基于声表面波的V型裂纹快速检测数值研究 下载: 705次
1 引 言
金属零件在服役过程中会受到高温、高压、高负荷、腐蚀、辐射等恶劣环境的影响,导致其表面易产生裂纹缺陷。如果不能及时有效地识别这些裂纹缺陷并采取必要的措施,缺陷就会进一步发展,最终导致零件失效,因此需要及时检测裂纹并对其进行定量评价。在金属零件裂纹的无损检测过程中,除了准确判断裂纹有无外,检测人员更希望知道裂纹的位置、形状、尺寸等参数信息。
激光超声技术[1-2]具有非接触、灵敏度高、宽频带等优点,该技术经过近几十年的发展,已成为金属零件中裂纹缺陷检测的主要手段。近年来,很多学者通过仿真和实验研究了材料表面的裂纹缺陷:关建飞等[3-5]采用有限元模拟软件证明了超声反射回波和超声透射表面波信号与缺陷深度之间的线性关系;孙宏祥等[6]根据表面波信号的传播路径和渡越时间,采用有限元仿真技术检测了材料表面凹痕的深度;张进朋等[7]利用缺陷对激光超声的衍射作用实现了内部缺陷的定位及定量检测;杨连杰等[8]采用激光超声可视化技术研究了脉冲激光激励的表面波在不同深度缺陷上的反射和透射;尤博文等[9]基于激光超声方法在加热和冷却条件下实现了对裂纹的实时监测;张政等[10]采用有限元方法模拟了热弹机制下声表面波在圆弧处的反射及透射;隋皓等[11]通过有限元模拟和实验研究了点源、线源激光激发的超声波对钢轨表面缺陷检测的影响;Dutton等[12]在材料表面引入V型斜裂纹,验证了裂纹的角度及深度与表面波反射系数、透射系数之间的关系。以上研究均是针对一定深度范围的裂纹进行研究,但在实际生产过程中,不同深度范围的裂纹缺陷的检测方式不同,鉴于此,本文提出一种快速检测金属中V型裂纹深度范围的方法。
本文针对于金属材料中的V型裂纹,采用有限元仿真的方法模拟了热弹机制下激光辐照在金属材料表面,在V型裂纹处发生反射、透射和衍射的过程。本文首先确定V型裂纹的开口宽度,模拟小深度下V型裂纹与声表面波的作用过程,研究声表面波与小深度裂纹的作用过程;之后逐渐增大裂纹深度,研究不同深度下声表面波与V型裂纹的作用过程,并对该作用过程进行总结分析;最后采用仿真模拟计算出三种不同特质V裂纹深度的界限和检测方法,并对仿真结果进行了验证。
2 激光超声的有限元理论
激光在金属表面激发超声场的工作机制较为复杂,根据激光功率密度强度和材料特性,激光激发超声波主要有两种机制:热蚀机制和热弹机制。为了满足对金属零件进行无损检测的要求,本文采用激光热弹机制进行仿真。在热弹机制下,激光源的功率密度较小,能量会被材料表面吸收转化成热能,热能逐渐积累产生温度梯度场,进而使材料发生膨胀并产生各种内部应力,最后形成超声波。在这个过程中,主要存在温度场和超声场的耦合作用,故本文采用有限元方法进行研究,以便于求解。对于各向同性材料,热弹机制下的Navier-Stokes方程[13]为
式中:
式中:
其中,
式中:
3 有限元模型的建立
在仿真过程中,取激光脉冲上升时间为10 ns,光斑半径为300 μm,单脉冲能量为10 mJ,激光输出功率为3 MW/cm2,初始温度设定为293.15 K,且不考虑材料表面对激光的反射,认为激光能量全部被材料吸收,即
当激光脉冲上升时间为10 ns时,对其进行快速傅里叶变换,得到如
表 1. 有限元模型中铝的各项力学参数以及声波在铝内部的传输速度
Table 1. Various mechanical parameters of aluminum and internal acoustic wave transmission speed in the finite element model
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图 1. 上升时间为 10 ns时入射表面波的频谱
Fig. 1. Spectrum of incident surface waves at a rise time of 10 ns
脉冲激光束光源在无限空间中分布均匀且材料各向同性,故在y轴方向上的材料应变和位移均为0。鉴于此,本文将三维瞬态弹性问题转换为二维平面应变问题进行研究[16],建立如
本文建模选取的材料为金属铝,其各项力学参数和声波在其中传播的速度(vS、vL、vR分别为横波速度、纵波速度和声表面波速度)如
4 仿真结果分析
4.1 微小深度裂纹缺陷
图 3. 裂纹深度为0 μm、200 μm和400 μm时的位移波形图。(a)(b)左接收点处的位移波形图及其放大图;(c)右接收点处的位移波形图
Fig. 3. Displacement waveform diagrams when crack depth is 0 μm, 200 μm, and 400 μm. (a)(b) Displacement waveform diagrams of left receiving point; (c) displacement waveform diagram of right receiving point
为了继续研究裂纹深度与RR信号峰值的关系,将裂纹深度H从0 μm增加至500 μm,然后提取RR信号中的峰值,并将其绘制成如
图 4. 不同裂纹深度下RR信号峰值的变化趋势图
Fig. 4. Trend graph of RR signal peaks at different crack depths
4.2 中深度裂纹缺陷
继续增大开口裂纹的深度,当裂纹深度H为500 μm时,接收点reL处的信号如
图 5. 裂纹深度为500 μm时左接收点处的位移波形图
Fig. 5. Displacement waveform diagram of left receiving point when the crack depth is 500 μm
为了进一步研究RS的出现机制,设置裂纹深度分别为1000 μm、2000 μm、3000 μm、4000 μm和5000 μm,截取反射回波RR和RS出现的时间段(如
图 6. 裂纹深度为1000~5000 μm时左接收点的位移波形图
Fig. 6. Displacement waveform diagram of left receiving point when the crack depth is 1000‒5000 μm
由
为研究RS波的实质,定义
基于上述分析可以得出声表面波信号与开口型裂纹的作用机理,如
根据超声波与裂纹的作用机理,可以通过RR和RS的到达时间计算裂纹的位置及深度信息。根据RR的传输路径可得
式中:tRR为RR的到达时间。根据RS的传输路径及转换情况可得
其中,
式中:tRS为RS的到达时间;S为RS的渡越路程。根据(6)式可得到左接收点reL与开口裂纹的距离d0,其表达式为
将(8)式和(9)式代入(7)式可得到裂纹深度H。当裂纹深度为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm时,tRR为3.47 μs,
4.3 大深度裂纹缺陷
增大裂纹深度H至6000 μm,接收点reL处的信号图如
图 8. 裂纹深度为6000 μm时左接收点的位移波形图
Fig. 8. Displacement waveform diagram of left receiving point when the crack depth is 6000 μm
超声信号与大深度裂纹的作用机理如
通过分析声表面波与裂纹作用机理可知左端信号成分比较复杂,且衍射信号的能量相比直达表面波和反射表面波较小,此时在reR接收点处接收超声信号。设置裂纹深度H分别为6000 μm和7000 μm,信号图如
图 10. 裂纹深度为6000 μm和7000 μm时右接收点的位移波形图
Fig. 10. Displacement waveform diagram of right receiving point when the crack depth is 6000 μm and 7000 μm
设置左右接收点的距离为D,左接收点到裂纹的距离为
根据接收点reR信号图提取TS信号的到达时间,将该时间代入(10)式即可求得裂纹深度。另设置裂纹深度分别为6200 μm、6700 μm、7200 μm和7600 μm,用于验证(10)式。左右接收点距离D为9 mm,信号TS的到达时间
根据不同深度裂纹与超声波的作用机理,本文将金属中V型裂纹深度大致分为三个范围:1)0~500 μm,此深度范围的裂纹为小深度裂纹,此时的裂纹深度与表面波反射信号RR的峰值呈线性关系;2)500~6000 μm,此时由于裂纹左侧出现两个奇异点,上奇异点反射波为表面反射波RR,该区间内不同深度裂纹的RR波峰值大小和到达时间几乎不变,下奇异点处发生模式转换出现转换横波RS,其峰值大小和到达时间携带有裂纹的深度信息;3)6000 μm以上,激光激发的超声信号在裂纹尖端发生衍射,可通过衍射横波TS渡越时间求出裂纹的深度信息。
基于以上分析,本文针对不同深度范围的V型裂纹,提出了一种可快速判断裂纹深度范围,然后根据不同范围求解裂纹深度的方法。首先,根据表面波反射回波信号是否出现转换横波RS,判断裂纹深度是否超过表面波波长:若出现转换横波信号RS,则裂纹属于中深度裂纹,然后对其深度进行检测;若未出现RS,则通过右端接收点的透射信号进行判断。透射峰值远小于表面波峰值且信号类型较为单一的属于大深度裂纹,峰值大小和表面波峰值相差不大且类型较为复杂的属于小深度裂纹。
为检测该方法的正确性,本文进行了实验验证。设置有限元模型的裂纹深度分别为830 μm、140 μm、650 μm、2700 μm、230 μm、3440 μm、450 μm、5100 μm、350 μm、1500 μm、7200 μm、6500 μm、4600 μm和770 μm,然后进行仿真实验,得出每个裂纹深度下的声表面波信号位移图。首先,根据所提检测方法检测不同深度裂纹的超声信号位移图是否出现转换横波信号RS,其中深度为830 μm、650 μm、2700 μm、3440 μm、5100 μm、1500 μm、4600 μm和770 μm的裂纹出现了转换横波信号RS,将其列为中深度裂纹;然后根据裂纹的超声信号位移图提取RR和RS的到达时间,将到达时间代入(7)式和(9)式便可得出中深度裂纹的深度信息。对于其他深度的裂纹,根据其透射信号的峰值大小和类型是否单一进行判断,将深度为140 μm、230 μm、450 μm和350 μm的裂纹划分为小深度裂纹,根据反射回波信号RR的峰值大小进行裂纹深度信息的检测;将深度为6500 μm和7200 μm的裂纹划分为大深度裂纹,根据接收点reR的透射信号位移图提取TS到达时间,将到达时间代入(10)式便可得出大深度裂纹的深度信息。该方法可对不同深度的裂纹进行快速定位,然后根据不同的作用过程对裂纹深度进行计算,计算结果如
5 结 论
本文基于有限元分析的方法,模拟了中心波长为430 μm的声表面波与金属材料表面V型缺陷的相互作用过程;然后通过改变材料表面V型裂纹的深度,得到了不同深度的裂纹缺陷与表面波作用的信号时域波形图,并分析了其中的直达纵波、横波、表面波、反射表面波、转换横波和衍射横波等。
仿真结果表明:1)当裂纹深度在声表面波的一个波长范围内时,反射表面波RR的峰值随裂纹深度的增加而增加,二者具有线性关系。2)当裂纹深度超过500 μm时,反射表面波RR之后出现了新的回波信号RS;分析裂纹深度在500~5000 μm的超声信号图发现,反射表面波RR为表面波到达奇异点A点处的反射波,而转换横波RS为表面波沿着裂纹边AB向下传输至B点后发生模式转换形成的,其波速的大小为横波波速,携带有裂纹的深度信息。根据这一点可分析得出裂纹深度为500~5000 μm时声表面波与V型裂纹的作用机理,根据作用机理和几何关系可得出中深度裂纹的深度计算公式,计算值与模型参数(真实值)之间的误差均不超过5%。3)当裂纹深度为6000 μm左右时,RS消失,此时直达横波与裂纹尖端发生了衍射现象,符合惠更斯原理;当采用右端接收时,发现裂纹右侧存在衍射横波,根据峰值的大小和渡越时间可得出其波速为横波波速,由此分析可得出大深度裂纹与超声的作用机理。根据作用机理得出裂纹深度的计算公式,将计算值与真实值进行比较,误差均不超过5%。
根据不同深度裂纹与声表面波的作用过程,本文提出了一种对裂纹深度进行快速判断的方法,然后根据不同深度裂纹与表面波的作用原理对裂纹进行深度检测,提高了V型裂纹的检测效率和准确性。
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