基于超声波检测技术车辆铝制材料无损探伤分析研究

赵一凡 张晓静

摘  要：为了验证超声波检测技术对车辆金属材料中的铝制材料零部件探伤的准确性与合理性，文章以铝制样本为检测对象，分别对已知缺陷进行实际深度测量和超声波探伤测量，测量结果显示通过超声波检测方法测量的缺陷深度与实际测量的结果极度吻合，因此证实超声波探伤技术对汽车铝制材料的内部缺陷的评定具有一定的参考价值，为进一步分析和研究材料的缺陷，基于Comsol对被检测样本进行建模分析仿真，进而对仿真波形与超声波检测波形相对比，验证所建模型和仿真过程的合理性与准确性，为下一步分析研究提供依据。

关键词：超声波探伤;无损检测;仿真

中图分类号：U465          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0001-05

Abstract： In order to verify the accuracy and rationality of ultrasonic inspection technology for the detection of aluminum parts and components in vehicle metal materials， this paper uses aluminum samples as the detection object， and performs actual depth measurement and ultrasonic flaw detection measurement on known defects. The results show that the defect depth measured by the ultrasonic detection method is extremely consistent with the actual measurement results. Therefore， it is confirmed that the ultrasonic flaw detection technology has a certain reference value for the internal defect assessment of automotive aluminum materials. To further analyze and study the material defects， based on Comsol Model and analyze the tested samples， and then compare the simulated waveform with the ultrasonic detection waveform to verify the rationality of the simulation process and the model， providing a basis for the next analysis and research.

Keywords： ultrasonic flaw detection; nondestructive testing; simulation

對于汽车而言，金属材料大量应用，金属材料的刚度、强度特性影响着车辆的行驶安全，而金属材料的刚度、强度除了取决于材料本身的特性，材料内部的裂痕、气泡等也严重影响了材料的刚度、强度[1-3]，但是金属材料内部的缺陷无法通过肉眼观察到，因此对车辆金属零部件内部缺陷的分析研究具有重要的意义。超声波具有超强的穿透性和良好的方向性，使之可以在被检测材料介质中定向传播，与此同时超声波在不同种类介质的临界面会发生反射、折射和波型转换[4]，另外超声波在固体材料介质中传播的损耗很低，可以很好的探测到材料内部的情况[5-6]。根据超声波这些特性，能够实现在金属材料中的内部缺陷检测。因此本文提出并验证基于超声波的上述特性对车辆金属零部件内部缺陷进行无损探伤，进而可确定缺陷在金属零部件内的位置。为进一步分析研究缺陷对该零部件所产生的影响，同时考虑到节约成本，不能对实际零部件进行大量的实验研究，因此本文基于Comsol对被检测样本进行声场模型的建立，验证仿真模型的合理性和准确性，为进一步分析研究提供可靠的依据。

1 超声波无损探伤检测

车辆长时间在恶劣的环境下行驶或发生刚性碰撞时，由于外界环境因素使车辆主体金属部件发生锈蚀、变形甚至断裂等情况，严重危及着车辆行驶的安全，尤其对于严重事故修复后继续行驶的车辆而言，我们往往通过听、看的方法来判断车辆是否可以继续长时间工作行驶，这样往往忽略了车身由于碰撞修复金属部件内部产生应力的变化甚至细微裂纹的产生，这样严重影响着金属部件的刚度和强度，进而使原本车辆应有的安全系数大打折扣，因此本文以车辆铝制发动机金属为例，取样品金属对其进行超声波无损探伤检测实验。

1.1 实验系统设计及设计方案

首先将被检测铝质材料样品通过游标卡尺对样品的厚度和各个孔深参数进行测量（孔底部平面位置既可以看作金属样品内部缺陷的位置，后文中各孔底平面的位置都用缺陷位置代替），进而确定材料的缺陷位置;然后利用超声波检测设备对材料样品进行无损探伤，通过示波器得到相应波形，进而确定缺陷的位置;最后将实测数据与超声波探伤结果进行对比，进而验证了超声波探伤的合理性与准确性。如图1为超声波无损检测设备。

超声波探伤的具体程序如下：

（1）清洁被测样品表面，根据声波在金属材料中的传播速度表可以得到，超声波在被检测铝制样品中的传播速度为6300m/s;

（2）在被测样品1孔位的对应面处滴上耦合液，将超声波传感器T/R放于检测位置，通过信号调节器调节合适的波形，最终得到缺陷1探测的波形;

（3）分别对缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4进行探伤检测，得到相应数据波形，进而确定每个缺陷的相应纵向位置。

1.2实验数据分析

通过游标卡尺分别对样品的平底孔1（缺陷1）、孔2（缺陷2）、孔3（缺陷3）和孔4（缺陷4）进行测量，测量结果深度分别为1.95mm、4.00mm、6.20mm和8.20mm。图3为被测铝制样品。

运用超声波检测系统对被测样品的缺陷进行测量实验，实验测量结果如图4-7所示。

根据以上实验测量结果可知，图4-7中A点为超声波传感器T/R接收被测样品上表面的反射波信号;B点为超声波传感器T/R接收被测缺陷处的反射波信号;C点为超声波传感器T/R接收被测样品下边界的反射波信号。实验测量过程中标记B点和C点之间的距离关系为缺陷位置距样本下边界的距离，即为被测样本孔的深度。X1为超声波信号从传感器T/R发出到缺陷处反射后再由传感器接收所用的时间;X2为超声波信号从传感器T/R发出到样本下边界反射后再由传感器接收所用的时间。

2 基于Comsol的声场模型建立与仿真分析

对大型金属零部件或者机械设备通过超声波探伤确定缺陷位置进行下一步分析处理时，由于人力和物力成本的因素，不方便对实体缺陷进行进一步的分析处理，因此可以基于CAD、CATIA、Pre对被测实体进行2D或3D模型的建立，进而倒入Comsol中进行声场的建立与仿真，因此验证Comsol仿真的准确性是很有必要的。基于Comsol根据实际测量尺寸对被测样品的2D模型进行建立并仿真，并将仿真曲线导入Matlab中读取数据，如图9-12分别为缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4的仿真结果图。

通过仿真结果可以看出，超声波在B、C点的传播时间及传播形式，超声波探伤仿真波形图与超声波探伤实验波形图几乎吻合。通过仿真波形圖可得到△X，表2为△X的实验数据与仿真数据的对比。

通过对比表2可得知仿真与实验所得到的△X存在误差，其主要原因如下：（1）超声实验的手动操作受人为因素影响很大，耦合不易稳定。要求检查表面的粗糙度小，同时，超声波在工件中衰减，但是在仿真中是理想状态没有衰减现象，这会引起两者之间的偏差;（2）被测样品厚度比较薄，△X以us为单位，实验和仿真中均存在取值误差。通过上述误差分析，结合表2数据，误差在允许范围内。由此可见，通过Comsol所建模型和仿真结果的合理性和准确性，为下一步分析和研究缺陷对材料的影响提供可靠依据。

3 结论

如今，对于汽车后市场而言，在车辆发生事故后，超声波检测技术的使用可对事故车辆金属部件进行无损检测探伤，及时、快速地发现存在于金属结构中的缺陷，然后对其缺陷进行模拟仿真，进而对相应问题展开分析研究，对于增强事故车辆在后续行驶途中的稳定性和安全性有很好的价值。

参考文献：

[1]In-Young Yang，Kwang-Hee Im，David K. Hsu etc.Feasibility on fiber orientation detection of unidirectional CFRP composite laminates using one-sided pitch-catch ultrasonic technique[J].Composites Science and Technology：2042-2047.

[2]刘健.钢结构无损检测中超声波探伤技术应用研究[J].中国设备工程，2019（09）：93-94.

[3]Hu Jiankai， Zhang Qianlin. Principle and Method of Ultrasonic Testing [M]. Anhui： University of Science and Technology of China Press. 1993.

[4]孟思琪.不锈钢缺陷的超声波无损检测可靠性分析研究[D].青岛科技大学，2019.

[5]周翔.铁路货车轮轴多通道超声波探伤仪的设计与实现[J].盐城工学院学报（自然科学版），2018，31（04）：38-41.

[6]秦宇超.煤矿机械设备的无损检测技术[J].机械管理开发，2018，33（10）：100-101.