金屬復合材料界面超聲檢測仿真設計與分析

孫繼華， 趙 揚， 南鋼洋， 馬 健， 巨 陽

(山東省科學院 激光研究所，山東省無損檢測工程技術研究中心， 濟南 250103)

0 引 言

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

標準要求鋁/鈦/鋼復合材料界面復合率要達到100%，所以為了對鋁/鈦/鋼復合材料的焊接質量有一個較為全面地了解，需要對鋁/鈦和鈦/鋼界面的結合情況進行有效的檢測。目前超聲檢測已成為最主要的復合材料無損檢測技術，大量的研究和應用也表明，超聲是目前國內外復合材料無損檢測最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術，它能可靠地檢測出復合材料中的分層、脫粘、孔隙等大部分危害性缺陷[5-6]，所以有必要進一步開展鋁/鈦/鋼復合材料的界面結合情況超聲檢測研究，利用有限元數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/鋼爆炸焊復合材料作為研究對象，利用有限元數值模擬方法仿真分析了鋁/鈦和鈦/鋼界面的不同結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，通過對透射波進行頻譜分析得到了界面不同情況下頻譜特性。仿真分析結果為進一步對鋁/鈦/鋼復合材料界面結合情況進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的復合連接過渡接頭為模擬對象[10]，復合連接過渡接頭復合材料上層為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。根據復合過渡接頭的特點，建立了鋁/鈦/鋼3層復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40 mm區域內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的復合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結合良好的模型(模型2)；圖1(c)為鋁/鈦界面結合良好、鈦/鋼有長度為10 mm的復合縫隙缺陷的模型(模型3)；圖1(d)為鋁/鈦界面有2個間隔5 mm且長度均為5 mm的復合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結合良好的模型(模型4)；圖1(e)為鋁/鈦界面結合良好界面、鈦/鋼有2個間隔5 mm且長度均為5 mm的復合縫隙缺陷的模型(模型5)；圖1(f)為鋁/鈦界面有3個間隔3 mm且長度均為3 mm的復合縫隙缺陷、鈦/鋼界面結合良好的模型(模型6)；圖1(g)為鋁/鈦界面結合良好、鈦/鋼界面有3個間隔3 mm且長度均為3 mm的復合縫隙缺陷的模型(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長度處施加應力邊界條件用于模擬超聲波發射探頭UT1[12]，UT1同時用于模擬接收回波信號，同時為了對透射波進行分析，在下表面中心20 mm長度處設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 模擬結果及分析

下面根據建立的鋁/鈦/鋼復合材料有限元模型分別對當鋁/鈦界面和鈦/鋼界面存在不同情況時各種模型進行分析。

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中從上表面發出向傳播到0.96 μs、1.86 μs、2.37 μs、2.61 μs時進行波場快照，以記錄超聲波在鋁/鈦/鋼復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時向下傳播的超聲縱波P，到1.86 μs時能看到鋁/鈦界面產生的回波B1，在2.37 μs和2.61 μs時能看到鋁/鈦界面產生的回波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時進行波場快照，得圖3～8所示波場快照圖。

由圖3～8可見，當鋁/鈦界面和鋁/鈦界面有不同類型裂紋時的超聲波傳播過程，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次回波到達上表面時間比較接近；圖9(b)模型2的回波信號圖，可以看到B1的幅值比較大，這是由于復合縫隙缺陷內部是空氣，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算進行驗證[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空氣之間的大小關系為Z鋼>Z鈦>Z鋁?Z空氣，所以當超聲波從鋁/鈦界面結合良好時的鋁中傳入鈦中時，按照聲壓反射系數計算可知鋁/鈦界面聲壓反射系數應該為正值，表示鋁/鈦界面回波的相位和始波相位應該相同；當界面有復合縫隙缺陷(內部有空氣)時，可以計算出反射系數結果為負值，所以復合縫隙缺陷回波的相位和始波相位應該相反；同樣可知計算鈦/鋼界面聲壓反射系數應該為正值，表示鈦/鋼界面回波的相位和始波相位也是相同，所以上述理論計算的結果與本文模擬的結果是相符的，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層金屬復合材料時會有比較大的衰減，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/鋼界面均結合良好的透射波信號圖上可得到透射波信號T到達時間t=3.91 μs，該時間為超聲波在3層材料中傳播時間之和，與理論傳播時間一致。

由圖10透射波信號圖可知，當鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結合良好時，接受的透射波幅度最大；當鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面有長度為10 mm的復合縫隙缺陷時，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小；當鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面有間斷的復合縫隙缺陷時，可以接收到一定幅度的透射波信號，但幅值明顯比當鋁/鈦界面和鈦/鋼界面均結合良好時的透射波信號幅值小，所以實際檢測中可以通過透射波的幅度變化，來判斷界面的結合情況，但是由于透射波是單聲程，當界面有復合縫隙缺陷時，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域中對檢測結果進行分析，在測試領域中，作為現有檢測工藝的有用的延伸，頻譜分析技術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]，所以通過對時域超聲檢測信號進行頻譜分析可以獲得頻域中的各種特征，進而對鋁/鈦/鋼界面結合情況進行進一步的分析。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有個極值，低頻部分在0.68 MHz有個極值；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有個極值，而低頻部分圖11(d)在0.81 MHz有個極值，而圖11(e)在0.72 MHz有個極值；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行進一步的分析。

3 結 語

本文通過有限元數值模擬方法建立了船舶用鋁/鈦/鋼3層復合材料模型，分析了當鋁/鈦界面、鈦/鋼界面的結合良好及有不同復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、幅度等方面的區別，通過透射波信號得到了界面復合縫隙缺陷對超聲波透射波的影響，所得結果與理論計算一致。通過對透射波幅度譜進行分析獲得了當鋁/鈦界面或者鈦/鋼界面不同情況下頻譜特性差別。

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

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