焊縫檢測實驗與結(jié)果分析

林浩然，楊孟杰＊，梁士謙，侯毅恒

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

0 引言

作為制造強(qiáng)國的中國，其無論在日常民用、國防建設(shè)，還是在基層建設(shè)等方面，都在廣泛地使用焊接加工工藝。焊接過程中難以避免的產(chǎn)生的焊縫及其熱影響區(qū)都是最容易產(chǎn)生裂紋的部位，也因此，與每個人的日常生活息息相關(guān)[1]。

我國對焊縫的檢測研究很早便開始了，先后經(jīng)歷了無損探傷（Non-destructive Inspecting，NDI）、無損檢測（Non-destructive Testing，NDT）和無損評價（Nondestructive Evaluation，NDE）三個階段[2]?，F(xiàn)如今，無損檢測技術(shù)已經(jīng)可以通過得到的信息對試件做出定量的評價。

在對焊縫使用無損檢測方面，Legender[4]提出并實現(xiàn)了用Lamb 波對焊縫裂紋進(jìn)行自動分類檢測。Y.Cho[3]利用數(shù)值分析法，對在焊縫及其周邊的Lamb 波模態(tài)轉(zhuǎn)換問題進(jìn)行了研究和分析。Sylvie 隨后，孫斐然等[5]在近些年基于洛倫茲力機(jī)理的電磁超聲換能器的數(shù)學(xué)建模的研究成果，得出了完整的耦合方程和建模過程，分析了偏置磁場、激勵線圈等參數(shù)對換能效率的影響。接著，N.JULURI 等[6]基于特征導(dǎo)波理論，利用有限元思想建立焊縫模型，通過激勵不同模態(tài)的Lamb 波，并成功證明出焊縫導(dǎo)波的存在。隨后，Terrien N[7].建立出三維有限元仿真模型，探討分析裂紋對焊縫導(dǎo)波的影響過程，對回波能量衰減與頻散現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

將基于電磁超聲技術(shù)，對焊縫進(jìn)行無損檢測仿真與實驗，通過仿真軟件完成能夠激發(fā)單一模態(tài)的焊縫檢測EMAT 模型的設(shè)計。通過得到電磁場和聲場的主要特征，在聲場中選取Lamb 波的A0 模態(tài)作為主導(dǎo)模式，分析裂紋對導(dǎo)波的響應(yīng)特性，完成對焊縫細(xì)微裂紋的檢測和判斷，為基于電磁超聲的焊縫檢測進(jìn)入工業(yè)普及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 Lamb 波的有限元模型

模型選用圓柱形磁體環(huán)境作為非均勻靜態(tài)偏置磁場，選用A0 模態(tài)為主模式，磁體提離與線圈提離距離為0.25 mm；選用試件為500 mm × 500 mm × 3 mm的鋁板；選用激勵電流為漢寧窗調(diào)諧的五幅波[8]，激勵頻率為250 kHz，如圖1 所示。

圖1 基于洛倫茲力的EMAT 模型

搭建空氣域幾何模型時應(yīng)考慮：（1）保證磁場作用范圍以及超聲波在鋁材中的傳播過程不受空氣域的影響；（2）確保偏置磁場的靜態(tài)磁場分布，保證偏置磁場作用范圍的收斂性，故空氣域尺寸設(shè)定為1000 mm × 50 mm。

換能線圈為標(biāo)準(zhǔn)PCB 制下四層螺旋線圈，橫截截面為2 mm × 0.035 mm，相對位置滿足式（1）。線圈匝數(shù)比依據(jù)四線圈調(diào)諧原則，通過設(shè)計變量法求得匝數(shù)比滿足n1:n2:n3:n4= 3 : 6 : 9 : 10。

網(wǎng)格剖分直接決定了仿真模型的計算精度和工作量[9]，因此，本研究電磁耦合區(qū)域采用自由三角形網(wǎng)格剖分，在250 kHz 的激勵頻率下，趨膚層深度約為1 mm，因此限定鋁板中的最大剖分網(wǎng)格為0.5 mm，偏置磁場與試件之間的剖分網(wǎng)格最大為0.8 mm。其余部分采用自由三角形過渡網(wǎng)格剖分即可，總體最大單元增長率設(shè)定為1.3，最小單元網(wǎng)格為0.1 mm。

具體的二維模型參數(shù)見表1。

表1 EMAT 模型參數(shù)

2 焊縫裂紋位置、尺寸的仿真分析

在Lamb 波與裂紋相互作用的聲場分布中，發(fā)生最明顯的就是電磁超聲波的反射與衍射現(xiàn)象。其中，無論反射現(xiàn)象產(chǎn)生的回波，還是衍射現(xiàn)象產(chǎn)生的透射波，都包含了裂紋的全部信息。由于焊縫中的裂紋多為微小裂紋，因此將回波作為主要分析對象。

2.1 裂紋長度對回波的影響

相比于傳統(tǒng)體波，Lamb 波具有自身獨特的頻散性，其與裂紋相互作用的機(jī)理并不同于傳統(tǒng)的體波[10]。所以，裂紋長度與回波的相位、幅值等特征信息間一定不具有明顯的關(guān)系。因此，本實驗必須采用控制變量法，將除裂紋長度以外的其他參數(shù)設(shè)定為固定值，裂紋長度作為自變量，研究不同值的裂紋長度對回波的影響。仿真實驗具體參數(shù)見表2。

表2 裂紋長度-裂紋參數(shù)

將裂紋長度D= range（60，10，170）進(jìn)行仿真，對EMAT 接收端的回波進(jìn)行捕捉，得到裂紋長度D與回波的幅值關(guān)系如圖2 所示。

圖2 裂紋長度與回波的幅值關(guān)系圖

從圖2 可知，總體上回波的幅值隨著裂紋長度D的增大而增大。當(dāng)裂紋長度D< 140 mm 時，回波的幅值增長速率相對恒定；當(dāng)裂紋長度D＞140 mm 時，易知回波的幅值增長速率隨著D的增大而增大。這是因為裂紋長度D越小，聲場中Lamb 波對裂紋的衍射現(xiàn)象越明顯，客觀體現(xiàn)在裂紋周圍傳播介質(zhì)頻厚積的變化；當(dāng)裂紋長度D越大，頻厚積變化速率越大，發(fā)生Lamb 越過裂紋的衍射現(xiàn)象越困難，故回波的幅值增長速率也越大。所以當(dāng)W< 140 mm 時，回波的幅值變化可以用于裂紋成像處理，當(dāng)W＞140 mm 時，兩者的線性關(guān)系變差，不再適合裂紋成像，但仍可以用于判斷是否存在裂紋。

2.2 裂紋位置對回波的影響

由于焊縫特征導(dǎo)波的能陷效應(yīng)，特征導(dǎo)波只沿著焊縫傳播[11]。當(dāng)與裂紋作用時，既不會發(fā)生能量泄露到母材，也不會發(fā)生模態(tài)變化，因此，當(dāng)特征導(dǎo)波的在裂紋中傳播時，相速度不變。因此，可以通過時域里回波的到達(dá)時間來判斷裂紋距離。實驗其他參數(shù)如下：

表3 裂紋位置-裂紋參數(shù)

為了保證波形清晰，保證激勵波無法與反射波疊加在一起，裂紋與EMAT 的激勵、接收探頭的距離必須滿足X= range（100，10，200）。此時得到裂紋位置X與回波到達(dá)EMAT 的時間關(guān)系如圖3 所示。

圖3 裂紋位置與回波到達(dá)時間關(guān)系圖

從圖3 上可以很直觀地看出：在一定范圍內(nèi)，裂紋位置X與回波的到達(dá)時間成正比。將框中的各點到達(dá)時間轉(zhuǎn)換為裂紋位置，可知：該范圍的區(qū)間為五幅波總長。由此得出結(jié)論：在激勵起始波的總長內(nèi)，裂紋位置X隨著回波的到達(dá)時間的增大而增大，且每段總長間成等差關(guān)系，差值為Lamb 波波長λ。所以，可以通過回波的到達(dá)時間來定量判斷裂紋位置。

3 焊縫檢測實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述仿真分析，選用一發(fā)一收的方式進(jìn)行實驗研究。實驗鋁板為800 mm × 300 mm × 3 mm；裂紋尺寸為0.2 mm，位置為200 mm；激發(fā)頻率為250 kHz；選擇A0 為主模式，其相速度為2416 m/s，換能器結(jié)構(gòu)為螺旋線圈+圓柱型磁鐵；線圈選用雙層雙分裂結(jié)構(gòu)線圈[12]，實驗連接如圖4 所示。

圖4 焊縫檢測實驗整體圖

通過實驗平臺捕捉到的回波信息，對裂紋進(jìn)行估算，其結(jié)果見表4。

表4 裂紋定量分析結(jié)果

裂紋定量分析結(jié)果表明，在一發(fā)一收模式下，通過回波幅值變化規(guī)則及接收波之間的時間差，能夠很好地對裂紋進(jìn)行定量評估。由于測量結(jié)果的讀取誤差及材料的實際參數(shù)與仿真參數(shù)的差別，使裂紋定量分析存在一定的誤差。

4 結(jié)語

對板中Lamb 波電磁超聲換能器進(jìn)行有限元分析，研究了Lamb 波在鋁板焊縫中的傳播特性，完成了焊縫檢測EMAT 的設(shè)計并搭建出實驗平臺。通過仿真分析了不同裂紋處Lamb 波的響應(yīng)特性，并對裂紋與回波的相位、幅值等特征信息間的關(guān)系展開仿真分析，得出了回波幅值、到達(dá)時間隨裂紋長度、位置的變化曲線，并對其進(jìn)行了擬合。最后對0.2 mm 的縱向裂紋進(jìn)行了實驗研究，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到實驗結(jié)果，結(jié)合擬合曲線反演出裂紋信息，表明該裝置能夠識別裂紋特征，可以對裂紋缺陷進(jìn)行定位和模糊程度的定量判斷，驗證了仿真實驗的正確性，為基于電磁超聲的焊縫檢測實驗研究以及裂紋缺陷的定量檢測奠定了實踐基礎(chǔ)。