雙層鋼板搭接區域內的裂紋缺陷檢測仿真*

薛慧玲 戚青麗 杜文華

(①中北大學機械工程學院,山西 太原 030051；②中國特種設備檢測研究院,北京 100029；③清華大學電機系，北京 100084)

關鍵字:超聲SH導波;缺陷檢測;雙層板搭接;有限元法

雙層鋼板搭接結構因腐蝕發生裂紋等缺陷是工程中常見的問題，其對社會公共安全造成巨大隱患。在工程實踐中缺陷常被鋼板覆蓋和焊縫包圍，對檢測工作造成很大程度的干擾，使得無法通過視覺等方法直接檢測。因此，研究SH導波雙層鋼板搭接區域內缺陷檢測的有限元仿真具有重要意義。劉涵等人[1]通過OPTICS算法獲得了石油鋼管焊縫各種形狀大小的缺陷，但識別準確率較低。陳本智等人[2]將厚鋼管焊縫圖像中氣孔缺陷分割出來，但無法將其他類型缺陷進行分割。焦敬品等人[3]結合BP神經網絡可對內焊縫表面缺陷進行識別，但識別率有待提高。上述文獻通過圖像處理的方式對缺陷、焊縫進行檢測，但是只能檢測存在于表面的缺陷，對于搭接區域內部缺陷卻無法檢測。朱新杰[4]等人運用超聲SH導波對TLB型復雜焊接結構進行檢測，在檢測距離4 m內信號較明顯，但是搭接焊縫及搭接頭有較大的線性尺度，聲波散射嚴重。J. Ma等人[5]研究了板中橢圓形缺陷對SH0模態的脈沖回波反射特性，缺陷的兩個邊緣的反射對信號干擾強烈。黃松嶺團隊[6-7]通過制作全向性導波探頭，分別對Lamb波和SH導波在板中缺陷檢測進行研究，但檢測波形較為復雜，Lamb波模態識別困難。文獻[4-7]的研究表明，超聲Lamb波、SH導波在傳播過程中存在著聲場變化，以及與人工缺陷的相互作用；當板材存在焊縫結構時，上述情況會變得更加復雜。遲大釗等人[8-9]對搭接焊縫的X射線數字化圖像進行分析，只對搭接焊縫中氣孔類體積缺陷有良好檢測效果。Yamba P等人[10]對搭接焊縫駝峰狀缺陷的產生進行研究，表明焊縫回流流向是主要因素。李陽等人[11]研究了Lamb波在搭接焊縫上的反射和透射，表明反射系數與焊縫寬度之間呈近似線性關系。在研究板材搭接結構時，文獻[8-11]將研究目光集中于搭接焊縫，沒有考慮搭接區域內的缺陷對板材性能的影響。

本文基于COMSOL多物理場仿真平臺，建立雙層鋼板搭接結構三維模型，通過在板邊緣加載位移激勵的方式激勵單一模態SH0導波，并監測搭接區域外某點回波信號強度，從而研究SH0模態導波在搭接結構中的傳播特性，并研究SH0導波對不同長度裂紋缺陷的檢測。

1 SH0模態導波在雙層鋼板搭接結構中的傳播特性

對于零階SH模態的導波(即SH0導波)，其波結構簡單，波型轉換少，單模態激勵較易，板材表面有無液體、污物等對其傳播影響不大。在厚2 mm的鋼板中，激勵頻率為250 kHz條件下，SH0模態導波群速度為3 200 m/s。如圖1所示，導波激勵選取經過高斯窗調制的5.5周期激勵信號，表達式為

f(t)=A(1-cos(2πft/n))cos(2πft)

(1)

式中：A=0.5，激勵函數幅值；f=250 kHz，激勵頻率；n=5.5，周期數。

在Comsol中建立雙層鋼板搭接三維模型，如圖2所示，主體鋼板尺寸為100 mm×300 mm×2 mm，上表面焊接有一塊60 mm×160 mm×2 mm的鋼板，中心位置距主鋼板中心位置40 mm，激勵區域設置在主鋼板左端，布局采用居中對稱模式。為了減小計算量，此處假設焊縫高度無限小，即用兩塊板相接觸的交線(圖2中粗實線)作為焊縫。

采用自由四面體網格對模型進行網格劃分，在激勵區域施加沿y軸方向的位移載荷激勵信號(由SH導波傳播過程中，質點沿y軸方向振動決定)，設置探針P(-93, 0, 0)，用以查看y方向上位移，最后設置求解器并對模型進行求解。在后處理中查看SH0模態導波任意時刻的位移云圖和探針P點處的位移—時間曲線。

分別模擬t=32 μs和t=52 μs時，SH0模態導波傳播的位移云圖，如圖3所示。不同時刻SH0導波傳播的位移云圖仿真結果表明，鋼板雙側吸收邊界對反射波吸收良好，并無反射波產生，在經過焊縫后，導波發生反射現象和透射現象，但無模態轉換和頻散現象發生，說明SH0模態導波模式純凈，與理論吻合。

探針P點處的位移—時間曲線，如圖4所示，探針P點處接收到的主要有四種信號，分別是直達波、焊縫反射波、二次反射波和鋼板左端反射波。四種信號波形完整，說明雙層鋼板搭接結構三維模型尺寸設置較為合理。

在實驗中，為了減少傳感器的數量，通常采用一激一收模式，利用回波反射法實現焊縫的定位。根據探針與焊縫邊界的距離以及傳播時間，可以計算出SH0模態導波的傳播速度，如表1所示。相比SH0導波計算速度和理論速度，二者之間誤差為5.6%，證明雙層鋼板搭接結構的三維仿真模型準確性較高。

表1 SH0導波仿真速度分析

2 SH0模態導波在鋼板焊接區域內裂紋檢測中的仿真分析

在實際工程中，鋼板裂紋缺陷往往會被另一塊焊接鋼板所覆蓋，這就給檢測工作帶來了很大的干擾。因此，為了研究SH0模態波導在此情況下的傳播特性，以實際的工程應用為原型，建立如圖5所示含缺陷雙層鋼板搭接結構三維模型。A處為沿y軸的裂紋缺陷，尺寸為1 mm×40 mm×2 mm，距離主鋼板的中心位置40 mm處。

在含缺陷的雙層鋼板焊接區域中，t=52 μs和t=80 μs時SH0模態導波傳播的位移云圖，如圖6所示。不同時刻SH0導波傳播的位移云圖表明，SH0模態導波在傳播過程中遇到裂紋缺陷后也會產生反射現象和透射現象，但無模態轉換和頻散現象發生。

如圖7所示，探針P點處的位移—時間曲線表明，在鋼板左端反射波波包后，可以明顯觀察到裂紋缺陷反射波信號。驗證了因SH0模態導波無頻散和無模態轉換的優點，避免了因導波模態轉換對焊縫反射和透射信號產生的干擾，使導波信噪比更高，缺陷回波信號更加單一。

根據SH0模態導波在板中傳播速度、探針P點處與裂紋缺陷的距離和傳播時間，對裂紋缺陷進行定位分析可知，二者誤差僅為1.79 %，定位精度較高，驗證了SH0模態導波在雙層鋼板搭接區域內裂紋缺陷檢測的可行性，計算結果如表2所示。

表2 裂紋缺陷位置分析

3 對不同長度裂紋缺陷的仿真分析

為了研究SH0導波對不同長度裂紋缺陷的檢測能力，分別建立長度為10～40 mm(間隔為5 mm)含裂紋缺陷的雙層鋼板三維搭接結構模型。如圖8所示，探針P點處的位移—時間曲線表明，裂紋長度為10 mm時，接近理論極限分辨率6.4 mm，缺陷回波信號與噪聲信號基本重疊，無法識別缺陷回波波包；裂紋缺陷越長，缺陷回波信號越強烈，幅值越高。驗證了SH導波為水平剪切波，其在板中傳播時質點沿y軸方向振動，因此對x軸方向缺陷敏感。

4 結語

本文針對雙層鋼板焊接區域內裂紋缺陷不易檢測的問題，采用有限元法研究了SH0模態超聲導波對雙層鋼板焊接區域內裂紋缺陷的檢測，得出結論如下：

(1)通過仿真計算得出SH0模態導波計算速度和理論速度的誤差為5.6 %，實驗模型較為準確。

(2)由于雙層鋼板搭接結構和裂紋缺陷對SH導波的影響，板中主要出現5種信號，分別是焊縫反射信號和透射信號，主鋼板左端反射信號，缺陷反射信號和透射信號。

(3)針對不同長度裂紋缺陷，SH0模態導波對10 mm長裂紋缺陷并不敏感，缺陷回波信號幅值與噪聲信號幅值接近，無法識別缺陷回波波包；當裂紋長度從10 mm到40 mm逐漸遞增時，缺陷回波信號明顯增強，在40 mm時幅值達到最大。

(4)裂紋缺陷的計算位置與實際位置誤差為1.79 %，裂紋缺陷檢測的可實施性較高。