基于激光超聲的閥門焊接缺陷檢測有限元仿真

中圖分類號：TP2 文獻標志碼：A

文章編號：2096-2983（2025）04-0082-08

引文格式：，，，等．基于激光超聲的閥門焊接缺陷檢測有限元仿真[J]．有色金屬材料與工程，2025，46（4）：82- 89.DOI： 10.13258/j.cnki.nmme.20241127001.FANG Zhongshu， XING Zhili，LIJinyong，etal.Finiteelement simulationof valve weldingdefectdetectiondasedonlaserultrasound[J].NonferousMetalMaterialsandEnginering，2025，46（4）：82-89.

Abstract： In this paper， the interaction mechanism between laser ultrasonic absorption and valve welding defects is studied，and the physical process of pulsed laser-excited ultrasonic waves is numerically simulated based on COMSOL software， and the propagation characteristics and laws of laser-excited ultrasonic waves in the valve material are systematically explored. By establishing two types of valve welding models，the temperature field， stressfield and pressure field excited by the laser on the valve surface were simulated，the change law of the three physical fields was studied， and the echo signals of the two models were compared and verified，and the position of the welding defect was obtained by analyzing the echo defect information through numerical simulation， the specific position of the welding defect is inversely obtained. The results show that the defect position and shape obtained by simulation are highly consistent with the preset parameters of the model. This study verifies the feasibility and accuracy of laser ultrasonic technology for valve defect detection， and confirms that the ultrasonic waves of various modes excited by laser can be used as an effective method for accurately detecting valve welding defects in industrial scenarios.

Keywords： laser ultrasound; finite element analysis; COMSOL software; valve welding defects

在工業生產領域，閥門作為流體控制系統中不可或缺的關鍵組成部分，其質量的優劣直接關系到工業生產的安全性[1-2]。焊接是閥門生產中必不可少的一環，由于在焊接過程中可能會出現諸如裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，這些缺陷極有可能引發閥門的泄漏、破損等嚴重后果。因此，對閥門焊接質量進行精準、可靠的檢測至關重要[3-9]。激光超聲檢測技術是一種非接觸、高精度、無損傷的新型檢測技術。它借助激光脈沖激發被檢測工件產生超聲波，通過激光束對超聲波的傳播進行探測分析，以獲取工件厚度、材料參數及表面缺陷等信息[10-16]。本文深人探討了激光超聲技術在閥門焊接缺陷檢測領域的理論基礎和應用潛力。通過有限元仿真軟件COMSOL，成功構建了一個無損檢測模型，該模型綜合了固體傳熱、固體力學和彈性波-時域顯式模塊，對超聲波在壓力場和應力場中的行為進行了精確的仿真分析。這一研究不僅證實了激光超聲技術在閥門焊接缺陷檢測中的可行性，而且通過將仿真數據與實際閥門焊接缺陷進行對比，驗證了該技術在檢測閥門缺陷方面的準確性和可靠性。本文提出了一種新的理論框架，將激光超聲技術與閥門焊接缺陷檢測相結合，為該領域的研究提供了新的視角；并證明了激光超聲技術在工業閥門缺陷檢測中的應用價值，為工業生產中的質量控制提供了一種新的、非接觸式的檢測手段。

激光超聲機制

當激光照射至閥門表面時，激光產生的能量分為三個主要部分：一部分被閥門材料吸收，另外一部分被反射或散射出去，還有一部分則透射。當高強度的激光照射到材料表面時，入射激光的一小部分能量被材料迅速吸收，絕大部分能量轉化為熱能。隨著熱量擴散，材料中將形成瞬態且分布極不均勻的溫度場，并引發一系列應力與應變；彈性介質在此過程中被激發產生彈性波，在特定激發條件下，這種彈性波還會進一步演變成為超聲波。閥門表面吸收了熱能后會向四周熱傳遞，各向同性的熱

傳導方程[2]為：

式中： c 為奧氏體不銹鋼的比熱容； ρ 為奧氏體不銹鋼的密度； T（r，z，t） 為隨時間變化的溫度分布； k 為材料導熱系數。

由于熱對流和熱輻射對溫度變化的影響較小，所以其影響可以忽略[]。激光源作用在閥門表面，即在表面施加熱流，其邊界條件為：

式中 Q 為熱源密度。

因激光光斑相對于閥門尺寸極小，將閥門表面看作無限大奧氏體不銹鋼鋼板，閥門外殼側面及底面沒有溫度變化，僅閥門上表面產生溫度梯度，因此：

式中： d 為閥門外殼的厚度； R 為閥門外表面的邊界。

2 物理場模型和參數設置

2.1 物理場設置

根據激光超聲理論，當激光照射到閥門焊接表面并引發熱量及瞬態位移場時，該過程可等效為在焊縫邊界上施加了一個脈沖線性熱源，即脈沖激光激發超聲波的物理過程。激光作用處能夠迅速吸收部分激光能量并轉化為熱能。在熱學模塊中，當激光源照射后產生瞬態的升溫，從而引發熱膨脹，進而導致應力與形變的出現。此外，固體力學模塊與固體傳熱模塊的耦合作用會進一步驅動材料熱膨脹。為驗證激光超聲在焊縫缺陷檢測中的可行性，需要添加“彈性波，時域顯式”模塊用于分析瞬態線性彈性波在包含多個波長的大型域中的傳播問題。

2.2 參數設置

閥門材料為奧氏體不銹鋼，其物理性能見表1。

表1奧氏體不銹鋼的物理性能

Tab.1Physical properties of austenitic stainless steel

2.3 函數設置

在材料表面施加激光源，由于激光源采用的是高斯分布，由（1）式可得材料吸收的總能量：

式中： k_y 為 y 方向的熱擴散系數; h 為樣品的高度;

A（t） 為隨時間變化的吸收率。

為簡化計算，不考慮材料表面對激光的反射，認為激光能量被材料全部吸收[]，因此， A（t） 取1。I₀ 表示入射脈沖激光的峰值功率密度，其表達式為：

式中： t₀ 為脈沖激光器的脈寬； s 為脈沖激光的作用面積。計算得 I₀ 的值為 4.5×10¹²W/m² ，材料吸收的總能量函數分布圖如圖1所示。

圖1材料吸收總能量分布函數Fig.1 Distribution function of the total energy absorbed bythematerial

3 閥門模型搭建和網格劃分

3.1 模型搭建

由SOLIDWORK軟件搭建的閥門模型如圖2所示，該閥門在完成上閥體、中閥體及下閥體的制造后，需要將3個閥體焊接，因此研究對象便是上閥體與中閥體或下閥體與中閥體的焊接面。由于焊縫非常小，其尺寸在微米級別甚至小于微米。因此為了確保準確性，在進行網格劃分時網格大小應保持在納米級別，由于閥門尺寸遠大于納米級別參數，故本文僅針對焊接表面進行仿真。本文主要采用同側收發模式檢測閥門材料的聲場，同側收發是指激光超聲的激光發生器與干涉儀位于材料同一側，即激發點與接收點位于材料同側，并且使用同側收發時，激發的激光光線與干涉儀的檢測光線不會發生交叉。為了方便計算，將激光超聲閥門缺陷檢測閥門模型等效為二維平面模型，本文的研究對象為閥門奧氏體不銹鋼板，材料參數參考表1，在仿真軟件的幾何模塊中構建一塊長方形奧氏體不銹鋼板，鋼板長 20mm ，寬 8mm ，厚度為 10mm ，焊縫距離激光源 8mm ，焊縫寬 0.25mm ，焊縫長 1.5mm ，在奧氏體不銹鋼板中間上方有激光源，激光超聲閥門焊接模型如圖3所示。

圖2 閥門仿真三維圖

Fig.2Three-dimensional diagram of valve simulation

圖3激光超聲閥門焊接模型圖

Fig.3Tab.3 Laser ultrasonic valve welding model diagram

3.2 網格劃分

彈性波的最大頻率根據式（6）得：

式（6）中： u 為表面波的速度， r 為激光光斑半徑大小，超聲脈沖在奧氏體不銹鋼內的傳播速度為5998m/s ，本文所使用的激光光斑半徑為 1mm ，經計算，超聲脈沖頻率為 2.7MHz時間步長的選取可依據彈性波的最大頻率f_max 計算：

經過式（7）計算，在仿真中可將時間步長設定為 1.6667×10^-8s ，時間總長設置為 10μs 。

由于不同模型的厚度存在差異，這會導致超聲波傳播到接收點所需的時間也不同，因此需要根據各模型的具體參數選擇相應的計算時間步數。為滿足空間分辨率的需求，準確解析超聲波波形。

根據式（6）和式（7）計算得到的參數如表2所示：

表2仿真參數Tab.2Simulation parameters

4仿真結果分析

4.1 激光超聲溫度場解析

當脈沖激光作用在閥門表面時，閥門表面會快速升溫，然后熱量通過傳遞到閥門其他位置，產生一個溫度場，通過測量材料表面的溫度變化，來獲取材料內部的溫度分布信息。如圖4（a）所示是1.60μs 時的溫度場，由于材料自身熱傳導速率較慢，所以激光輻照所引發的熱量主要聚集在脈沖光源近處，其余部位溫度較低。為了更深人地研究激光輻照附近區域溫度的變化趨勢，繪制了激光輻照中心的等溫線，見圖4（b）。從等溫線可以看出不同距離節點的橫向和縱向溫度的變化情況：橫向和縱向的檢測點的溫度變化都是距離激光照射中心越遠溫度越低，達到一定距離后，溫度趨于平穩，且對比可知瞬態溫升區域的橫向范圍寬于縱向范圍。

4.2 激光超聲應力場和壓力波回波分析

當奧氏體不銹鋼板經過激光激勵后溫度升高，其面積和體積會因為溫度的原因有不同程度的膨脹。在激光作用后的瞬態溫升區域，由于存在溫度梯度分布，導致局部表層發生膨脹，膨脹的周圍結構之間會相互約束，從而激發出瞬態熱應力，并隨即產生應力場。如圖5（a）所示是 1.0μs 時的應力場，可觀測到在激光作用區域出現了應力波；應力會導致奧氏體不銹鋼鋼板產生形變，此時產生的形變如圖5（b）所示。脈沖激光激發了表面波、橫波和縱波，縱波和橫波向平板內部進行傳播，表面波則沿著上表面邊界向激勵源的左右兩側傳播，圖5（c）是 1.4μs 的仿真結果，該結果表明，在奧氏體不銹鋼鋼板中，縱波速度最快，橫波速度居中，表面波速度最慢。圖5（d）是 4.4μs 時的應力波圖，可以在缺陷處清晰地看到縱波回波、橫波回波和表面波回波。

圖6（a）6（b）分別表示激光輻照 1.35μs 時的應力波圖和 2.70μs 時的應力波形變圖。由圖可見，最慢的表面波到達缺陷處的時間比縱波晚 1.35μs. 據此可推算出縱波速度約為表面波速度的2倍，該結

果與波速理論計算結果一致。

圖6（c）和6（d）分別是壓力波在 1.5μs 和 2.1μs 時的壓力波形圖，可見回波效果一般。對 2.1μs 時的壓力波圖進行著色放大處理，見圖7，可以清楚地觀察壓力回波。從圖8可發現，大致在 時出現波形變化，該結論與應力場對比波形圖得出的結論一致，驗證了激光超聲技術用于閥門焊接缺陷檢測的準確性。這是因為存在缺陷時，探測器會接收到缺陷回波；無缺陷時，探測器則不會接收到缺陷回波。根據波速可確定缺陷位置，且回波幅值先后經歷2次變化：一次在 處，另一次約在 3.5μs 處。

圖7缺陷處的壓力波放大圖Fig.7Enlarged view of the pressure wave at the defect location

圖8應力-維線性圖對比圖

Fig.8 Comparison diagram of the one-dimensional linear diagram of stress

4.3 速度場分析

使用超聲波時域顯示模塊進行超聲波仿真，可以更加清晰的看到超聲波在閥門奧氏體不銹鋼內的傳播，如圖9（a）和9（b）所示。超聲波在奧氏體不銹鋼內部的傳播如圖9（c）所示，可以清晰地看到縱波到達缺陷處，并且產生了縱波回波，從圖9（d）中可以清晰地看到橫波到達缺陷處并產生了橫波回

圖9超聲波在奧氏體不銹鋼內傳播波形圖

Fig.9 Waveform diagram of ultrasonic propagation in austenitic stainless steel

波，且表面波速度最慢。

無缺陷時的超聲波圖如圖10所示，未產生任何回波，可與有缺陷情況形成對比。將有缺陷時和無缺陷時的超聲波一維線性圖進行比對：從圖11可以看出，約在 時出現波形變化，該結論與應力場對比波形圖得出的結論一致；回波幅值先后經歷兩次變化，分別在 和 3.5μs 處。根據理論公式與波速傳播公式計算，超聲波縱波在奧氏體不銹鋼材料中的傳播速度為 5998m/s ；仿真顯示， 2μs 時一維線性圖出現變化，由距離公式可計算出縱波傳播距離為 12mm 。由于探測器位于激光源 4mm 處，由距離公式可以確定縱波進行了 12mm 的傳播距離，由于探測器在激光源 4mm 處，則缺陷在探測器 （12-4）/2=4mm 處，可確定缺陷位于探測器外側 4mm 處，即缺陷距離激光源 8mm 處。該結果與本文建模數據一致，驗證了激光超聲技術用于閥門焊接缺陷檢測的準確性與可行性。

圖10無缺陷超聲波圖

Fig.10Ultrasonic diagram without defects

圖11超聲波-維線性圖對比圖

Fig.11 Comparison diagram of one-dimensional linear ultrasonic diagram

5結論

閥門作為關鍵組件，在工業生產和日常生活的眾多領域中發揮著至關重要的作用，其不僅用于控制流體的流動，而且在保障系統安全和效率方面起著核心作用。然而閥門在制造過程中可能因焊接缺陷而存在潛在風險，這些缺陷若未被及時發現和修復，可能會引發嚴重的安全事故。因此，對閥門材料內部結構的缺陷進行精確檢測顯得尤為關鍵。本研究深人探討激光超聲檢測技術在閥門焊接缺陷檢測中的應用，基于COMSOL軟件開展有限元仿真。通過研究激光激發下不同模態超聲波的傳播特性，可精確計算潛在缺陷的位置。激光超聲檢測技術憑借非接觸、高分辨率及對材料內部結構敏感的特點，在閥門焊接領域展現出巨大應用潛力。它不僅能提高檢測效率，還可在不破壞閥門結構的前提下，提供其內部狀態的詳細信息，使其成為工業界閥門制造與維護過程中不可或缺的工具。盡管激光超聲檢測技術已取得顯著進展，但仍存在進一步研究與創新的空間。未來工作將集中在提升檢測技術精準度、擴展其適用范圍及開發更高效的數據處理算法上。

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（編輯：畢莉明）