2

(1.福州大學 機械工程及自動化學院 光學/太赫茲及無損檢測實驗室，福州350108;2.上海大學 機電工程及自動化學院，上海 200444;3.廈門市特種設備檢驗檢測院，廈門 361000)

由于焊接材料和接頭形式繁多，焊接件容易在焊接處存在幾何形狀不連續(xù)、殘余應力等，故而易產生焊縫裂紋。裂紋缺陷的危害性非常大，在大型壓力容器中，細小的裂紋就可能引起巨大的災難，在英國統(tǒng)計的1962～1978年間發(fā)生的229起容器安全事故中，有216起是由裂紋引起的[1]。GB 5842-2006《液化石油氣鋼瓶》規(guī)定,焊縫不允許有裂紋、未熔合、弧坑及超標的氣孔和夾雜等缺陷[2]。因此，采用快速、高效的無損檢測技術來檢測焊縫中是否存在裂紋具有重要的意義。目前，對焊縫裂紋的檢測主要有磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和超聲波檢測等方法。磁粉檢測最大的局限是只能檢測鐵磁性材料，且檢測后要退磁和清洗。常規(guī)絕對式渦流探頭用于檢測導體裂紋時，其信號大小與裂紋深度密切相關，可用來估算裂紋深度；但當探頭不垂直于被檢工件或左右搖擺不定時，就會產生干擾信號，檢測的穩(wěn)定性及準確性大大降低。滲透檢測的主要不足之處是表面粗糙度會影響缺陷的檢出率，以及難以定量控制檢驗操作的程序。超聲波檢測的適應性強、對人體無害、適合于戶內外環(huán)境作業(yè)；但因為超聲波在材料中傳播時受金屬組織體積(特別是晶粒大小)的影響很大，不適用于檢測存在各向異性、組織粗大的奧氏體不銹鋼焊接件[3-4]。

超聲紅外熱像法是將超聲波激勵和紅外熱成像技術結合的新型無損檢測技術。其是利用低頻超聲脈沖波作用在結構上，從而引起結構的振動，如果結構中存在裂紋缺陷，當超聲波傳播到裂紋處時，裂紋接觸面之間的相互摩擦等因素會引起裂紋區(qū)域的溫度升高。紅外熱像儀可實時監(jiān)測結構件表面的溫度變化，最后通過對紅外熱波序列圖像的分析處理來判斷結構件有無裂紋缺陷以及獲取裂紋位置等具體信息[5-6]。

鑒于此，筆者通過ANSYS有限元軟件模擬了焊縫裂紋在超聲激勵作用下的生熱過程，定性分析了不同超聲激勵參數(shù)和焊縫余高對裂紋生熱升溫的影響規(guī)律，并通過試驗驗證了超聲紅外熱像法檢測奧氏體不銹鋼焊縫裂紋的可行性和有限元分析的準確性。

1 超聲激勵下裂紋缺陷生熱原理

在超聲激勵作用下，被測物體會高頻振動，在裂紋處的兩個裂紋面之間的振動不一致會導致兩個裂紋面間發(fā)生相互擠壓、滑移[7]。含有裂紋的彈性體在振動作用下的三維瞬態(tài)動力學有限元方程為

(1)

在超聲波傳播過程中，裂紋面產生熱的原因有摩擦、熱彈效應和滯后效應等，但是熱彈效應和滯后效應所產生的熱很少，可以忽略不計[8]。因此，只考慮裂紋間摩擦產生的熱量，摩擦產生的熱流密度為

q=λτυ

(2)

式中：λ為摩擦機械能轉化為熱能的比例系數(shù)；τ為切向應力；υ為相對滑動速度[9]。

將摩擦產生的熱流密度作為熱源，熱源在裂紋區(qū)域的瞬態(tài)熱傳導方程為

(3)

2 數(shù)值仿真模擬

通過ANSYS有限元軟件模擬奧氏體不銹鋼焊縫裂紋在超聲波激勵作用下的摩擦生熱過程。

2.1 單元類型與幾何模型

采用了結構-熱直接耦合的方法，選擇三維耦合場單元solid5，solid5是八節(jié)點六面體單元，具有結構場、溫度場、電場和磁場的分析能力。研究對象材料是奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的材料參數(shù)如表1所示。

表1 奧氏體不銹鋼材料參數(shù)

由于焊縫的實際形狀復雜、無規(guī)則，在有限元中無法準確表示出來，因此將焊縫裂紋簡化為V字型貫穿缺口來模擬。為了節(jié)省計算資源和減少計算時間，將裂紋的位置簡化到焊縫的邊緣，裂紋長度為10 mm，裂紋的最大間隙為6 μm。試件的尺寸(長×寬×高)為300 mm×240 mm×3 mm。試件的幾何模型如圖1所示。

圖1 試件的幾何模型

2.2 有限元模型的建立

模型的網(wǎng)格劃分方式采用的是掃掠劃分，先用輔助單元mesh200對上表面進行面的網(wǎng)格劃分，然后對體進行掃掠劃分。為了準確地模擬超聲脈沖波在奧氏體不銹鋼板上的傳播過程，要求在一個超聲波長內至少劃分20網(wǎng)格單元[10]。裂紋區(qū)域是應力集中區(qū)域，應當在裂紋區(qū)域對網(wǎng)格進行適當?shù)丶毣?/p>

在ANSYS軟件中利用Newmark算法求解彈性波的傳播過程時，時間積分步長的選擇至關重要，時間步長過小會增加模型的計算時間和占用內存，時間步長過大則會影響模擬的精度，時間步長一般如式(4)所示。

(4)

式中:fmax為模擬時的最高超聲激勵頻率[11]。

需要對兩個裂紋面進行接觸設置才能夠模擬兩個裂紋面之間的擠壓、滑移和摩擦生熱。文中采用的是柔體-柔體的面面接觸方式，采用自動生成法在兩個接觸面創(chuàng)建接觸對，生成接觸單元。接觸算法采用的是增廣拉格朗日法，摩擦系數(shù)設置為0.3[8]。

將超聲波激勵簡化為高頻的正弦位移函數(shù)來模擬，將位移函數(shù)直接施加在有限元模型的節(jié)點上，位移函數(shù)表達式為

S=Asin(2πft)

(5)

式中:A為激勵幅值;f為激勵頻率;t為激勵時間。

通常由于裂紋產生的熱少，溫度變化很小，并且整個激勵過程時間短，所以不考慮模型與空氣的熱對流和自身熱輻射[12]。將模型的初始溫度設置為301 K，對模型4個角進行固定。建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 仿真結果

當激勵幅值A為40 μm，激勵頻率f為20 kHz，激勵時間t為0.01 s時，得到的裂紋區(qū)域表面溫度云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，裂紋生熱主要集中在中下部，裂紋縫隙處的溫度最高，往裂縫兩邊溫度逐漸變低。

圖3 裂紋區(qū)域表面溫度云圖

3 激勵參數(shù)和試件對裂紋生熱的影響

3.1 激勵幅值對裂紋生熱的影響

其他參數(shù)固定不變，激勵幅值A分別取20,24,28,32,36,40 μm進行有限元計算，得到的溫度隨時間變化的曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,在相同的激勵時間下，激勵幅值越大，裂紋區(qū)域溫度越高。一開始激勵幅值的增加對溫度變化的影響比較大，隨著激勵時間的增加，激勵幅值對裂紋區(qū)域溫度的影響逐漸變小。

圖4 不同激勵幅值下的時間-溫度曲線

3.2 激勵頻率對裂紋生熱的影響

其他參數(shù)固定不變，激勵頻率f分別取20,21,22,23,24,25 kHz進行有限元計算，所得到的溫度隨時間變化的曲線如圖5所示。

圖5 不同激勵頻率下的時間-溫度曲線

從圖5可以看出，相同激勵時間下，裂紋區(qū)域的溫度并不總是隨著激勵頻率的增加而上升的，在24 kHz的裂紋區(qū)域溫度發(fā)生了突變。對該模型進行模態(tài)分析，得到了各個激勵頻率與固有頻率對照表(見表2)。從表2可以看出，在24 kHz處的固有頻率和激勵頻率最接近。由此可見，當激勵頻率接近固有頻率時，容易引起試件的共振，從而使裂紋區(qū)域溫度上升速率變快。

表2 激勵頻率與固有頻率對照表 kHz

3.3 激勵方向對裂紋生熱的影響

激勵方向示意如圖6所示，圖中1激勵位置表示激勵方向和裂紋的長度方向一致，2激勵位置表示激勵方向和裂紋的深度方向一致。其他參數(shù)固定不變，分別對激勵位置1和激勵位置2進行有限元計算，模擬得到的兩種激勵方向的裂紋區(qū)域溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖6 激勵方向示意

圖7 兩種激勵方向下的時間-溫度曲線

從圖7可以看出，激勵方向為裂紋的深度方向時,裂紋的生熱速率遠大于激勵方向為裂紋長度方向的生熱速率。這是由于當激勵方向為裂紋的深度方向時，裂紋面之間的運動程度比較激烈，摩擦速度比較快。

3.4 焊縫余高對裂紋生熱的影響

其他參數(shù)固定不變，取焊縫的余高h為1.0,1.1,1.2,1.3 mm進行有限元計算，得到不同焊縫余高對應的時間-溫度曲線(見圖8)。從圖8可以看出,隨著焊縫余高的增加，裂紋區(qū)域的溫度上升速率隨之變大。

圖8 不同焊縫余高下的時間-溫度曲線

4 試驗結果與討論

4.1 試驗試件

圖9 試驗試件外觀及其滲透檢測結果

試件采用的是將兩塊尺寸(長×寬×高)為300 mm×120 mm×3 mm的奧氏體不銹鋼板焊接成一塊尺寸(長×寬×高)為300 mm×240 mm×3 mm 的奧氏體不銹鋼板。在焊接的過程中，利用焊接工藝在焊縫表面上產生熱裂紋。對試件進行滲透檢測，試件外觀和其滲透檢測結果如圖9所示，焊縫上有4條熱裂紋，從左往右分別為1號裂紋、2號裂紋、3號裂紋和4號裂紋。

4.2 試驗裝置

超聲紅外熱像法無損檢測試驗系統(tǒng)外觀如圖10所示，系統(tǒng)由計算機、紅外熱像儀、超聲驅動電源、超聲激勵裝置和夾具等組成。其中，紅外熱像儀為德國Optris公司的PI-160熱像儀，其光譜范圍為7.5 μm～13 μm，光學分辨率為160像素×120像素，溫度分辨率為0.08 ℃。超聲驅動電源的最大功率為2 000 W，超聲激勵的頻率為固定值20 kHz，超聲激勵幅值可以調節(jié)，超聲主機和試件之間采用醫(yī)用膠帶作為耦合劑。

圖10 超聲紅外熱像法檢測系統(tǒng)外觀

4.3 試驗結果與分析

超聲激勵頻率為20 kHz，激勵幅值為36 μm，激勵時間為4 s，試件超聲紅外熱像檢測結果如圖11所示。圖11中4個邊角的4個亮斑是由試件的4個邊角與鎖緊螺絲之間的摩擦產生的，圖11中中間正上方的亮斑是由超聲主機與試件之間的碰撞摩擦產生的。從圖11可以看出，焊縫上的4個亮斑與圖9中滲透檢測得到的4個裂紋的位置高度吻合，由此可見，利用超聲紅外熱像法檢測奧氏體不銹鋼焊縫裂紋是可行的。

圖11 試件的超聲紅外熱像檢測結果

對比圖3和圖11可得,檢測圖像的信噪比相對較差。這是因為模擬時裂紋的最大寬度為6 μm，而試件的實際裂紋寬度更寬，裂紋的寬度越大越不利于裂紋面之間的摩擦生熱，因此檢測圖像的信噪比相對較差。

以4號裂紋為研究對象，對試件施加不同的激勵幅值進行超聲紅外熱像檢測，4號裂紋的時間-溫度曲線如圖12所示。

圖12 4號裂紋的時間-溫度曲線

對比圖4和圖12可以看出，試驗的升溫速率比模擬的慢，這主要是由于模擬沒有考慮超聲波在耦合到試件過程中的能量損耗，以及模擬時將試件焊縫中間的裂紋簡化到邊緣位置等原因。但是可以看出模擬的結果和試驗的結果趨勢是一樣的，這說明了利用有限元軟件ANSYS模擬分析奧氏體不銹鋼焊縫裂紋的超聲紅外熱像檢測具有一定的準確性。

5 結語

利用ANSYS軟件模擬分析了超聲紅外熱像法檢測奧氏體不銹鋼焊縫裂紋的過程，定性分析了超聲激勵頻率、超聲激勵幅值、超聲激勵方向和焊縫余高對裂紋區(qū)域升溫的影響，并將試件的超聲紅外檢測結果和滲透檢測結果對比來驗證超聲紅外檢測的可行性，同時對模擬進行驗證。模擬與試驗結果表明：超聲紅外檢測結果和滲透檢測結果高度吻合，利用超聲紅外熱像法檢測奧氏體不銹鋼焊縫裂紋是可行的，裂紋的寬度越寬越不利于裂紋面之間的摩擦生熱；隨著超聲激勵幅值的增加，裂紋區(qū)域溫度的上升速率更快；裂紋區(qū)域溫度的上升速率并不隨著激勵頻率的增加而上升，當超聲激勵頻率在共振頻率附近的時候溫度上升得更快；超聲激勵方向與裂紋深度方向一致時的裂紋區(qū)域溫度上升速率比超聲激勵方向與裂紋長度一致時上升得更快；隨著焊縫余高的增加，裂紋區(qū)域溫度的上升速率更快。