陳漢新，楊詩(shī)琪，蔡洪濤，劉 岑

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

0 引 言

超聲波檢測(cè)技術(shù)最初應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，它的無(wú)輻射，零傷害，無(wú)負(fù)作用對(duì)檢測(cè)人體疾病帶來(lái)了許多好處[1].超聲波TOFD(Time of Flight Diffraction)技術(shù)——衍射時(shí)差法是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)(主要是指缺陷)的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法，用于缺陷的檢測(cè)、定量和定位.但是由于TOFD技術(shù)是最近幾年才興起的一項(xiàng)還不夠成熟完善的技術(shù)，對(duì)于缺陷的定量、定位還存在許多不足之處.所以對(duì)于工業(yè)中焊縫缺陷的檢測(cè)，往往在超聲波檢測(cè)之后輔助以射線檢測(cè)來(lái)完成缺陷的最后判定.本文提出了用數(shù)值仿真超聲波在工件中的傳播過(guò)程，這樣將看不見(jiàn)，摸不著的超聲波以具體形式表現(xiàn)出來(lái)，有助于檢測(cè)人員弄明白超聲波在工件焊縫中碰到缺陷是如何變化衍射的.如果能將數(shù)值仿真作為一種缺陷輔助判定，對(duì)缺陷的定量和定位分析會(huì)是一個(gè)行之有效的方法.

1 超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)技術(shù)原理及焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 超聲波的衍射現(xiàn)象

衍射是波在傳播過(guò)程中與傳播介質(zhì)的交界面發(fā)生作用而產(chǎn)生的一種有別于反射的物理現(xiàn)象[2].當(dāng)超聲波在遇到障礙物的時(shí)候，如果此障礙物的大小接近或小于一個(gè)波長(zhǎng)，超聲波就會(huì)繞過(guò)此障礙物繼續(xù)前行.在超聲波檢測(cè)中，當(dāng)超聲波遇到工件內(nèi)的缺陷時(shí)，會(huì)使工件內(nèi)的缺陷產(chǎn)生振動(dòng)，缺陷上的每一點(diǎn)都產(chǎn)生一個(gè)球面子波，子波相互疊加，向各個(gè)方向傳播.這就是衍射現(xiàn)象[3].

1.2 超聲波TOFD技術(shù)原理

TOFD技術(shù)作為一種較新的超聲檢測(cè)技術(shù)，它不同與以往的常規(guī)超聲檢測(cè)利用缺陷的反射波的幅值和位置來(lái)判定缺陷的位置和大小的方法，而是依賴于缺陷處產(chǎn)生的衍射波被接收探頭檢出就能確定缺陷的存在，它是基于超聲波衍射原理進(jìn)行檢測(cè)的無(wú)損探傷方法[4].

TOFD檢測(cè)采用兩枚頻率、尺寸、發(fā)射角度都相同的探頭，一發(fā)一收.當(dāng)發(fā)射探頭在工件一側(cè)呈一定角度發(fā)射超聲波的時(shí)候，因?yàn)槌暡ㄔ谟龅叫∮谄洳ㄩL(zhǎng)的障礙物的時(shí)候都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，所以當(dāng)超聲波遇到工件內(nèi)的缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，衍射波被另一側(cè)的接收探頭所接收，達(dá)到缺陷被檢出的目的. 使用一發(fā)一收式的兩組探頭是因?yàn)檫@樣可以避免鏡面反射信號(hào)對(duì)衍射波信號(hào)的干擾，還可以易于大范圍掃查，快速接收大量的缺陷衍射信號(hào)，如圖1所示.

圖1 TOFD檢測(cè)原理

當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，最先被接收探頭所接收的是沿工件表面?zhèn)鞑サ闹蓖ú?，所以在超聲波A掃波形圖和灰度圖中，如圖2所示，最先看到的波應(yīng)該是直通波.接著，超聲波在工件內(nèi)傳播，碰到缺陷后會(huì)產(chǎn)生衍射波，如圖1所示裂紋缺陷上段和下端都會(huì)產(chǎn)生衍射波，上端衍射波和下端衍射波依次被接收探頭所接收，如圖2中的A掃波形圖和灰度圖所示.最后，當(dāng)超聲波傳播到工件底面產(chǎn)生反射，底面回波最后被接收探頭所接收，在A掃視圖中表現(xiàn)為最后一個(gè)波形圖.

圖2 TOFD檢測(cè)結(jié)果中的A掃視圖和灰度圖

1.3 焊接鋼板的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用一塊材質(zhì)為Q235，規(guī)格為300×300×16的帶有人工缺陷的焊接鋼板.焊縫中帶有長(zhǎng)度為23 mm，深度為5 mm的一段夾渣.為了驗(yàn)證超聲波TOFD技術(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)選用的被測(cè)工件缺陷檢出的有效性，分別做了兩組實(shí)驗(yàn).

首先用易于明確夾渣位置的相控陣扇形掃查進(jìn)行檢測(cè).實(shí)驗(yàn)一選用的5L64探頭的頻率為5.0 MHz，總共帶有64個(gè)呈線性陣列的壓電晶片.調(diào)整好設(shè)備儀器，進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 相控陣扇形掃查結(jié)果

圖3中左邊是B掃視圖，可以清晰地在被測(cè)工件內(nèi)5 mm左右處發(fā)現(xiàn)一段缺陷，這正跟人工做出來(lái)的5 mm深的夾渣缺陷相契合.從右邊的A掃視圖中可以看到3處明顯起伏的波，拉動(dòng)指針對(duì)應(yīng)著B(niǎo)掃視圖可以確定為探頭表面回波、楔塊表面回波和缺陷回波.除此之外并未發(fā)現(xiàn)其它明顯起伏的波.至此可以為下面的TOFD實(shí)驗(yàn)做實(shí)驗(yàn)對(duì)照：夾渣存在于5 mm深的位置，并且此處沒(méi)有其它缺陷，只可能有單一的反射或衍射波出現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)二選用5L32探頭的頻率為5.0 MHz，總共帶有32個(gè)呈線性陣列的壓電晶片.連接儀器設(shè)備并設(shè)置好系統(tǒng)進(jìn)行TOFD檢測(cè).得到的實(shí)驗(yàn)A掃視圖與灰度圖(見(jiàn)圖4).

(a)

(b)

圖4 TOFD掃查結(jié)果

Fig. 4 The TOFD scan results

如圖4所示，在無(wú)夾渣處檢測(cè)，只能在A掃圖和灰度圖中觀察到表面直通波和底面回波.移動(dòng)探頭到有夾渣處檢測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在直通波和底面回波之間多出了一小段波形，但是由于缺陷衍射波信號(hào)比較微弱，夾雜在一些噪音中難以明確分辨到底哪一段波為缺陷衍射波.這樣使得檢測(cè)人員對(duì)于缺陷的定位、定量分析帶來(lái)了一定的困擾.

2 超聲波有限元仿真

為了更進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)測(cè)得的那一段在直通波和底面回波之間產(chǎn)生的波形是缺陷回波.本文利用ANSYS軟件模擬超聲波在被測(cè)工件內(nèi)的聲場(chǎng).

2.1 有限元仿真

所有的物理自然現(xiàn)象都可以憑借與之相關(guān)的物理定理，借助相關(guān)量的代數(shù)方程、微分方程、積分方程等予以描述.這些控制方程式的推導(dǎo)需要用精確的分析方法對(duì)它們進(jìn)行求解，這時(shí)近似方法就很好的解決了這一問(wèn)題，有限單元法就是用近似解代替原始解的一種近似計(jì)算方法[5].在結(jié)構(gòu)力學(xué)中最先運(yùn)用了有限元方法，后來(lái)隨著科技的發(fā)展，有限元方法慢慢被用于流體運(yùn)動(dòng)、工程結(jié)構(gòu)、傳熱和電磁等連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)分析.將求解域離散劃分為一個(gè)個(gè)單元來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)算，是有限元方法的核心思想.有限元的核心思想是將區(qū)域離散化，劃分成為單元格，單元格劃分的越細(xì)，則離散化的近似程度越好，使有限元仿真模型趨于接近實(shí)際結(jié)構(gòu)，讓工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)合理，因此，有限單元法是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)或多自由多體系分析的有力數(shù)學(xué)工具[6].

無(wú)損檢測(cè)中的超聲波檢測(cè)就是利用超聲波在固體介質(zhì)中傳播的物理規(guī)律來(lái)達(dá)到檢測(cè)目的.超聲波從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是屬于彈性波，符合彈性波在固體中傳播的一般規(guī)律，因此有限單元法為解決超聲波在固體介質(zhì)中傳播的分析提供了一種有效的工具或方法[7].

2.2 超聲波在被測(cè)工件內(nèi)的聲場(chǎng)仿真

在TOFD超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中激發(fā)了32組壓電晶片中的8組，并通過(guò)施加特定的時(shí)間延遲脈沖來(lái)控制發(fā)射聲束的角度，因此在建模仿真中，為了模擬70°的聲束偏轉(zhuǎn)角度，在8處節(jié)點(diǎn)上施加相應(yīng)的延遲時(shí)間的載荷.

時(shí)間延遲法則是基于惠更斯原理[8]，相關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系如方程：

其中?為聲束角度，V為聲束速度，Δt為相鄰晶片間的時(shí)間延遲，d為相鄰晶片的間距。超聲波縱波速為6 300 m/s。根據(jù)探頭里晶片尺寸，由上述公式可以計(jì)算出相鄰節(jié)點(diǎn)處的延遲時(shí)間為0.212 μs。也就是依次延遲0.212 μs分別在8處節(jié)點(diǎn)上施加載荷脈沖。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，仿真波形的數(shù)學(xué)函數(shù)式為

其中，Y表示幅值，f表示探頭的頻率，N表示脈沖波所包含的波的個(gè)數(shù).根據(jù)實(shí)驗(yàn)室衍射探頭規(guī)格，f=5 MHz，N=3，因此數(shù)學(xué)表達(dá)式為

第一處脈沖載荷的方程為

第二處脈沖載荷的方程為

第三處脈沖載荷的方程為

依次類推[9].

由于被測(cè)工件內(nèi)的夾渣呈不規(guī)則幾何形狀，不規(guī)則幾何形狀很難在ANSYS中建模，而且計(jì)算機(jī)速度有限，故將其簡(jiǎn)化為規(guī)格為 1×1 mm的矩形剖面.建模完成后施加節(jié)點(diǎn)載荷并開(kāi)始仿真聲場(chǎng)，截取了聲場(chǎng)走向的4個(gè)狀態(tài)，如圖5所示.

如圖5所示，白色部分代表的是被測(cè)工件的剖面圖，中心黑色矩形代表的是夾渣剖面圖，綠色波束代表的是超聲波在被測(cè)工件內(nèi)的走向.如圖5(a)可以看到超聲波呈半圓狀從上表面發(fā)射，正要抵達(dá)夾渣處.圖5(b)顯示夾渣處產(chǎn)生了衍射回波.圖5(c)中夾渣處產(chǎn)生的衍射回波正要到達(dá)上表面接收探頭處.圖5(d)顯示的是超聲波正要到達(dá)工件底面.

圖5 工件內(nèi)聲場(chǎng)傳播過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比分析

提取實(shí)驗(yàn)A掃視圖與仿真A掃視圖對(duì)比，如圖6所示.

(a)

(b)

通過(guò)簡(jiǎn)單的理論計(jì)算，計(jì)算了各類波到達(dá)接收探頭的理論時(shí)間值，并歸納仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[10].

表1 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比圖

表1中分別就實(shí)驗(yàn)值、仿真值和理論值對(duì)直通波、衍射波、底面回波這三種波出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行了歸納并計(jì)算其誤差，從表中數(shù)據(jù)可以看出基本誤差都在10%范圍以內(nèi).考慮到有計(jì)算誤差、試驗(yàn)誤差、測(cè)量誤差等因素的影響，可以認(rèn)為仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為貼近理論值，證明了實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的正確性和仿真方法的可行性.因此，將有限元仿真作為缺陷檢測(cè)的一種輔助手段是切實(shí)可行的.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)有限元的仿真輔助于超聲波TOFD的檢測(cè)可以有效的幫助辨識(shí)A掃視圖中的各類波形，可以準(zhǔn)確地在含有大量噪音的波形圖中辨識(shí)出不明顯的缺陷衍射波.由于實(shí)際工業(yè)檢測(cè)中工況復(fù)雜，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員也可能在檢測(cè)中出現(xiàn)漏查、誤查等現(xiàn)象，有限元仿真可以將聲場(chǎng)具體化，可視化.不僅能夠給學(xué)習(xí)人員提供直觀的認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)，更能夠在實(shí)際檢測(cè)中針對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)工況提供評(píng)判佐證，其意義深遠(yuǎn).

致 謝

感謝中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(61273176)，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(201010621237)，湖北省教育廳主要項(xiàng)目(Z20101501)和教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金(20091001)相關(guān)負(fù)責(zé)人員的大力支持.

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