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奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测

来源:至德钢业 日期:2019-10-23 01:22:18 人气:149

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19621978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()式中¨·U分别为加速度矩阵速度矩阵和节点位移矩阵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λτυ)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[]。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·H()式中·为节点温度矩阵·=dC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solid5solid5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μ试件的尺寸××300mm×240mm×3mm。试件的几何模型如图所示

2.2有限元模型建立

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所示Δ120max()式中max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Ssinπft)()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对模型个角进行固定建立的有限元模型如图所示

2.3仿真

当激励幅值40μ激励频率f为20kHz,激励时间0.01s得到的裂纹区域表面温度云图如图所示从图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激数和试件对裂纹生热影响

1激励幅值对裂纹生热影响

其他参数固定不变激励幅值A分别取2024,28323640μm进行有限元计算得到的温度随时

间变化的曲线如图所示从图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影响

其他参数固定不变激励频率分别取2021,22232425kHz进行有限元计算所得到的温度随时间变化的曲线如图所示

从图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)。从表可以看出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影响

激励方向示意如图所示图中激励位置表示激励方向和裂纹的长度方向一致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和激励位置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所示

从图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影响

其他参数固定不变取焊缝的余高为1.0,1.11.21.3mm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试验果与讨论

1试验试件

试件采用的是将两块尺寸(××300mm×120mm×3mm的奥氏体不锈钢板焊接成一块尺寸××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所示焊缝

上有条热裂纹从左往右分别为号裂纹号裂纹号裂纹和号裂纹

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PI160热像仪其光谱范围为7.5μ13μ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试验果与分析

超声激励频率为20kHz激励幅值为36μ,激励时间为4s试件超声红外热像检测结果如图11所示11个边角的个亮斑是由试件的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可以看出焊缝上的个亮斑与图中渗透检测得到的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μ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

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号裂纹的时间温度曲线如图12所示

对比图和图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

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