楊永鋒等

摘 要 鋼板焊縫缺陷檢測(cè)是一項(xiàng)難度較大的工作，對(duì)檢測(cè)技術(shù)有著極高的要求，只有高效的檢測(cè)出焊接缺陷，才能進(jìn)行有效的處理，增強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，缺陷檢測(cè)技術(shù)也越來越先進(jìn)，紅外無損檢測(cè)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(cè)對(duì)象的狀況。建立在有限元方法基礎(chǔ)上的紅外無損檢測(cè)技術(shù)在缺陷檢測(cè)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(cè)鋼板焊縫的圖像，從不同的角度對(duì)缺陷問題進(jìn)行分析，保證缺陷檢測(cè)的精確程度。

關(guān)鍵詞 有限元方法；鋼板焊縫；無損檢測(cè)；紅外熱成像

中圖分類號(hào) TG4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2015）09-0027-01

鋼板是一種應(yīng)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(huì)對(duì)施工工作的順利進(jìn)行造成干擾，必須要進(jìn)行有效的檢測(cè)。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(cè)有著非常重要的意義，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)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(cè)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(cè)的各項(xiàng)條件進(jìn)行限定，對(duì)程序進(jìn)行編寫，并完成相關(guān)的計(jì)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(chǎng)檢測(cè)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(cè)技術(shù)在二、三維檢測(cè)過程中，分別應(yīng)用的是PLANE77及SOLID70單元，二者包括的節(jié)點(diǎn)數(shù)均為八個(gè)，不同的溫度自由度與各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)[1]。

在檢測(cè)鋼板焊縫缺陷時(shí)，應(yīng)將零時(shí)間點(diǎn)同特定時(shí)間內(nèi)的被檢測(cè)部位的中心點(diǎn)溫度直接的大小差距計(jì)算出來，該數(shù)值同不存在缺陷問題相應(yīng)指標(biāo)的比值可以表示為對(duì)比度。通過這一項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠更加的清晰的查看無損檢測(cè)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(cè)的過程中，不僅需要測(cè)定出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，還需要對(duì)這些測(cè)量出來的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，需要借助相應(yīng)的軟件來完成，檢測(cè)所需時(shí)間較長，結(jié)果直觀性有所欠缺，應(yīng)用范圍有

限[2]。然而因?yàn)殇摪鍢?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(cè)中可以將檢測(cè)指標(biāo)限定為熱像特征及表面升溫，發(fā)揮有限元方法的優(yōu)勢(shì)，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(cè)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2 基于有限元方法的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測(cè)計(jì)算對(duì)象分析

若選取1.0%的XcU碳鋼鋼板作為焊縫缺陷的檢測(cè)對(duì)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(cè)氣孔主要包括三個(gè)深度，即0.01m、0.02m和0.03m，而氣孔孔徑大小有劃分為三個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)時(shí)需要將移動(dòng)熱流加到被檢測(cè)鋼板上，確定好零時(shí)檢測(cè)點(diǎn)，通過階越的途徑將1×105W/m2的熱流施加到四個(gè)檢測(cè)面，間隔期限為一分鐘，對(duì)檢測(cè)面的溫度情況進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼板內(nèi)的溫度會(huì)因?yàn)闊崃鞫霈F(xiàn)不同的反應(yīng)，變化方向?yàn)橛缮现料拢刹磕翘间摷皻饪锥呶镄杂幸欢ǖ牟町?，相?duì)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(duì)缺陷檢測(cè)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(shí)間內(nèi)，焊件表面溫度提升至vTU5.6e，缺陷區(qū)域變化較?。欢?dāng)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(yīng)將其控制在合理的范圍內(nèi)。

2）不同直徑氣孔對(duì)缺陷檢測(cè)的影響分析。作用于焊件表面的熱流為1×105W/m2時(shí)，三個(gè)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(cè)更加容易，當(dāng)直徑在0.002m時(shí)，很難檢測(cè)出缺陷狀況，對(duì)紅外檢測(cè)儀器的靈敏度要求更高。

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

3 結(jié)語

利用基于有限元的紅外無損檢測(cè)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(shí)，正常區(qū)域表面比有缺陷部位溫度低。2）當(dāng)表面施加的熱流較小時(shí)，表面熱變化特征變化不大，難以檢測(cè)出缺陷問題；當(dāng)施加熱流較大時(shí)，表面熱變化特征顯著，缺陷檢測(cè)難度降低，然而要求紅外探頭必須具備良好的分辨性，同時(shí)也必須要增強(qiáng)熱像儀靈敏程度。應(yīng)控制好熱流的強(qiáng)度，保證熱流強(qiáng)度同鋼板焊件厚度相一致。3）其他因素固定時(shí)，氣孔缺陷直徑與檢測(cè)容易程度成正比；而氣孔大小固定時(shí)，具體位置距表面深度同檢測(cè)容易程度成反比。4）紅外無損檢測(cè)效率同熱擴(kuò)散率成反比，更適用于熱擴(kuò)散率小的鋼板材料。因?yàn)殇摪搴附尤毕輪栴}的檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜性的工作，需要考慮多方面的因素，還需要對(duì)缺陷尺寸和形狀進(jìn)行進(jìn)一步的研究，利用表面溫度變化圖像來掌握缺陷狀況。

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