基于焊缝特征导波的焊缝缺陷损伤数值模拟研究

应用于各种工程结构中。在桥梁建设领域，由于其轻质高强，施工便捷的特点，钢桥面板铺装的钢桥应用越来越广泛。大跨桥梁结构复杂，钢桥面板连接较多，使得焊缝数量众多，焊缝质量难以保证，特别是在反复冲击荷载作用下，焊缝极易产生疲劳裂缝、锈蚀、断裂等缺陷。除此之外，焊缝内部结构也存在如气孔，夹渣、内部裂缝等缺陷。因此，寻求一种高效可行的无损检测方法对于焊缝结构的安全性具有重要意义。

现有技术中能够用于焊缝质量检测的无损检测方法包括目测、声发射、涡流和超声波检测，目视法局限于焊缝表面的缺陷，其他方法只能局部检测特定的区域，而且这些方法费时费力，检测费用高，往往适用于大型结构的检测。超声导波是近年来广泛发展应用的一种无损检测方法，具有传播距离远，一次扫描即可检测整个厚度范围内的所有缺陷。近年来的研究发现，在焊缝结构中存在一种“特征导波”，它可以将能量集中在焊缝中，并沿其长距离传播[1]。

超声导波已被证明在复合材料和金属结构中的腐蚀、开裂、分层和脱粘等缺陷方面检测是有效的[1]。采用数值模拟的方法开展超声导波在焊缝中的传播特性以及进行人工缺陷损伤模拟对于焊缝结构的无损检测具有实际意义。

2 板状结构中的超声导波

2.1 超声导波理论

超声导波在板状结构中的传播又称之为Lamb波，是弹性波在板上下边界处进行多次折射、反射以及波形转换所形成的。板状结构中的Lamb波理论数值解在经典力学中已经给出了求解方程。Lamb波的频散方程由下式表示：

2.2 焊缝特征导波

规则截面波导结构如杆类、板类、圆管的导波已开展了较多的研究，并且得到了其理论解析解。然而类似于焊缝这种结构，焊缝跟钢板在性质上具有差异性，两者的接触面形成了边界条件，导波的传播受到边界条件的限制。2006年英国物理学家Sargent在实验过程中发现了焊缝中的超声导波[1]，在模态上沿着焊缝传播，能量主要集中于焊缝及其周围。这是因为在边界处，声波发生折射、反射，能量约束在焊缝中，只能沿着纵向传播。国内学者关于焊缝特征导波基于半解析与数值模拟分析进行了广泛的研究[3-5]。

对于对接焊缝结构，焊接材料一般与钢板材料在力学性能上具有相似性，因此可以忽略由参数差异引起导波的变化。对于焊缝结构，其厚度方向留有余高，因此厚度大于板材，焊缝结构成为导波的全反射层，能量被“限制”在焊缝中。这种在焊缝中激发和传播的导波称之为焊缝特征导波。

3 有限元模拟与缺陷损失识别

3.1 模型的建立与焊缝导波的激励

导波的传播是一个瞬态动力学问题，因此采用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟分析。如图2所示建立焊缝几何模型，模型宽377.6mm，其中鋼板宽180mm，焊缝宽17.6mm，高10mm，焊缝两侧余高1.73mm，整个焊缝结构纵向设置为1m。对几何模型进行网格划分，钢板单元尺寸划分为1mm，为了提高计算的精确性，焊缝结构几何尺寸需要加密，单元尺寸设置为0.33mm。由于此处进行的是瞬态动力学分析，因此边界条件无需设置。导波激励信号采用经汉宁窗调制的五周期正弦信号，中心频率为200kHz，设置方式与位置如图3所示。模拟过程设置2个分析步，第一个分析步模拟激励信号的施加，该过程时间设置为25us，第二个分析步模拟导波在焊缝中的传播，传播时间设置为600us，如图4所示为某一时刻的导波应力云图。

从图4应力云图可以看出导波能量主要集中于焊缝中，并且沿着焊缝向前传播，形成焊缝导波。

3.2 焊缝缺陷的模拟

实际工程应用中，由于施工质量以及其他因素，焊缝不可避免存在各种缺陷。为了分析在缺陷下焊缝特征导波的传播特性，从而反演出焊缝缺陷的检测方法，本文建立不同程度的焊缝缺陷进行数值模拟分析。如图所示为带缺陷的焊缝几何模型，缺陷位于焊缝中间位置，设置一系列的缺陷深度模拟不同工况，分析焊缝特征导波的传播特性。焊缝缺陷深度分别设置为0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm提取焊缝表面一系列节点的纵向加速度时程信号进行分析。

3.3 结果分析

为了分析焊缝不同缺陷程度的传播特性，提取离激发端0.1m处焊缝表面节点纵向加速度时程信号，如图5所示。从导波信号的时程信号可以看出，当焊缝无缺陷时，可以看到明显的端面回波信号，随着焊缝结构缺陷深度的增加，在缺陷处发生了较为明显的缺陷回波，同时端面回波幅值变小，且出现微弱的二次回波。

提取焊缝不同缺陷深度的缺陷回波幅值与端面回波幅值得到下图所示结果。由图6可以看出缺陷回波幅值随缺陷深度的增加而增加，二者表现出较强的线性变化规律。而端面回波幅值随缺陷深度的增加变化不是很明显，但整体上呈现出下降的趋势。

4 结论

本文基于有限元的方法，对焊缝特征导波进行了数值模拟，模拟结果显示焊缝结构能够约束声波，使之沿焊缝方向传播，形成焊缝特征导波。对焊缝不同缺陷深度进行模拟，提取节点纵向加速度时程信号（导波信号），由此得出，当焊缝无缺陷时，可以看到明显的端面回波信号，随着焊缝结构缺陷深度的增加，在缺陷处发生了较为明显的缺陷回波，同时端面回波幅值变小，且出现微弱的二次回波。缺陷回波幅值随缺陷深度的增加而增加，二者表现出较强的线性变化规律。而端面回波幅值随缺陷深度的增加变化不是很明显，但整体上呈现出下降的趋势。

参考文献：

[1]Xudong Yu，Peng Zuo，Jing Xiao，Zheng Fan Detection of damage in welded joints using high order feature guided ultrasonic waves[J].Mechanical Systems and Signal Processing，126（2019） 176-192.

[2]Sargent，P J.Corrosion detection in welds and heat-affected zones using ultrasonic Lamb waves[J].Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2006，48（03）：160-167.

[3]俞慧芳.焊缝特征导波传播特性的数值模拟和实验研究[D].江苏大学，2016.

[4]刘欢.对接焊缝中特征导波传播特性及与典型缺陷作用机理研究[D].江苏大学，2017.

[5]洪红.基于特征导波的焊缝缺陷检测传感器机理研究与设计[D].江苏大学，2018.

作者简介：林治源（1994-），男，福建三明人，本科，助理工程师，主要研究方向：桥梁健康监测与结构无损检测。

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