式，缺陷位置不固定，可能存在于內(nèi)部，也可能是內(nèi)壁上的問題，所以無論是在缺陷具體形態(tài)，還是大小和位置方面，均難以判斷。在檢測中可以將檢測指標限定為熱像特征及表面升溫，發(fā)揮有限元方法的優(yōu)勢，將表面溫度變化和缺陷位置、大小等信息整合起來，將缺陷的定量檢測變?yōu)楝F(xiàn)實。

2 基于有限元方法的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測計算對象分析

若選取1.0%的XcU碳鋼鋼板作為焊縫缺陷的檢測對象，構(gòu)件的各方面數(shù)據(jù)表示如下：長寬高分別為0.5m、0.4m和0.04m，檢測氣孔主要包括三個深度，即0.01m、0.02m和0.03m，而氣孔孔徑大小有劃分為三個不同的數(shù)值，即0.002m、0.004m和0.006m。將20e下物性的視作被檢測構(gòu)件的碳鋼物性，K、Q和cp表示為43.2W/m·e、7790kg/m3及470W/kg·e，在檢測氣孔物性確定方面，K、Q和cp分別為2.59×10-2W/m·e、1.205kg/m3和1.005W/kg·e。在檢測時需要將移動熱流加到被檢測鋼板上，確定好零時檢測點，通過階越的途徑將1×105W/m2的熱流施加到四個檢測面，間隔期限為一分鐘，對檢測面的溫度情況進行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼板內(nèi)的溫度會因為熱流而出現(xiàn)不同的反應，變化方向為由上至下，干部那碳鋼及氣孔二者物性有一定的差異，相對正常區(qū)域來說，氣孔缺陷位置溫度明顯較高[3]。

1）不同熱流對缺陷檢測的影響分析。選取鋼板焊件在厚度一致的情況下，將熱流q分別設(shè)定為：1×104W/m2、5×104W/m2和1×105W/m2，整體溫度變化相差不大。在熱流設(shè)定為1×104W/m2的情況下，在作用一分鐘的時間內(nèi)，焊件表面溫度提升至vTU5.6e，缺陷區(qū)域變化較??；而當將熱流設(shè)定為5×104W/m2的情況下，焊件表面溫度提升25e，缺陷區(qū)域的溫度變化為1e；將熱流設(shè)定為1×105W/m2的情況下，焊件和缺陷區(qū)域升溫狀況分別為54e、3e，這就體現(xiàn)出同正常表面相比，氣孔缺陷升溫變化顯著，施加熱流越大，這種變化越突

出[4]。但要注意的是并不是熱流越大越大，應將其控制在合理的范圍內(nèi)。

2）不同直徑氣孔對缺陷檢測的影響分析。作用于焊件表面的熱流為1×105W/m2時，三個不同直徑氣孔（深度均為0.01m）的溫度變化狀況各不相同。其中0.002米的氣孔異常升溫狀況為$TU1e，而0.004m和0.006m氣孔的升溫狀況依次為$TU2e和$TU3e。這就表明直徑逐漸增大的過程中，缺陷檢測更加容易，當直徑在0.002m時，很難檢測出缺陷狀況，對紅外檢測儀器的靈敏度要求更高。

3）不同深度氣孔對缺陷檢測的影響分析。當將為1×105W/m2的熱流統(tǒng)一施加到檢測氣孔（直徑為0.004米）上時，深度為0.01m時，氣孔缺陷升溫$TU3e，而深度為0.02m和0.03m時，對應的升溫狀況依次為$TU1e和$TU0.8e。這就表明當氣孔深度在0.03m以下時，缺陷檢測更加簡便，但深度過大也會增大檢測難度。如果氣孔缺陷深度在0.03m以上時，無法利用常規(guī)的紅外探頭檢測出來，檢測精度要求較高。

3 結(jié)語

利用基于有限元的紅外無損檢測技術(shù)，能夠總結(jié)出以下結(jié)論：1）鋼板焊縫內(nèi)部存在氣孔時，正常區(qū)域表面比有缺陷部位溫度低。2）當表面施加的熱流較小時，表面熱變化特征變化不大，難以檢測出缺陷問題；當施加熱流較大時，表面熱變化特征顯著，缺陷檢測難度降低，然而要求紅外探頭必須具備良好的分辨性，同時也必須要增強熱像儀靈敏程度。應控制好熱流的強度，保證熱流強度同鋼板焊件厚度相一致。3）其他因素固定時，氣孔缺陷直徑與檢測容易程度成正比；而氣孔大小固定時，具體位置距表面深度同檢測容易程度成反比。4）紅外無損檢測效率同熱擴散率成反比，更適用于熱擴散率小的鋼板材料。因為鋼板焊接缺陷問題的檢測是一項復雜性的工作，需要考慮多方面的因素，還需要對缺陷尺寸和形狀進行進一步的研究，利用表面溫度變化圖像來掌握缺陷狀況。

參考文獻

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[2]梅林，陳自強，王裕文，等.脈沖加熱紅外熱成像無損檢測的有限元模擬及分析[J].西安交通大學學報，2000（1）.

[3]郁青，何春霞.無損檢測技術(shù)在復合材料檢測中的應用[J].工程與試驗，2009（2）.

[4]李大鵬，楊治東，等.有限元方法在單面熱流加熱紅外無損檢測中的應用[J].機電工程，2005（2）.