基于有限元方法的钢板焊缝缺陷红外无损检测

杨永锋等

摘 要 钢板焊缝缺陷检测是一项难度较大的工作，对检测技术有着极高的要求，只有高效的检测出焊接缺陷，才能进行有效的处理，增强焊接结构的稳定性。随着科学技术的不断发展，缺陷检测技术也越来越先进，红外无损检测在有限元方法的基础上，可以更加全面的体现出被检测对象的状况。建立在有限元方法基础上的红外无损检测技术在缺陷检测方面发挥着重要的作用，可以通过ansys仿真分析软件获取被检测钢板焊缝的图像，从不同的角度对缺陷问题进行分析，保证缺陷检测的精确程度。

关键词 有限元方法；钢板焊缝；无损检测；红外热成像

中图分类号 TG4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2015）09-0027-01

钢板是一种应用率极高的施工构件，焊接缺陷类型多种多样，这些焊缝缺陷问题，必然会对施工工作的顺利进行造成干扰，必须要进行有效的检测。因此，研究有限元法基础上的钢板焊缝缺陷红外无损检测有着非常重要的意义，能够准确的检测出钢板焊缝的缺陷所在，为后期处理工作提供可靠的依据，改善钢板结构的安全程度，为相关研究提供参考意见。

1 红外无损检测中的有限元方法概述

ansys仿真分析软件是有限元方法的关键所在，能够对检测的各项条件进行限定，对程序进行编写，并完成相关的计算任务。该软件技术最后通过云图来将钢板焊缝的温度场检测结果显示出来，温度同颜色深度呈正比关系。建立在有限元方法基础上的红外无损检测技术在二、三维检测过程中，分别应用的是PLANE77及SOLID70单元，二者包括的节点数均为八个，不同的温度自由度与各个节点相互对应[1]。

在检测钢板焊缝缺陷时，应将零时间点同特定时间内的被检测部位的中心点温度直接的大小差距计算出来，该数值同不存在缺陷问题相应指标的比值可以表示为对比度。通过这一项数据能够更加的清晰的查看无损检测的精确性和敏感程度，可以将缺陷位置处的温度变化状况放大，判定缺陷问题。在红外无损检测的过程中，不仅需要测定出相应的数据，还需要对这些测量出来的结果进行计算和统计，需要借助相应的软件来完成，检测所需时间较长，结果直观性有所欠缺，应用范围有

限[2]。然而因为钢板构件的焊缝问题表现为多种形式，缺陷位置不固定，可能存在于内部，也可能是内壁上的问题，所以无论是在缺陷具体形态，还是大小和位置方面，均难以判断。在检测中可以将检测指标限定为热像特征及表面升温，发挥有限元方法的优势，将表面温度变化和缺陷位置、大小等信息整合起来，将缺陷的定量检测变为现实。

2 基于有限元方法的钢板焊缝缺陷红外无损检测计算对象分析

若选取1.0%的XcU碳钢钢板作为焊缝缺陷的检测对象，构件的各方面数据表示如下：长宽高分别为0.5m、0.4m和0.04m，检测气孔主要包括三个深度，即0.01m、0.02m和0.03m，而气孔孔径大小有划分为三个不同的数值，即0.002m、0.004m和0.006m。将20e下物性的视作被检测构件的碳钢物性，K、Q和cp表示为43.2W/m·e、7790kg/m3及470W/kg·e，在检测气孔物性确定方面，K、Q和cp分别为2.59×10-2W/m·e、1.205kg/m3和1.005W/kg·e。在检测时需要将移动热流加到被检测钢板上，确定好零时检测点，通过阶越的途径将1×105W/m2的热流施加到四个检测面，间隔期限为一分钟，对检测面的温度情况进行检测。结果发现钢板内的温度会因为热流而出现不同的反应，变化方向为由上至下，干部那碳钢及气孔二者物性有一定的差异，相对正常区域来说，气孔缺陷位置温度明显较高[3]。

1）不同热流对缺陷检测的影响分析。选取钢板焊件在厚度一致的情况下，将热流q分别设定为：1×104W/m2、5×104W/m2和1×105W/m2，整体温度变化相差不大。在热流设定为1×104W/m2的情况下，在作用一分钟的时间内，焊件表面温度提升至vTU5.6e，缺陷区域变化较小；而当将热流设定为5×104W/m2的情况下，焊件表面温度提升25e，缺陷区域的温度变化为1e；将热流设定为1×105W/m2的情况下，焊件和缺陷区域升温状况分别为54e、3e，这就体现出同正常表面相比，气孔缺陷升温变化显著，施加热流越大，这种变化越突

出[4]。但要注意的是并不是热流越大越大，应将其控制在合理的范围内。

2）不同直径气孔对缺陷检测的影响分析。作用于焊件表面的热流为1×105W/m2时，三个不同直径气孔（深度均为0.01m）的温度变化状况各不相同。其中0.002米的气孔异常升温状况为$TU1e，而0.004m和0.006m气孔的升温状况依次为$TU2e和$TU3e。这就表明直径逐渐增大的过程中，缺陷检测更加容易，当直径在0.002m时，很难检测出缺陷状况，对红外检测仪器的灵敏度要求更高。

3）不同深度气孔对缺陷检测的影响分析。当将为1×105W/m2的热流统一施加到检测气孔（直径为0.004米）上时，深度为0.01m时，气孔缺陷升温$TU3e，而深度为0.02m和0.03m时，对应的升温状况依次为$TU1e和$TU0.8e。这就表明当气孔深度在0.03m以下时，缺陷检测更加简便，但深度过大也会增大检测难度。如果气孔缺陷深度在0.03m以上时，无法利用常规的红外探头检测出来，检测精度要求较高。

3 结语

利用基于有限元的红外无损检测技术，能够总结出以下结论：1）钢板焊缝内部存在气孔时，正常区域表面比有缺陷部位温度低。2）当表面施加的热流较小时，表面热变化特征变化不大，难以检测出缺陷问题；当施加热流较大时，表面热变化特征显著，缺陷检测难度降低，然而要求红外探头必须具备良好的分辨性，同时也必须要增强热像仪灵敏程度。应控制好热流的强度，保证热流强度同钢板焊件厚度相一致。3）其他因素固定时，气孔缺陷直径与检测容易程度成正比；而气孔大小固定时，具体位置距表面深度同检测容易程度成反比。4）红外无损检测效率同热扩散率成反比，更适用于热扩散率小的钢板材料。因为钢板焊接缺陷问题的检测是一项复杂性的工作，需要考虑多方面的因素，还需要对缺陷尺寸和形状进行进一步的研究，利用表面温度变化图像来掌握缺陷状况。

参考文献

[1]盛陈飞.钢结构焊缝无损检测方法的应用研究[J].科技资讯，2008（1）.

[2]梅林，陈自强，王裕文，等.脉冲加热红外热成像无损检测的有限元模拟及分析[J].西安交通大学学报，2000（1）.

[3]郁青，何春霞.无损检测技术在复合材料检测中的应用[J].工程与试验，2009（2）.

[4]李大鹏，杨治东，等.有限元方法在单面热流加热红外无损检测中的应用[J].机电工程，2005（2）.