孫繼華， 趙 揚(yáng)， 南鋼洋， 馬 健， 巨 陽

(山東省科學(xué)院 激光研究所，山東省無損檢測工程技術(shù)研究中心， 濟(jì)南 250103)

0 引 言

鋁/鈦/鋼復(fù)合材料是一種特殊的新型板材材料，該復(fù)合材料既具有鋁的密度小、塑性和韌性好、耐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有鋼的強(qiáng)度高、延展性好等特點(diǎn)，具有良好的綜合性能，是一種具有廣泛用途的新復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，大量應(yīng)用于造船、汽車、建筑等領(lǐng)域[1-4]。

標(biāo)準(zhǔn)要求鋁/鈦/鋼復(fù)合材料界面復(fù)合率要達(dá)到100%，所以為了對鋁/鈦/鋼復(fù)合材料的焊接質(zhì)量有一個(gè)較為全面地了解，需要對鋁/鈦和鈦/鋼界面的結(jié)合情況進(jìn)行有效的檢測。目前超聲檢測已成為最主要的復(fù)合材料無損檢測技術(shù)，大量的研究和應(yīng)用也表明，超聲是目前國內(nèi)外復(fù)合材料無損檢測最為實(shí)用有效、應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù)，它能可靠地檢測出復(fù)合材料中的分層、脫粘、孔隙等大部分危害性缺陷[5-6]，所以有必要進(jìn)一步開展鋁/鈦/鋼復(fù)合材料的界面結(jié)合情況超聲檢測研究，利用有限元數(shù)值模擬方法可以有效的仿真分析材料的超聲檢測[7-9]。

本文以船舶用鋁/鈦/鋼爆炸焊復(fù)合材料作為研究對象，利用有限元數(shù)值模擬方法仿真分析了鋁/鈦和鈦/鋼界面的不同結(jié)合情況下的超聲檢測信號，通過波場快照直觀顯示了超聲波在界面不同情況下的傳播情況，通過回波信號和透射波信號，分析了界面不同情況對超聲波信號的影響，通過對透射波進(jìn)行頻譜分析得到了界面不同情況下頻譜特性。仿真分析結(jié)果為進(jìn)一步對鋁/鈦/鋼復(fù)合材料界面結(jié)合情況進(jìn)行分析提供了一定的參考。

1 模型的建立

本文選用船舶上常用的厚度為24 mm的復(fù)合連接過渡接頭為模擬對象[10]，復(fù)合連接過渡接頭復(fù)合材料上層為8 mm厚的2A21鋁合金材料、中間為2 mm厚度的TA2鈦材料、下層為14 mm厚度的CCSB的鋼板材料。根據(jù)復(fù)合過渡接頭的特點(diǎn)，建立了鋁/鈦/鋼3層復(fù)合材料有限元模擬分析模型，模型的上下表面采用自由邊界條件，模擬金屬/空氣界面，兩側(cè)40 mm區(qū)域內(nèi)采用吸收邊界條件模擬無限大長度[11]，如圖1所示。其中：圖1(a)為鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結(jié)合良好的模型(模型1)；圖1(b)為鋁/鈦界面有長度為10 mm的復(fù)合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結(jié)合良好的模型(模型2)；圖1(c)為鋁/鈦界面結(jié)合良好、鈦/鋼有長度為10 mm的復(fù)合縫隙缺陷的模型(模型3)；圖1(d)為鋁/鈦界面有2個(gè)間隔5 mm且長度均為5 mm的復(fù)合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結(jié)合良好的模型(模型4)；圖1(e)為鋁/鈦界面結(jié)合良好界面、鈦/鋼有2個(gè)間隔5 mm且長度均為5 mm的復(fù)合縫隙缺陷的模型(模型5)；圖1(f)為鋁/鈦界面有3個(gè)間隔3 mm且長度均為3 mm的復(fù)合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結(jié)合良好的模型(模型6)；圖1(g)為鋁/鈦界面結(jié)合良好、鈦/鋼界面有3個(gè)間隔3 mm且長度均為3 mm的復(fù)合縫隙缺陷的模型(模型7)。

(a)模型1

(b)模型2

(c)模型3

(d)模型4

(e)模型5

(f)模型6

(g)模型7

圖1 建立的鋁鈦鋼復(fù)合材料有限元模型(mm)

為了模擬φ20超聲直探頭，在模型上表面中心20 mm長度處施加應(yīng)力邊界條件用于模擬超聲波發(fā)射探頭UT1[12]，UT1同時(shí)用于模擬接收回波信號，同時(shí)為了對透射波進(jìn)行分析，在下表面中心20 mm長度處設(shè)置了模擬接收透射波信號的探頭UT2用于接收超聲透射波信號。

2 模擬結(jié)果及分析

下面根據(jù)建立的鋁/鈦/鋼復(fù)合材料有限元模型分別對當(dāng)鋁/鈦界面和鈦/鋼界面存在不同情況時(shí)各種模型進(jìn)行分析。

2.1 超聲波傳播波場快照分析

為了直觀的觀察超聲波在鋁/鈦/鋼復(fù)合材料中傳播情況，對超聲波在圖1(a)的模型1中從上表面發(fā)出向傳播到0.96 μs、1.86 μs、2.37 μs、2.61 μs時(shí)進(jìn)行波場快照，以記錄超聲波在鋁/鈦/鋼復(fù)合材料中的傳播情況，具體如圖2所示。

(a)0.96(b)1.86(c)2.37(d)2.61

圖2 模型1波場快照圖(μs)

從圖2模型1波場快照圖上可以明顯看到在0.96 μs時(shí)向下傳播的超聲縱波P，到1.86 μs時(shí)能看到鋁/鈦界面產(chǎn)生的回波B1，在2.37 μs和2.61 μs時(shí)能看到鋁/鈦界面產(chǎn)生的回波B1、鈦/鋼界面回波B2以及透過鋁/鈦界面和鋁/鈦界面的繼續(xù)向下傳播的透射波T。

同樣對超聲波在模型2-模型7中傳播到1.86 μs、2.61 μs時(shí)進(jìn)行波場快照，得圖3～8所示波場快照圖。

由圖3～8可見，當(dāng)鋁/鈦界面和鋁/鈦界面有不同類型裂紋時(shí)的超聲波傳播過程，所以通過以上分析可知波場快照圖能清晰的顯示超聲波在鋁/鈦/鋼復(fù)合材料中的傳播過程。

(a)1.86(b)2.61

圖3 模型2波場快照圖(μs)

圖4 模型3波場快照圖(μs)

圖5 模型4波場快照圖(μs)

圖6 模型5波場快照圖(μs)

圖7 模型6波場快照圖(μs)

圖8 模型7波場快照圖(μs)

2.2 回波信號分析

用模型上表面UT1探頭模擬接收回波信號，得到界面不同情況下的回波信號，如圖9所示。

圖9(a)～(g)回波信號圖分別對應(yīng)圖1中模型1～7中UT1接收的回波信號。從圖9(a)的模型1回波信號圖中可以看到超聲波始波S、鋁/鈦界面回波B1、鈦/鋼界面回波B2、底面回波Bd等波形，其中B1的幅值比B2幅值小，而且B1的相位和始波S的相位相同，圖中接收到的底面回波Bd實(shí)際上是下表面回波和鋁/鈦界面第3次回波的疊加，這是由于模型中鋁的厚度8 mm是模型總厚度24 mm的1/3，而鋁、鈦、鋼3種金屬的超聲縱波速度相差不大，所以下表面回波和鋁/鈦界面第3次回波到達(dá)上表面時(shí)間比較接近；圖9(b)模型2的回波信號圖，可以看到B1的幅值比較大，這是由于復(fù)合縫隙缺陷內(nèi)部是空氣，空氣聲阻抗非常小，造成大部分波反射回去，所以接收到的鋁/鈦界面B1的幅值會比較大，而由于透過鋁/鈦界面的超聲波能量就比較少，所以B2幾乎接收不到；從圖9(c)模型3的回波信號圖可見，B1的幅值和圖9(a)中的差不多，而且相位和始波S的相位相同，而由于復(fù)合縫隙缺陷反射，造成B2的幅值變的比較大；圖9(d)模型4接收到的鋁/鈦界面回波B1的幅值比圖9(a)中的B1幅值大，由于超聲波會有部分能量從鋁/鈦界面2個(gè)缺陷的間隔中透射過去，所以也能接收到鈦/鋼界面回波B2等波形；圖9(e)模型5的回波信號圖，可以看到B1的幅值和圖9(a)中的差不多，而且相位和始波S的相位相同，接收到的B2幅值不是很大；從圖9(f)模型6中接收信號中B1的幅值也比較大，同時(shí)也能接收到B2；圖9(g)模型7的回波信號圖，可以看到B1的幅值和圖9(a)中的差不多，而且相位和始波S的相位相同，接收到的B2幅值明顯的變大。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

圖9 回波信號圖

圖9回波信號圖上顯示的各種回波情況可以與理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證[13]，由于TA2鈦材料的聲阻抗Z鈦、2A21鋁合金材料的聲阻抗Z鋁、CCSB的鋼板材料鈦Z鋼和空氣聲阻抗Z空氣之間的大小關(guān)系為Z鋼>Z鈦>Z鋁?Z空氣，所以當(dāng)超聲波從鋁/鈦界面結(jié)合良好時(shí)的鋁中傳入鈦中時(shí)，按照聲壓反射系數(shù)計(jì)算可知鋁/鈦界面聲壓反射系數(shù)應(yīng)該為正值，表示鋁/鈦界面回波的相位和始波相位應(yīng)該相同；當(dāng)界面有復(fù)合縫隙缺陷(內(nèi)部有空氣)時(shí)，可以計(jì)算出反射系數(shù)結(jié)果為負(fù)值，所以復(fù)合縫隙缺陷回波的相位和始波相位應(yīng)該相反；同樣可知計(jì)算鈦/鋼界面聲壓反射系數(shù)應(yīng)該為正值，表示鈦/鋼界面回波的相位和始波相位也是相同，所以上述理論計(jì)算的結(jié)果與本文模擬的結(jié)果是相符的，說明本文建立的有限元模型可以正確的模擬超聲波在鋁鈦鋼3層復(fù)合材料的傳播。

2.3 透射波信號分析

由于界面反射和材料吸收等因素，超聲波在鋁/鈦/鋼3層金屬復(fù)合材料時(shí)會有比較大的衰減，故可以對使用單聲程的超聲透射波信號進(jìn)行分析[14-15]。下面用圖1模型中下表面UT2探頭模擬接收透射波信號，得到界面不同情況下的透射波信號圖，如圖10所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

圖10 透射波信號圖

圖10(a)～(g)透射波信號圖分別對應(yīng)圖1(a)～(g)界面不同情況模型中UT2接收的超聲透射波信號。從圖10(a)鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結(jié)合良好的透射波信號圖上可得到透射波信號T到達(dá)時(shí)間t=3.91 μs，該時(shí)間為超聲波在3層材料中傳播時(shí)間之和，與理論傳播時(shí)間一致。

由圖10透射波信號圖可知，當(dāng)鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結(jié)合良好時(shí)，接受的透射波幅度最大；當(dāng)鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面有長度為10 mm的復(fù)合縫隙缺陷時(shí)，由于超聲波大部分反射回去，所以接收到的透射波信號非常??；當(dāng)鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面有間斷的復(fù)合縫隙缺陷時(shí)，可以接收到一定幅度的透射波信號，但幅值明顯比當(dāng)鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結(jié)合良好時(shí)的透射波信號幅值小，所以實(shí)際檢測中可以通過透射波的幅度變化，來判斷界面的結(jié)合情況，但是由于透射波是單聲程，當(dāng)界面有復(fù)合縫隙缺陷時(shí)，無法確定缺陷是在鋁/鈦界面還是鈦/鋼界面。

2.4 透射波頻譜分析

上述的超聲信號在時(shí)域中對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，在測試領(lǐng)域中，作為現(xiàn)有檢測工藝的有用的延伸，頻譜分析技術(shù)是超聲檢測中不可缺少的工具，是信號處理中非常重要的手段之一[16-17]，所以通過對時(shí)域超聲檢測信號進(jìn)行頻譜分析可以獲得頻域中的各種特征，進(jìn)而對鋁/鈦/鋼界面結(jié)合情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因此，截取圖10透射波信號圖中3～6 μs之間的信號進(jìn)行頻譜分析，得到幅度譜如圖11所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

圖11 透射波幅度譜圖

圖11(a)～(g)透射波幅度譜圖分別對應(yīng)圖10(a)～(g)的透射波信號。由圖11(a)可見，幅度譜高頻部分在3.29 MHz有個(gè)極值，低頻部分在0.68 MHz有個(gè)極值；圖11(b)和圖11(c)幅度譜圖比較相似，高頻部分能量都比較少，圖11(b)高頻部分的極值在3.35 MHz，圖11(c)高頻部分的極值在3.22 MHz，圖11(b)低頻部分的極值在0.42 MHz，圖11(c)低頻部分的極值在 0.39 MHz；圖11(d)和圖11(e)幅度譜圖也比較相似，其中高頻部分都在3.32 MHz有個(gè)極值，而低頻部分圖11(d)在0.81 MHz有個(gè)極值，而圖11(e)在0.72 MHz有個(gè)極值；圖11(f)和圖11(g)幅度譜圖形狀有些不同，其中圖11(f)的極值在3.35 MHz，圖11(f)的極值在3.19 MHz，而且在高頻部分圖11(f)帶寬要比圖11(g)的窄一些，兩個(gè)圖低頻部分形狀基本一致，圖11(f)的極值為0.95 MHz，圖11(g)的極值為0.91 MHz。

通過對透射波幅度譜進(jìn)行分析可知在鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面不同情況下頻譜特性亦有一定的差別，所以可通過頻譜分析對界面情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

3 結(jié) 語

本文通過有限元數(shù)值模擬方法建立了船舶用鋁/鈦/鋼3層復(fù)合材料模型，分析了當(dāng)鋁/鈦界面、鈦/鋼界面的結(jié)合良好及有不同復(fù)合縫隙缺陷情況下的超聲波傳播情況，通過波場快照直觀的顯示了不同模型中超聲波傳播情況，通過回波信號得到了不同情況下界面回波相位、幅度等方面的區(qū)別，通過透射波信號得到了界面復(fù)合縫隙缺陷對超聲波透射波的影響，所得結(jié)果與理論計(jì)算一致。通過對透射波幅度譜進(jìn)行分析獲得了當(dāng)鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面不同情況下頻譜特性差別。

綜上可知，應(yīng)用有限元方法可以正確的模擬超聲波在鋁/鈦/鋼3層復(fù)合材料中的傳播，模擬結(jié)果可以為鋁/鈦/鋼3層復(fù)合材料界面結(jié)合情況超聲檢測研究提供一定的參考。

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