陳漢新，余 剛，楊詩(shī)琪，劉 岑，孫 魁

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

0 引 言

焊接技術(shù)現(xiàn)在在各種領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，特別是鍋爐、壓力容器、壓力管道和各種鋼結(jié)構(gòu)都是采用焊接方法制造的，通過(guò)焊接加工的鋼材幾乎占世界鋼材產(chǎn)量的50%以上.超聲檢測(cè)是提供焊接接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)和焊縫缺陷定位的重要無(wú)損檢測(cè)手段之一.TOFD技術(shù)最早是在20世紀(jì)70年代提出來(lái)的，原理是超聲波在檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，M J Silk發(fā)現(xiàn)了這個(gè)重要的現(xiàn)象并將其用到超聲檢測(cè)當(dāng)中［1］.TOFD將探頭對(duì)稱分布于焊縫兩側(cè)，一個(gè)發(fā)出信號(hào)，另一個(gè)接收信號(hào).檢測(cè)到缺陷時(shí)，接收探頭可以接收到直通波與反射波之間的衍射波.用Mutli軟件不僅可以自由設(shè)置超聲波檢測(cè)過(guò)程的各種參數(shù)，還可以輕易得出A掃描信號(hào)和TOFD圖像，TOFD圖像是將每個(gè)A掃描的信號(hào)顯示成的一維圖像線條沿探頭的運(yùn)動(dòng)方向拼接成的二維視圖［2］.

用有限元ANSYS軟件對(duì)超聲波在固體中的傳播過(guò)程進(jìn)行仿真建模是將要檢測(cè)的試件看做是向同性均勻的［3］.超聲波的傳播是對(duì)物體具有聲壓的，所以本研究主要是將波的傳播過(guò)程看做是對(duì)物件的加載過(guò)程，從而得出的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.期望在這方面能夠?qū)Τ暡ǖ臋z測(cè)有更多的實(shí)際幫助［4］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 焊縫自然缺陷的分類

焊縫缺陷根據(jù)其性質(zhì)、特征主要分為以下6個(gè)大類：（1）裂紋：縱向與橫向裂紋，弧坑裂紋與支狀裂紋等.（2）孔穴：氣孔，結(jié)晶縮孔，弧形坑孔等.（3）固體夾雜：夾渣，焊劑與溶劑夾渣，氧化物和金屬夾雜等.（4）未焊透及未熔合.（5）形狀和尺寸不良：咬邊，縮溝，下榻，焊瘤，錯(cuò)邊，燒穿，未焊滿等.（6）其它缺陷：電弧擦傷，飛濺等［5］.

在上述6種常見(jiàn)的缺陷中，肉眼可看見(jiàn)表面缺陷，不用檢測(cè)；未熔合和未焊接在檢測(cè)中很難區(qū)分開，所以不適合使用TOFD法檢測(cè)，這里不作過(guò)多表述.內(nèi)部缺陷包括氣孔與夾雜，非內(nèi)部缺陷則包括根部、邊緣、焊縫表面起的縱深裂紋等.焊縫中的橫向裂紋以及橫向排列的氣孔夾雜等通過(guò)射線檢測(cè)后能得到相當(dāng)精確的成像，但對(duì)于縱向排列的缺陷來(lái)說(shuō)，射線檢測(cè)具有很大的局限性，焊縫最上方的缺陷或者最大的缺陷會(huì)將射線底片中所有的縱向缺陷的成像掩蓋［6］.因此焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)是本文的主要研究對(duì)象［7］.

1.2 模型的建立

圖1是TOFD檢測(cè)中5種常見(jiàn)的縱向自然缺陷.圖1（a）縱向裂紋；圖1（b）氣孔與夾雜；圖1（c）側(cè)壁未熔合；圖1（d）根部未焊透；圖1（e）內(nèi)凹與根部未融合.建模過(guò)程中首先根據(jù)要檢測(cè)的的試件的尺寸建立二維模型，然后根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果在試件中勾畫出缺陷模型.對(duì)于簡(jiǎn)單的裂紋氣孔缺陷可以直接在ANSYS直接建模；對(duì)于側(cè)壁、根部未熔合等不規(guī)則的缺陷可以在CAD軟件上建模然后導(dǎo)入到ANSYS中.

圖1 焊縫中5種常見(jiàn)的縱向自然缺陷示意圖Fig.1 Five kinds of common vertical natural defects in weld

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

焊縫缺陷的TOFD法檢測(cè).檢測(cè)的對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室中定制的人為制作的縱向排列氣孔類型的自然缺陷試件，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)的時(shí)候?qū)⑻筋^沿著焊縫方向上下移動(dòng)，觀察其A掃圖與B掃圖.A掃圖是將超聲信號(hào)的幅度與傳播的關(guān)系以直角坐標(biāo)的形式顯示出來(lái)，橫坐標(biāo)代表波的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)代表信號(hào)幅度.B掃圖顯示的是與聲束傳播方向平行且與工件的測(cè)量表面垂直的剖面.

圖2 缺陷試塊Fig.2 Natural welding defects test block

1.4 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

將相控陣探頭沿著焊縫一側(cè)移動(dòng)，在沒(méi)有缺陷的時(shí)候?qū)?huì)在圖3左邊A掃圖中顯示探頭表面、探頭與楔塊之間、楔塊與被檢測(cè)物體之間的反射波，沒(méi)有缺陷回波的出現(xiàn).右邊的B掃圖中也沒(méi)有缺陷出現(xiàn).

當(dāng)探頭移動(dòng)至有缺陷的位置時(shí)，此時(shí)的A掃圖中不僅出現(xiàn)以上3種反射波，還會(huì)出現(xiàn)缺陷回波，B掃圖中也會(huì)出現(xiàn)缺陷的位置，如圖4所示.

沿著兩個(gè)缺陷范圍拖動(dòng)坐標(biāo)指針，記錄指針的幾何位置與缺陷位置幅值的變化，可以預(yù)判缺陷的大小位置，將其幾何示意圖的形式表示出來(lái)，如圖5所示.

圖3 無(wú)缺陷的情況Fig.3 The condition without any kind of defects

圖4 有缺陷的情況Fig.4 The condition with defects

圖5 自然缺陷的幾何示意圖Fig.5 Natural defects of weld geometry diagram

在檢測(cè)出實(shí)際的焊縫位置出來(lái)后.用TOFD法檢測(cè)該處缺陷.在試驗(yàn)的時(shí)候?qū)蓚€(gè)探頭固定在缺陷兩端，如圖6所示.在A掃圖中已經(jīng)觀測(cè)出來(lái)4種波，所以用不同的灰度就可以將其表現(xiàn)出來(lái)，如圖7所示.這樣有利于方便波形的辨認(rèn)與檢測(cè)判定，強(qiáng)調(diào)的是此灰度圖只是缺陷局部，而不是整體焊縫的情況.

圖6 TOFD檢測(cè)探頭分布Fig.6 TOFD detection probe distribution

圖7 TOFD法檢測(cè)焊縫的結(jié)果圖Fig.7 The results of the weld detection with the TOFD method

2 仿真部分

2.1 仿真原理

TOFD技術(shù)是基于焊縫中裂紋的上下尖端所產(chǎn)生的衍射波傳播的時(shí)間差值來(lái)確定裂紋尺寸的大小.在試驗(yàn)部分中，所選的探頭具有32個(gè)晶片，可以選擇其中的一系列晶片來(lái)施加特定規(guī)則的時(shí)間脈沖來(lái)控制超聲波的發(fā)射角度.所以仿真的過(guò)程就是模擬超聲波探頭在檢測(cè)試件表面上一系列特定節(jié)點(diǎn)上施加不同的脈沖信號(hào)［8］.

仿真的重點(diǎn)就是在不同的節(jié)點(diǎn)處施加具有時(shí)間延遲的載荷，這是根據(jù)惠更斯原理［9］中，聲束的角度（?）、速度（V）、相鄰晶片的時(shí)間延遲（Δt）、相鄰晶片之間的距離（d）的數(shù)學(xué)關(guān)系方程（1）決定的：

而脈沖激發(fā)的延時(shí)方程則通過(guò)分段函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).第一個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的方程是方程（2）：

第N個(gè)節(jié)點(diǎn)施加的載荷方程是方程（3）：

在特定節(jié)點(diǎn)施加延遲方程可以得到具有非常好指向性的波陣面，其中圖8是在13個(gè)節(jié)點(diǎn)施加脈沖的效果.

圖8 具有良好指向性的波陣面圖Fig.8 The good directivity of wavefront

2.2 仿真結(jié)果

按照焊縫自然缺陷建立的檢測(cè)模型如圖9所示.其中圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）分別表示波在1.5μs、2.5μs、3.5μs這3個(gè)不同的時(shí)刻的傳播過(guò)程圖.

圖9 不同時(shí)刻提取的傳播過(guò)程圖Fig.9 The spread process of different time extraction

3 對(duì)比結(jié)果以及結(jié)論分析

規(guī)定滿屏信號(hào)的幅值為10%.以缺陷回波所占的百分比作為縱坐標(biāo)，超聲波傳播的時(shí)間為橫坐標(biāo).將TOFD法檢測(cè)自然缺陷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，如圖10所示.

圖10 兩種方法的幅值對(duì)比圖Fig.10 Two methods of amplitude comparison

從表面波、衍射波及底面反射波三個(gè)方面來(lái)就理論計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)值、仿真值進(jìn)行歸納，以理論值作為標(biāo)準(zhǔn).計(jì)算誤差如表1所示.

表1 三種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Result comparison of three methods

從表1中可以清晰的看到，直通波實(shí)驗(yàn)值誤差為－2.1%，仿真值為－8.3%，均為負(fù)誤差，試驗(yàn)中出現(xiàn)這種誤差的原因很可能是因?yàn)閮蓚€(gè)探頭之間的排距不夠精確造成的；衍射波的實(shí)驗(yàn)值誤差為2.0%，仿真誤差幾乎為0，由此可見(jiàn)對(duì)衍射波進(jìn)行仿真的準(zhǔn)確性，應(yīng)該是TOFD法仿真的準(zhǔn)確性；底面回波的兩個(gè)誤差均為1.2%，可見(jiàn)仿真的手段在實(shí)際檢查缺陷的時(shí)候是有發(fā)揮的空間的.當(dāng)然數(shù)值仿真也有其失真的一面.在試驗(yàn)部分，如果沒(méi)有灰度圖的輔助判斷，直通波的幅值和衍射波的相差不大，而且容易與噪音混合.在仿真部分，直通波與衍射波的區(qū)分度很高，很容易被觀察到.

對(duì)超聲波檢測(cè)的有限元數(shù)值仿真，是本文最中心的部分，以超聲波檢測(cè)的過(guò)程作為載荷加載的過(guò)程來(lái)仿真是非常有效的，也是比較精確的.希望以后仿真能夠在超聲波檢測(cè)這一行業(yè)中發(fā)揮更大的作用.

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：137－141.ZHENG Hui，LIN Shu－qing.Ultrasonic testing［M］.Beijing：China Labor and Social Security Publishing House，2008：137－141.（in Chinese）

［2］魏東，周正干.固體中脈沖超聲波傳播的有限差分模擬［J］.航空學(xué)報(bào)，2010（2）：387－388.WEI Dong，ZHOU Zheng－gan.Finite difference simulation of pulsed ultrasonic wave propagation in sol－ids［J］.Aeronautics，2010（2）：387－388.（in Chinese）

［3］孫魁.基于超聲波信號(hào)的焊縫評(píng)估研究［D］.武漢：武漢工程大學(xué)，2013.SUN Kui.The base of ultrasonic signal weld evaluation research［D］.Wuhan：Wuhan University of Engineering，2013.（in Chinese）

［4］龔曙光.ANSYS軟件在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2001（7）：21－23.GONG Shu－guang.The application of ANSYS software in the stress analysis and design［J］.Digital Manufacturing Indus－try，2001（7）：21－23.（in Chinese）

［5］遲大釗，剛鐵，高雙勝.超聲TOFD法檢測(cè)信號(hào)相位識(shí)別技術(shù)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2011（9）：17－20.CHI Da－zhao，GANG Tie，GAO Shuang－sheng.Ultrasonic TOFD method to detect the signal phase recognition technology［J］.Welding Journal，2011（9）：17－20.（in Chinese）

［6］王文先，王東坡，齊芳娟.焊接結(jié)構(gòu)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.WANG Wen－xian，WANG Dong－po，QI Fang－juan.Welding structure［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2012.（in Chinese）

［7］史亦偉.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.SHI Yi－wei.Ultrasonic testing［M］.Beijing：Machinery Industry Press，2000.（in Chinese）

［8］GINZEL E.Materials research institute etc，time－offlight diffraction and pulse echo line scanning［J］.NDT，2000（6）：64－68.

［9］趙維濤，陳孝珍.有限元法基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2009.ZHAO Wei－tao，CHEN Xiao－zhen.The base of finite element method［M］.Beijing：Science and Technology Press，2009.（in Chinese）