奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测

基于ＡＮＳＹＳ有限元软件模拟了焊缝裂纹在超声激励作用下的升温现象，定性分析了超声激励幅值、频率、方向和焊缝余高４个参数对裂纹升温的影响。此外，通过对比有限元模拟下的超声红外热像法的检测结果与渗透检测结果，验证了超声红外检测焊缝裂纹的可行性，并通过试验验证了有限元分析的准确性。研究表明，超声红外热像法在奥氏体不锈钢焊缝裂纹无损检测方面具有潜在的应用价值。

由于焊接材料和接头形式繁多，焊接件容易在焊接处存在几何形状不连续、残余应力等，故而易产生焊缝裂纹。裂纹缺陷的危害性非常大，在大型压力容器中，细小的裂纹就可能引起巨大的灾难，在英国统计的１９６２～１９７８年间发生的２２９起容器安全事故中，有２１６起是由裂纹引起的。ＧＢ５８４２－２００６《液化石油气钢瓶》规定，焊缝不允许有裂纹、未熔合、弧坑及超标的气孔和夹杂等缺陷。因此，采用快速、高效的无损检测技术来检测焊缝中是否存在裂纹具有重要的意义。目前，对焊缝裂纹的检测主要有磁粉检测、涡流检测、渗透检测和超声波检测等方法。磁粉检测最大的局限是只能检测铁磁性材料，且检测后要退磁和清洗。常规绝对式涡流探头用于检测导体裂纹时，其信号大小与裂纹深度密切相关，可用来估算裂纹深度；但当探头不垂直于被检工件或左右摇摆不定时，就会产生干扰信号，检测的稳定性及准确性大大降低。渗透检测的主要不足之处是表面粗糙度会影响缺陷的检出率，以及难以定量控制检验操作的程序。超声波检测的适应性强、对人体无害、适合于户内外环境作业；但因为超声波在材料中传播时受金属组织体积（特别是晶粒大小）的影响很大，不适用于检测存在各向异性、组织粗大的奥氏体不锈钢焊接件。

超声红外热像法是将超声波激励和红外热成像技术结合的新型无损检测技术。其是利用低频超声脉冲波作用在结构上，从而引起结构的振动，如果结构中存在裂纹缺陷，当超声波传播到裂纹处时，裂纹接触面之间的相互摩擦等因素会引起裂纹区域的温度升高。红外热像仪可实时监测结构件表面的温度变化，最后通过对红外热波序列图像的分析处理来判断结构件有无裂纹缺陷以及获取裂纹位置等具体信息。

鉴于此，笔者通过ＡＮＳＹＳ有限元软件模拟了焊缝裂纹在超声激励作用下的生热过程，定性分析了不同超声激励参数和焊缝余高对裂纹生热升温的影响规律，并通过试验验证了超声红外热像法检测奥氏体不锈钢焊缝裂纹的可行性和有限元分析的准确性。

１超声激励下裂纹缺陷生热原理

在超声激励作用下，被测物体会高频振动，在裂纹处的两个裂纹面之间的振动不一致会导致两个裂纹面间发生相互挤压、滑移。含有裂纹的弹性体在振动作用下的三维瞬态动力学有限元方程为ＭＵ¨＋ＣＵ·＋ＫＵ＝Ｐ＋Ｒ（１）式中：Ｕ¨，Ｕ·，Ｕ分别为加速度矩阵，速度矩阵和节点位移矩阵；Ｍ，Ｃ，Ｋ，Ｐ和Ｒ分别为质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵，外载荷矩阵和裂纹面接触力矩阵。在超声波传播过程中，裂纹面产生热的原因有摩擦、热弹效应和滞后效应等，但是热弹效应和滞后效应所产生的热很少，可以忽略不计。因此，只考虑裂纹间摩擦产生的热量，摩擦产生的热流密度为ｑ＝λτυ（２）式中：λ为摩擦机械能转化为热能的比例系数；τ为切向应力；υ为相对滑动速度［９］。将摩擦产生的热流密度作为热源，热源在裂纹区域的瞬态热传导方程为Ｃ·＋Ｌ＝Ｈ（３）式中：·为节点温度矩阵，·＝ｄ／ｄｔ；Ｃ为比热矩阵；Ｌ为热传导矩阵；Ｈ为界面生热产生的热载荷矩阵。

２数值仿真模拟

通过ＡＮＳＹＳ有限元软件模拟奥氏体不锈钢焊缝裂纹在超声波激励作用下的摩擦生热过程。

１单元类型与几何模型

采用了结构－热直接耦合的方法，选择三维耦合场单元ｓｏｌｉｄ５，ｓｏｌｉｄ５是八节点六面体单元，具有结构场、温度场、电场和磁场的分析能力。研究对象材料是奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的材料参数如表１所示。

由于焊缝的实际形状复杂、无规则，在有限元中无法准确表示出来，因此将焊缝裂纹简化为Ｖ字型贯穿缺口来模拟。为了节省计算资源和减少计算时间，将裂纹的位置简化到焊缝的边缘，裂纹长度为１０ｍｍ，裂纹的最大间隙为６μｍ。试件的尺寸（长×宽×高）为３００ｍｍ×２４０ｍｍ×３ｍｍ。试件的几何模型如图１所示。

２．２有限元模型的建立

模型的网格划分方式采用的是扫掠划分，先用辅助单元ｍｅｓｈ２００对上表面进行面的网格划分，然后对体进行扫掠划分。为了准确地模拟超声脉冲波在奥氏体不锈钢板上的传播过程，要求在一个超声波长内至少划分２０网格单元。裂纹区域是应力集中区域，应当在裂纹区域对网格进行适当地细化。

在ＡＮＳＹＳ软件中利用Ｎｅｗｍａｒｋ算法求解弹性波的传播过程时，时间积分步长的选择至关重要，时间步长过小会增加模型的计算时间和占用内存，时间步长过大则会影响模拟的精度，时间步长一般如式（４）所示。Δｔ≤１２０ｆｍａｘ（４）式中：ｆｍａｘ为模拟时的最高超声激励频率。需要对两个裂纹面进行接触设置才能够模拟两个裂纹面之间的挤压、滑移和摩擦生热。文中采用的是柔体－柔体的面面接触方式，采用自动生成法在两个接触面创建接触对，生成接触单元。接触算法采用的是增广拉格朗日法，摩擦系数设置为０．３。

将超声波激励简化为高频的正弦位移函数来模拟，将位移函数直接施加在有限元模型的节点上，位移函数表达式为Ｓ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）（５）式中：Ａ为激励幅值；ｆ为激励频率；ｔ为激励时间。通常由于裂纹产生的热少，温度变化很小，并且整个激励过程时间短，所以不考虑模型与空气的热对流和自身热辐射。将模型的初始温度设置为３０１Ｋ，对模型４个角进行固定。建立的有限元模型如图２所示。

２．３仿真结果

当激励幅值Ａ为４０μｍ，激励频率ｆ为２０ｋＨｚ，激励时间ｔ为０．０１ｓ时，得到的裂纹区域表面温度云图如图３所示。从图３中可以看出，裂纹生热主要集中在中下部，裂纹缝隙处的温度最高，往裂缝两边温度逐渐变低。

３激励参数和试件对裂纹生热的影响

１激励幅值对裂纹生热的影响

其他参数固定不变，激励幅值Ａ分别取２０，２４，２８，３２，３６，４０μｍ进行有限元计算，得到的温度随时

间变化的曲线如图４所示。从图４中可以看出，在相同的激励时间下，激励幅值越大，裂纹区域温度越高。一开始激励幅值的增加对温度变化的影响比较大，随着激励时间的增加，激励幅值对裂纹区域温度的影响逐渐变小。

３．２激励频率对裂纹生热的影响

其他参数固定不变，激励频率ｆ分别取２０，２１，２２，２３，２４，２５ｋＨｚ进行有限元计算，所得到的温度随时间变化的曲线如图５所示。

从图５可以看出，相同激励时间下，裂纹区域的温度并不总是随着激励频率的增加而上升的，在２４ｋＨｚ的裂纹区域温度发生了突变。对该模型进行模态分析，得到了各个激励频率与固有频率对照表（见表２）。从表２可以看出，在２４ｋＨｚ处的固有频率和激励频率最接近。由此可见，当激励频率接近固有频率时，容易引起试件的共振，从而使裂纹区域温度上升速率变快。

３．３激励方向对裂纹生热的影响

激励方向示意如图６所示，图中１激励位置表示激励方向和裂纹的长度方向一致，２激励位置表示激励方向和裂纹的深度方向一致。其他参数固定不变，分别对激励位置１和激励位置２进行有限元计算，模拟得到的两种激励方向的裂纹区域温度随时间的变化曲线如图７所示。

从图７可以看出，激励方向为裂纹的深度方向时，裂纹的生热速率远大于激励方向为裂纹长度方向的生热速率。这是由于当激励方向为裂纹的深度方向时，裂纹面之间的运动程度比较激烈，摩擦速度比较快。

３．４焊缝余高对裂纹生热的影响

其他参数固定不变，取焊缝的余高ｈ为１．０，１．１，１．２，１．３ｍｍ进行有限元计算，得到不同焊缝余高对应的时间－温度曲线。从图８可以看出，随着焊缝余高的增加，裂纹区域的温度上升速率随之变大。

４试验结果与讨论

１试验试件

试件采用的是将两块尺寸（长×宽×高）为３００ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍ的奥氏体不锈钢板焊接成一块尺寸（长×宽×高）为３００ｍｍ×２４０ｍｍ×３ｍｍ的奥氏体不锈钢板。在焊接的过程中，利用焊接工艺在焊缝表面上产生热裂纹。对试件进行渗透检测，试件外观和其渗透检测结果如图９所示，焊缝

上有４条热裂纹，从左往右分别为１号裂纹、２号裂纹、３号裂纹和４号裂纹。

４．２试验装置

超声红外热像法无损检测试验系统外观如图１０所示，系统由计算机、红外热像仪、超声驱动电源、超声激励装置和夹具等组成。其中，红外热像仪为德国Ｏｐｔｒｉｓ公司的ＰＩ－１６０热像仪，其光谱范围为７．５μｍ～１３μｍ，光学分辨率为１６０像素×１２０像素，温度分辨率为０．０８℃。超声驱动电源的最大功率为２０００Ｗ，超声激励的频率为固定值２０ｋＨｚ，超声激励幅值可以调节，超声主机和试件之间采用医用胶带作为耦合剂。

４．３试验结果与分析

超声激励频率为２０ｋＨｚ，激励幅值为３６μｍ，激励时间为４ｓ，试件超声红外热像检测结果如图１１所示。图１１中４个边角的４个亮斑是由试件的４个边角与锁紧螺丝之间的摩擦产生的，图１１中中间正上方的亮斑是由超声主机与试件之间的碰撞摩擦产生的。从图１１可以看出，焊缝上的４个亮斑与图９中渗透检测得到的４个裂纹的位置高度吻合，由此可见，利用超声红外热像法检测奥氏体不锈钢焊缝裂纹是可行的。

对比图３和图１１可得，检测图像的信噪比相对较差。这是因为模拟时裂纹的最大宽度为６μｍ，而试件的实际裂纹宽度更宽，裂纹的宽度越大越不利于裂纹面之间的摩擦生热，因此检测图像的信噪比相对较差。

以４号裂纹为研究对象，对试件施加不同的激励幅值进行超声红外热像检测，４号裂纹的时间－温度曲线如图１２所示。

对比图４和图１２可以看出，试验的升温速率比模拟的慢，这主要是由于模拟没有考虑超声波在耦合到试件过程中的能量损耗，以及模拟时将试件焊缝中间的裂纹简化到边缘位置等原因。但是可以看出模拟的结果和试验的结果趋势是一样的，这说明了利用有限元软件ＡＮＳＹＳ模拟分析奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测具有一定的准确性。

５结语

利用ＡＮＳＹＳ软件模拟分析了超声红外热像法检测奥氏体不锈钢焊缝裂纹的过程，定性分析了超声激励频率、超声激励幅值、超声激励方向和焊缝余高对裂纹区域升温的影响，并将试件的超声红外检测结果和渗透检测结果对比来验证超声红外检测的可行性，同时对模拟进行验证。模拟与试验结果表明：超声红外检测结果和渗透检测结果高度吻合，利用超声红外热像法检测奥氏体不锈钢焊缝裂纹是可行的，裂纹的宽度越宽越不利于裂纹面之间的摩擦生热；随着超声激励幅值的增加，裂纹区域温度的上升速率更快；裂纹区域温度的上升速率并不随着激励频率的增加而上升，当超声激励频率在共振频率附近的时候温度上升得更快；超声激励方向与裂纹深度方向一致时的裂纹区域温度上升速率比超声激励方向与裂纹长度一致时上升得更快；随着焊缝余高的增加，裂纹区域温度的上升速率更快。