Ultrasonic Lamb wave detection of defects in thin-walled cross laser welding structure
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摘要: 为了有效识别薄壁十字激光焊结构中未焊透缺陷，开展了超声Lamb波法检测研究. 采用有限元分析方法模拟了A0和S0模态Lamb波在薄壁中与缺陷的作用结果，对缺陷尺寸与回波反射系数的关系进行了预测. 在此基础上，进行仿真结合试验，确定了不同模态Lamb波的入射点、激励角度，探讨了A0和S0模态Lamb波用于识别1.9 mm厚薄板十字激光焊接结构未焊透缺陷的可行性，并获得了超声Lamb波反射系数与缺陷尺寸的关系. 结果表明，仿真研究和试验实测结果的趋势具有较好的一致性. 采用超声Lamb波检测时，A0模态波能够有效检测十字焊接结构中的未焊透缺陷，且可一定程度上表征缺陷的尺寸；而S0模态波对结构中的未焊透缺陷不易于识别.Abstract: The ultrasonic Lamb wave method is used to detect and study the effective identification of incomplete penetration in thin-walled cross laser welding structures. The finite element analysis method is used to simulate the effects of A0 and S0 mode Lamb waves in thin walls and the defect. The relationship between defect size and echo reflection coefficient is predicted. On this basis, through simulation combined with experimental research, the incident point and excitation angle of different modes of Lamb waves are determined. At the same time, the feasibility of using A0 and S0 modal waves to identify incomplete penetration of 1.9 mm thick thin plate cross laser welding structure is discussed. And the relationship between Lamb wave reflection coefficient and defect size is obtained. The results show: The trends of simulation research and experimental results have good consistency. With ultrasonic Lamb wave detection, A0 modal waves can effectively detect incomplete penetration in the cross welded structure and can characterize the size of defects to a certain extent; While S0 modal waves are not easy to identify incomplete penetration in the structure.
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Keywords:
- Lamb waves /
- welding structure /
- ultrasonic NDT /
- defect characterization
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0. 序言
激光焊接的薄板十字结构由于其工艺性易出现未熔合、未焊透等缺陷，严重影响构件的使用性能，因此有效识别十字焊接接头的内部缺陷十分必要. 由于检测盲区的存在，常规超声检测无法实现对薄板的检测，Lamb波因其传播速度快、距离长、成本低，已广泛地用于板状结构、大型管道等的无损检测和评价中[1-2]. 然而Lamb波因存在多模态、频散特性，以及检测机理的复杂性，Lamb波检测技术仍存在很多不一致的观点，如Lamb波与不同缺陷、不同结构的作用机理对缺陷的表征等.
目前针对薄板Lamb检测国内外已经有大量研究. 英国谢菲尔德大学Lee等人[3]模拟了A0和S0模态Lamb波在铝板中的传播和与槽类缺陷的相互作用，土耳其马尔马拉大学Senyurek等人[4]采用Lamb波有效检测出飞机机翼板的切口损伤及冲击损伤. 哈尔滨工业大学的刚铁等人[5]采用有限元方法模拟并验证了A0波、S0波识别薄板槽类缺陷的可行性. 对于焊接结构缺陷的Lamb波检测国内外研究并不多. 贝鲁特美国大学Hamade等人[6]、Fakih等人[7]研究了Lamb波用于搅拌摩擦焊对接接头焊缝内部缺陷的检测与评估，建立了基于回波信号幅值的损伤指数. 国内对焊接结构中的缺陷识别及表征方面研究较多[8-10]，采用Lamb波方法识别焊接结构缺陷的研究较少，哈尔滨工业大学的刘磊等人[11]实现了对复杂薄壁结构钎焊接头的检测.
文中首先采用有限元分析方法仿真了A0和S0模态Lamb波与缺陷的作用结果，并在此基础上，通过试验方法找到不同模态Lamb波的最佳入射点和激励角度，最后探讨了A0和S0模态Lamb波用于识别薄板十字焊接结构未焊透缺陷及缺陷尺寸表征的可行性.
1. 试件制备
实际焊接试件是由两块薄板侧面开槽后相互交叉焊接而成，一般有两道焊缝，均为十字接头角焊缝. 其焊接缺陷主要为未焊透. 焊件如图1所示. 对于无缺陷焊件则采取四束激光分别从两侧上下倾斜45°进行焊接，以保证全焊透. 该焊件材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，焊件总长度为240 mm，十字焊接接头至板端距离为50 mm，板厚为1.9 mm.
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图 1 焊接试件的制备Figure 1. Preparation for welding specimen. (a) schematic diagram of sample geometry and defects ; (b) welding specimen2. 数值仿真分析
采用有限元分析方法构建数值仿真模型，其几何模型尺寸及结构与实际焊接试件一致，模型中的缺陷长度分别为0.4，0.8，1.2 mm，缺陷宽度均为0.01 mm，有限元材料各向同性，材料属性中的密度、弹性模量、泊松比参数依次为7 850 kg/m3，210 GPa，0.3.
通过波结构分析可知，A0和S0模态波在板的上下表面处的面内位移即切向位移为零，离面位移即法向位移达到最大值[12]，因此模拟计算采用不同离面位移方式进行加载，且模型边界设为自由边界. 仿真激励信号采用经汉宁窗函数调制的单频5个周期叠加信号，与试验所用的正弦电压信号相同，且时频特征一致.
考虑到试验时采用单探头自发自收脉冲回波法，有限元分析取距板左端90 mm，即距缺陷处40 mm位置作为入射点，信号接收点为距入射点沿着声波传播方向的5 mm位置处，以避免由于激励信号具有一定时间宽度而造成信号干扰.
与实际焊接试样检测一样，通过有限元方法在相同入射点处分别激励出单一模态的A0和S0波，并模拟了不同波形在无缺陷模型和不同缺陷长度模型中的传播过程，得到了缺陷尺寸与回波反射系数的关系，如图2所示. 由该图可知，A0与未焊透缺陷尺寸呈良好线性关系，能够对缺陷长度0.4 mm以上的未焊透缺陷进行尺寸表征，而S0波回波幅值变化不大，难以检测十字结构中的未焊透缺陷.
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图 2 缺陷尺寸与回波反射系数的关系(A0/S0)Figure 2. Relationship between defect size and reflection coefficient(A0/S0)3. 试验方法
3.1 A0和S0波的激励
试验采用PAC自动超声扫描成像检测系统进行，采用中心频率为2.5 MHz在0° ~ 80°间变化的可变角探头，其晶片材料为钛酸铅、尺寸为10 mm × 10 mm，压电应变常数为125 ~ 190/(10−12 m/V)，采样频率100 MHz，延迟2 μs，固定增益35 dB，耦合方式为机油. 采用单探头自发自收脉冲回波法.
3.1.1 入射点的确定
在理想状态下，声束沿着矩形晶片中心轴线向前传播，在近场区声束呈四棱锥形，在远场区声束发生一定范围的扩散.
将声束中心轴线入射到待检试件的相交点，称为几何入射点，即理论入射点. 随着入射角度的增大，仅有部分声束能进入试件，此时将声束通过探头底面的中点作为几何入射点. 探头入射点位置的准确性影响缺陷的定性、定位，采用入射点至探头前边缘的距离进行描述. 探头所接收到的信号反映是所有回到晶片声线的整体效应，这就有必要引入实测入射点的概念，其测量一般借助标准CSK-IA试块，即使得声束在100 mm半径的圆弧面产生反射，当探头接收到的回波达到最高时，认为探头底面上与圆弧圆心重合点即为实际入射点.
由于可变角度探头的入射点与入射角度密切相关，因此确定不同模态板波的理论入射点和实测入射点更加必要. 图3给出了探头理论入射点、实测入射点与入射角度的关系，实测入射点整体上比几何入射点约大5 mm. 当入射角度大于第二临界角时，标准试块内声波主要为表面波，此时难以确定实测入射点，可根据图3实测入射点与理论入射点的关系进行几何外推.
3.1.2 入射角度的确定
Lamb波一般采用纵波透过有机玻璃斜入射方式进行激励，入射角α为
$$ \sin \alpha {\text{ = }}C_{\rm{l}}/C_{\rm{p}} $$ 式中：Cl为有机玻璃中的纵波声速(一般取2 730 m/s)；Cp为Lamb波的相速度.
由Lamb相速度、频速度频散曲线可进一步求出，频厚积为4.75 MHz·mm(即频率与板厚的乘积)时，不同模态波形的相应相速度、群速度以及理论入射角. 将探头分别置于其入射点至板边缘40，80 mm处的无缺陷不锈钢钢板上，将入射角度从0°开始每间隔5°逐渐增大至80°，以板端回波信号的幅度为参考，可获得不同模态回波的幅度与入射角关系，如图4所示. 由该图可知，A0和S0模态波幅值最高，模态相对单一，结合频散曲线可知S2，S1和A1模态波群速度在频带宽度0.5 MHz即频厚积为0.95 MHz·mm范围内波动相对A0和S0模态波波动较大，随着波形的传播波形更宽幅值更低，且S1模态波单一性最差.
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图 4 不同模态回波幅度与入射角的关系Figure 4. Relationship between signal amplitude of different modal Lamb waves and incident angles3.2 A0和S0波的检测
用激励出的A0和S0模态板波，检测无缺陷试件(0号)及不同长度未焊透缺陷的焊接试件(1号、2号、3号)，其中A0波检测3号焊件的缺陷回波信号如图5a所示. 对40 ~ 60 μs时域范围内缺陷回波信号进行小波变换获得相应时频图谱，如图5b所示. 该缺陷信号主要时域范围为44 ~ 49 μs，频率主要集中在2.0 ~ 3.0 MHz区间，由群速度频散曲线可初步判断该信号主要为A0波. 对试验中4个焊件的十字焊接结构剖面进行金相观察，其中3号焊件缺陷处金相如图5c所示，其未焊透长度约为1.6 mm.0号试件未观察到未焊透缺陷，1号试件有未焊透缺陷，其长度约为1.4 mm，2号试件有两处未焊透缺陷，其长度均约为0.8 mm.
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图 5 A0波检测实际焊件Figure 5. A0 mode Lamb wave detecting welded samples defect. (a) defect echo sigmal; (b) the time frequency graph of WT; (c) metallographic diagram of welded sample将A0和S0模态波检测不同焊件的实测回波峰值转化为反射系数，可得到缺陷回波反射系数与缺陷尺寸关系，如图6所示. 由该图可知，A0波检测的缺陷回波系数与未焊透长度呈良好正向线性关系，而S0波无此规律. 因此，采用2.5 MHz的A0波识别十字焊接结构未焊透尺寸具有良好可行性.
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图 6 缺陷尺寸与回波反射系数关系Figure 6. Relationship between defect size and reflection coefficient4. 结论
(1) 仿真结合试验，确定了不同模态Lamb波的入射点、激励角度，探讨了A0和S0模态Lamb波用于识别1.9 mm厚薄板十字交叉激光焊接结构未焊透缺陷的可行性，并获得了超声Lamb波反射系数与缺陷尺寸的关系，仿真结果和试验实测结果的趋势具有较好的一致性.
(2) 采用2.5 MHz的A0模态波能够有效检测十字焊接结构中的未焊透缺陷，且可一定程度上表征缺陷的尺寸.
(3) 采用2.5 MHz的S0模态波检测十字焊接结构，其反射系数与缺陷尺寸相关性较差，不易于识别结构中未焊透缺陷.
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图 1 焊接试件的制备
Figure 1. Preparation for welding specimen. (a) schematic diagram of sample geometry and defects ; (b) welding specimen
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图 2 缺陷尺寸与回波反射系数的关系(A0/S0)
Figure 2. Relationship between defect size and reflection coefficient(A0/S0)
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图 4 不同模态回波幅度与入射角的关系
Figure 4. Relationship between signal amplitude of different modal Lamb waves and incident angles
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图 5 A0波检测实际焊件
Figure 5. A0 mode Lamb wave detecting welded samples defect. (a) defect echo sigmal; (b) the time frequency graph of WT; (c) metallographic diagram of welded sample
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