基于有限元方法的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測

楊永鋒等

摘 要 鋼板焊縫缺陷檢測是一項難度較大的工作，對檢測技術有著極高的要求，只有高效的檢測出焊接缺陷，才能進行有效的處理，增強焊接結構的穩定性。隨著科學技術的不斷發展，缺陷檢測技術也越來越先進，紅外無損檢測在有限元方法的基礎上，可以更加全面的體現出被檢測對象的狀況。建立在有限元方法基礎上的紅外無損檢測技術在缺陷檢測方面發揮著重要的作用，可以通過ansys仿真分析軟件獲取被檢測鋼板焊縫的圖像，從不同的角度對缺陷問題進行分析，保證缺陷檢測的精確程度。

關鍵詞 有限元方法；鋼板焊縫；無損檢測；紅外熱成像

中圖分類號 TG4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2015）09-0027-01

鋼板是一種應用率極高的施工構件，焊接缺陷類型多種多樣，這些焊縫缺陷問題，必然會對施工工作的順利進行造成干擾，必須要進行有效的檢測。因此，研究有限元法基礎上的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測有著非常重要的意義，能夠準確的檢測出鋼板焊縫的缺陷所在，為后期處理工作提供可靠的依據，改善鋼板結構的安全程度，為相關研究提供參考意見。

1 紅外無損檢測中的有限元方法概述

ansys仿真分析軟件是有限元方法的關鍵所在，能夠對檢測的各項條件進行限定，對程序進行編寫，并完成相關的計算任務。該軟件技術最后通過云圖來將鋼板焊縫的溫度場檢測結果顯示出來，溫度同顏色深度呈正比關系。建立在有限元方法基礎上的紅外無損檢測技術在二、三維檢測過程中，分別應用的是PLANE77及SOLID70單元，二者包括的節點數均為八個，不同的溫度自由度與各個節點相互對應[1]。

在檢測鋼板焊縫缺陷時，應將零時間點同特定時間內的被檢測部位的中心點溫度直接的大小差距計算出來，該數值同不存在缺陷問題相應指標的比值可以表示為對比度。通過這一項數據能夠更加的清晰的查看無損檢測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。在紅外無損檢測的過程中，不僅需要測定出相應的數據，還需要對這些測量出來的結果進行計算和統計，需要借助相應的軟件來完成，檢測所需時間較長，結果直觀性有所欠缺，應用范圍有

限[2]。然而因為鋼板構件的焊縫問題表現為多種形式，缺陷位置不固定，可能存在于內部，也可能是內壁上的問題，所以無論是在缺陷具體形態，還是大小和位置方面，均難以判斷。在檢測中可以將檢測指標限定為熱像特征及表面升溫，發揮有限元方法的優勢，將表面溫度變化和缺陷位置、大小等信息整合起來，將缺陷的定量檢測變為現實。

2 基于有限元方法的鋼板焊縫缺陷紅外無損檢測計算對象分析

若選取1.0%的XcU碳鋼鋼板作為焊縫缺陷的檢測對象，構件的各方面數據表示如下：長寬高分別為0.5m、0.4m和0.04m，檢測氣孔主要包括三個深度，即0.01m、0.02m和0.03m，而氣孔孔徑大小有劃分為三個不同的數值，即0.002m、0.004m和0.006m。將20e下物性的視作被檢測構件的碳鋼物性，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。在檢測時需要將移動熱流加到被檢測鋼板上，確定好零時檢測點，通過階越的途徑將1×105W/m2的熱流施加到四個檢測面，間隔期限為一分鐘，對檢測面的溫度情況進行檢測。結果發現鋼板內的溫度會因為熱流而出現不同的反應，變化方向為由上至下，干部那碳鋼及氣孔二者物性有一定的差異，相對正常區域來說，氣孔缺陷位置溫度明顯較高[3]。

1）不同熱流對缺陷檢測的影響分析。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。在熱流設定為1×104W/m2的情況下，在作用一分鐘的時間內，焊件表面溫度提升至vTU5.6e，缺陷區域變化較小；而當將熱流設定為5×104W/m2的情況下，焊件表面溫度提升25e，缺陷區域的溫度變化為1e；將熱流設定為1×105W/m2的情況下，焊件和缺陷區域升溫狀況分別為54e、3e，這就體現出同正常表面相比，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，應將其控制在合理的范圍內。

2）不同直徑氣孔對缺陷檢測的影響分析。作用于焊件表面的熱流為1×105W/m2時，三個不同直徑氣孔（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，缺陷檢測更加容易，當直徑在0.002m時，很難檢測出缺陷狀況，對紅外檢測儀器的靈敏度要求更高。

3）不同深度氣孔對缺陷檢測的影響分析。當將為1×105W/m2的熱流統一施加到檢測氣孔（直徑為0.004米）上時，深度為0.01m時，氣孔缺陷升溫$TU3e，而深度為0.02m和0.03m時，對應的升溫狀況依次為$TU1e和$TU0.8e。這就表明當氣孔深度在0.03m以下時，缺陷檢測更加簡便，但深度過大也會增大檢測難度。如果氣孔缺陷深度在0.03m以上時，無法利用常規的紅外探頭檢測出來，檢測精度要求較高。

3 結語

利用基于有限元的紅外無損檢測技術，能夠總結出以下結論：1）鋼板焊縫內部存在氣孔時，正常區域表面比有缺陷部位溫度低。2）當表面施加的熱流較小時，表面熱變化特征變化不大，難以檢測出缺陷問題；當施加熱流較大時，表面熱變化特征顯著，缺陷檢測難度降低，然而要求紅外探頭必須具備良好的分辨性，同時也必須要增強熱像儀靈敏程度。應控制好熱流的強度，保證熱流強度同鋼板焊件厚度相一致。3）其他因素固定時，氣孔缺陷直徑與檢測容易程度成正比；而氣孔大小固定時，具體位置距表面深度同檢測容易程度成反比。4）紅外無損檢測效率同熱擴散率成反比，更適用于熱擴散率小的鋼板材料。因為鋼板焊接缺陷問題的檢測是一項復雜性的工作，需要考慮多方面的因素，還需要對缺陷尺寸和形狀進行進一步的研究，利用表面溫度變化圖像來掌握缺陷狀況。

參考文獻

[1]盛陳飛.鋼結構焊縫無損檢測方法的應用研究[J].科技資訊，2008（1）.

[2]梅林，陳自強，王裕文，等.脈沖加熱紅外熱成像無損檢測的有限元模擬及分析[J].西安交通大學學報，2000（1）.

[3]郁青，何春霞.無損檢測技術在復合材料檢測中的應用[J].工程與試驗，2009（2）.

[4]李大鵬，楊治東，等.有限元方法在單面熱流加熱紅外無損檢測中的應用[J].機電工程，2005（2）.