林浩然，楊孟杰＊，梁士謙，侯毅恒

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

0 引言

作為制造強(qiáng)國(guó)的中國(guó)，其無(wú)論在日常民用、國(guó)防建設(shè)，還是在基層建設(shè)等方面，都在廣泛地使用焊接加工工藝。焊接過程中難以避免的產(chǎn)生的焊縫及其熱影響區(qū)都是最容易產(chǎn)生裂紋的部位，也因此，與每個(gè)人的日常生活息息相關(guān)[1]。

我國(guó)對(duì)焊縫的檢測(cè)研究很早便開始了，先后經(jīng)歷了無(wú)損探傷（Non-destructive Inspecting，NDI）、無(wú)損檢測(cè)（Non-destructive Testing，NDT）和無(wú)損評(píng)價(jià)（Nondestructive Evaluation，NDE）三個(gè)階段[2]?，F(xiàn)如今，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以通過得到的信息對(duì)試件做出定量的評(píng)價(jià)。

在對(duì)焊縫使用無(wú)損檢測(cè)方面，Legender[4]提出并實(shí)現(xiàn)了用Lamb 波對(duì)焊縫裂紋進(jìn)行自動(dòng)分類檢測(cè)。Y.Cho[3]利用數(shù)值分析法，對(duì)在焊縫及其周邊的Lamb 波模態(tài)轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行了研究和分析。Sylvie 隨后，孫斐然等[5]在近些年基于洛倫茲力機(jī)理的電磁超聲換能器的數(shù)學(xué)建模的研究成果，得出了完整的耦合方程和建模過程，分析了偏置磁場(chǎng)、激勵(lì)線圈等參數(shù)對(duì)換能效率的影響。接著，N.JULURI 等[6]基于特征導(dǎo)波理論，利用有限元思想建立焊縫模型，通過激勵(lì)不同模態(tài)的Lamb 波，并成功證明出焊縫導(dǎo)波的存在。隨后，Terrien N[7].建立出三維有限元仿真模型，探討分析裂紋對(duì)焊縫導(dǎo)波的影響過程，對(duì)回波能量衰減與頻散現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

將基于電磁超聲技術(shù)，對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)仿真與實(shí)驗(yàn)，通過仿真軟件完成能夠激發(fā)單一模態(tài)的焊縫檢測(cè)EMAT 模型的設(shè)計(jì)。通過得到電磁場(chǎng)和聲場(chǎng)的主要特征，在聲場(chǎng)中選取Lamb 波的A0 模態(tài)作為主導(dǎo)模式，分析裂紋對(duì)導(dǎo)波的響應(yīng)特性，完成對(duì)焊縫細(xì)微裂紋的檢測(cè)和判斷，為基于電磁超聲的焊縫檢測(cè)進(jìn)入工業(yè)普及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 Lamb 波的有限元模型

模型選用圓柱形磁體環(huán)境作為非均勻靜態(tài)偏置磁場(chǎng)，選用A0 模態(tài)為主模式，磁體提離與線圈提離距離為0.25 mm；選用試件為500 mm × 500 mm × 3 mm的鋁板；選用激勵(lì)電流為漢寧窗調(diào)諧的五幅波[8]，激勵(lì)頻率為250 kHz，如圖1 所示。

圖1 基于洛倫茲力的EMAT 模型

搭建空氣域幾何模型時(shí)應(yīng)考慮：（1）保證磁場(chǎng)作用范圍以及超聲波在鋁材中的傳播過程不受空氣域的影響；（2）確保偏置磁場(chǎng)的靜態(tài)磁場(chǎng)分布，保證偏置磁場(chǎng)作用范圍的收斂性，故空氣域尺寸設(shè)定為1000 mm × 50 mm。

換能線圈為標(biāo)準(zhǔn)PCB 制下四層螺旋線圈，橫截截面為2 mm × 0.035 mm，相對(duì)位置滿足式（1）。線圈匝數(shù)比依據(jù)四線圈調(diào)諧原則，通過設(shè)計(jì)變量法求得匝數(shù)比滿足n1:n2:n3:n4= 3 : 6 : 9 : 10。

網(wǎng)格剖分直接決定了仿真模型的計(jì)算精度和工作量[9]，因此，本研究電磁耦合區(qū)域采用自由三角形網(wǎng)格剖分，在250 kHz 的激勵(lì)頻率下，趨膚層深度約為1 mm，因此限定鋁板中的最大剖分網(wǎng)格為0.5 mm，偏置磁場(chǎng)與試件之間的剖分網(wǎng)格最大為0.8 mm。其余部分采用自由三角形過渡網(wǎng)格剖分即可，總體最大單元增長(zhǎng)率設(shè)定為1.3，最小單元網(wǎng)格為0.1 mm。

具體的二維模型參數(shù)見表1。

表1 EMAT 模型參數(shù)

2 焊縫裂紋位置、尺寸的仿真分析

在Lamb 波與裂紋相互作用的聲場(chǎng)分布中，發(fā)生最明顯的就是電磁超聲波的反射與衍射現(xiàn)象。其中，無(wú)論反射現(xiàn)象產(chǎn)生的回波，還是衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的透射波，都包含了裂紋的全部信息。由于焊縫中的裂紋多為微小裂紋，因此將回波作為主要分析對(duì)象。

2.1 裂紋長(zhǎng)度對(duì)回波的影響

相比于傳統(tǒng)體波，Lamb 波具有自身獨(dú)特的頻散性，其與裂紋相互作用的機(jī)理并不同于傳統(tǒng)的體波[10]。所以，裂紋長(zhǎng)度與回波的相位、幅值等特征信息間一定不具有明顯的關(guān)系。因此，本實(shí)驗(yàn)必須采用控制變量法，將除裂紋長(zhǎng)度以外的其他參數(shù)設(shè)定為固定值，裂紋長(zhǎng)度作為自變量，研究不同值的裂紋長(zhǎng)度對(duì)回波的影響。仿真實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)見表2。

表2 裂紋長(zhǎng)度-裂紋參數(shù)

將裂紋長(zhǎng)度D= range（60，10，170）進(jìn)行仿真，對(duì)EMAT 接收端的回波進(jìn)行捕捉，得到裂紋長(zhǎng)度D與回波的幅值關(guān)系如圖2 所示。

圖2 裂紋長(zhǎng)度與回波的幅值關(guān)系圖

從圖2 可知，總體上回波的幅值隨著裂紋長(zhǎng)度D的增大而增大。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度D< 140 mm 時(shí)，回波的幅值增長(zhǎng)速率相對(duì)恒定；當(dāng)裂紋長(zhǎng)度D＞140 mm 時(shí)，易知回波的幅值增長(zhǎng)速率隨著D的增大而增大。這是因?yàn)榱鸭y長(zhǎng)度D越小，聲場(chǎng)中Lamb 波對(duì)裂紋的衍射現(xiàn)象越明顯，客觀體現(xiàn)在裂紋周圍傳播介質(zhì)頻厚積的變化；當(dāng)裂紋長(zhǎng)度D越大，頻厚積變化速率越大，發(fā)生Lamb 越過裂紋的衍射現(xiàn)象越困難，故回波的幅值增長(zhǎng)速率也越大。所以當(dāng)W< 140 mm 時(shí)，回波的幅值變化可以用于裂紋成像處理，當(dāng)W＞140 mm 時(shí)，兩者的線性關(guān)系變差，不再適合裂紋成像，但仍可以用于判斷是否存在裂紋。

2.2 裂紋位置對(duì)回波的影響

由于焊縫特征導(dǎo)波的能陷效應(yīng)，特征導(dǎo)波只沿著焊縫傳播[11]。當(dāng)與裂紋作用時(shí)，既不會(huì)發(fā)生能量泄露到母材，也不會(huì)發(fā)生模態(tài)變化，因此，當(dāng)特征導(dǎo)波的在裂紋中傳播時(shí)，相速度不變。因此，可以通過時(shí)域里回波的到達(dá)時(shí)間來判斷裂紋距離。實(shí)驗(yàn)其他參數(shù)如下：

表3 裂紋位置-裂紋參數(shù)

為了保證波形清晰，保證激勵(lì)波無(wú)法與反射波疊加在一起，裂紋與EMAT 的激勵(lì)、接收探頭的距離必須滿足X= range（100，10，200）。此時(shí)得到裂紋位置X與回波到達(dá)EMAT 的時(shí)間關(guān)系如圖3 所示。

圖3 裂紋位置與回波到達(dá)時(shí)間關(guān)系圖

從圖3 上可以很直觀地看出：在一定范圍內(nèi)，裂紋位置X與回波的到達(dá)時(shí)間成正比。將框中的各點(diǎn)到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換為裂紋位置，可知：該范圍的區(qū)間為五幅波總長(zhǎng)。由此得出結(jié)論：在激勵(lì)起始波的總長(zhǎng)內(nèi)，裂紋位置X隨著回波的到達(dá)時(shí)間的增大而增大，且每段總長(zhǎng)間成等差關(guān)系，差值為L(zhǎng)amb 波波長(zhǎng)λ。所以，可以通過回波的到達(dá)時(shí)間來定量判斷裂紋位置。

3 焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述仿真分析，選用一發(fā)一收的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)鋁板為800 mm × 300 mm × 3 mm；裂紋尺寸為0.2 mm，位置為200 mm；激發(fā)頻率為250 kHz；選擇A0 為主模式，其相速度為2416 m/s，換能器結(jié)構(gòu)為螺旋線圈+圓柱型磁鐵；線圈選用雙層雙分裂結(jié)構(gòu)線圈[12]，實(shí)驗(yàn)連接如圖4 所示。

圖4 焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)整體圖

通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)捕捉到的回波信息，對(duì)裂紋進(jìn)行估算，其結(jié)果見表4。

表4 裂紋定量分析結(jié)果

裂紋定量分析結(jié)果表明，在一發(fā)一收模式下，通過回波幅值變化規(guī)則及接收波之間的時(shí)間差，能夠很好地對(duì)裂紋進(jìn)行定量評(píng)估。由于測(cè)量結(jié)果的讀取誤差及材料的實(shí)際參數(shù)與仿真參數(shù)的差別，使裂紋定量分析存在一定的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)板中Lamb 波電磁超聲換能器進(jìn)行有限元分析，研究了Lamb 波在鋁板焊縫中的傳播特性，完成了焊縫檢測(cè)EMAT 的設(shè)計(jì)并搭建出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過仿真分析了不同裂紋處Lamb 波的響應(yīng)特性，并對(duì)裂紋與回波的相位、幅值等特征信息間的關(guān)系展開仿真分析，得出了回波幅值、到達(dá)時(shí)間隨裂紋長(zhǎng)度、位置的變化曲線，并對(duì)其進(jìn)行了擬合。最后對(duì)0.2 mm 的縱向裂紋進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合擬合曲線反演出裂紋信息，表明該裝置能夠識(shí)別裂紋特征，可以對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行定位和模糊程度的定量判斷，驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)的正確性，為基于電磁超聲的焊縫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究以及裂紋缺陷的定量檢測(cè)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。