SH導(dǎo)波在鋼板缺陷檢測中的傳播特性

劉素貞，劉亞洲，張闖，金亮

?

SH導(dǎo)波在鋼板缺陷檢測中的傳播特性

劉素貞1，劉亞洲1，張闖1，金亮2

(1.河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建實驗室，天津300130；2.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實驗室，天津300387)

水平剪切(Shear Horizontal，SH)導(dǎo)波在傳播的過程中有對稱模式和反對稱模式，其相速度和群速度主要取決于試件的厚度和頻率之積(頻厚積)。利用COMSOL有限元分析軟件，建立了鋼板缺陷的3-D模型，仿真分析了SH0導(dǎo)波在鋼板中的傳播特性。仿真結(jié)果表明SH波在傳播過程中很少發(fā)生波束方向的改變，無頻散和模式轉(zhuǎn)換，信噪比高。利用電磁超聲方法激勵SH波，對鋼板中的裂紋和焊縫缺陷進(jìn)行了實驗，驗證了仿真結(jié)果的正確性及可行性，為超聲導(dǎo)波在板材缺陷檢測中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

導(dǎo)波；頻散；模式轉(zhuǎn)換；傳播特性；焊縫缺陷

0 引言

超聲導(dǎo)波主要包括蘭姆(Lamb)波和水平剪切(Shear Horizontal，SH)波，超聲導(dǎo)波在薄的管材或者板材的表面和內(nèi)部都存在振動，聲場遍及整個試件中，因此利用導(dǎo)波可以檢測試件內(nèi)部和表面的缺陷。由于在板材的制造過程中不可避免的出現(xiàn)裂紋、腐蝕以及焊接過程中的缺陷，這些缺陷的存在會使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能急劇下降。因此,對于此類缺陷的檢測顯得至關(guān)重要。

在焊縫板材缺陷檢測中，由于焊縫余高的存在，使焊縫區(qū)域的缺陷很難檢測，而且由于焊縫區(qū)域的各向異性和衰減的特性，增加了焊縫缺陷檢測的難度。對于此類缺陷，Lamb波在檢測的過程中會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換和頻散，并且在不同的缺陷之間會發(fā)生復(fù)雜的相互作用。而SH波在傳播過程中很少發(fā)生波束方向的改變、頻散、衰減以及模式轉(zhuǎn)換。正是由于導(dǎo)波的這些特性，使SH導(dǎo)波非常適合板材焊接缺陷以及裂紋、腐蝕類缺陷的檢測[1-3]。

SH導(dǎo)波因其檢測范圍大、衰減小、效率高，近年來受到了國內(nèi)外無損檢測學(xué)者越來越多的關(guān)注。Remo Ribichini對電磁超聲換能器(ElectroMAgnetic ultrasonic Transducer，EMAT)裝置產(chǎn)生SH導(dǎo)波的效率做了理論和實驗分析，并進(jìn)行了比較研究[4-5]。P A Peter等人利用水平剪切波不發(fā)生頻散和模式轉(zhuǎn)換的特性，實現(xiàn)了對奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷的檢測[6]。Rymantas Kazysz利用有限元軟件對SH導(dǎo)波進(jìn)行了仿真，分析了頻寬比的增加對導(dǎo)波模態(tài)的影響[7]。國內(nèi)對超聲導(dǎo)波的研究比較晚，北京工業(yè)大學(xué)的何存富等人先后分析了導(dǎo)波的頻散特性及多模態(tài)特征，討論了根據(jù)導(dǎo)波激勵頻率合理采用傳感器排布方式實現(xiàn)對頻散現(xiàn)象抑制的方法[8]。同濟(jì)大學(xué)王軍等基于金屬材料各向異性板中SH波理論，推導(dǎo)了在靜應(yīng)力作用下，與應(yīng)力平行方向和垂直方向SH波的頻散方程以及金屬薄板中SH波的波速與應(yīng)力的關(guān)系[9]。上海交通大學(xué)張志鋼等人對SH波在彈性層中的特性進(jìn)行了分析，研究了利用電磁超聲方法激勵SH板波以及模式選擇的方法[10]。

本文主要利用COMSOL有限元分析軟件，建立了鋼板缺陷的模型，分析了SH0導(dǎo)波在鋼板缺陷中的傳播特性；通過后處理器查看某節(jié)點(diǎn)的位移時間曲線，對導(dǎo)波的傳播速度和頻散特性進(jìn)行了研究；分析了導(dǎo)波的頻散特性。通過電磁超聲激勵SH0導(dǎo)波，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證。

1 SH導(dǎo)波的波結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析

在板層結(jié)構(gòu)中除了存在Lamb波外，還存在SH波。由任何模態(tài)SH波引起的質(zhì)點(diǎn)振動(位移和速度)位于平行于層面的平面中，如圖1所示，傳播方向沿方向，質(zhì)點(diǎn)振動方向沿方向。

圖1 SH波的傳播示意圖

對于SH模態(tài)，認(rèn)為只有當(dāng)方向上位移不為零時，位移場可以表示為

式(2)可以分解為

其中，代表對稱模態(tài)，代表反對稱模態(tài)。在兩種模態(tài)的傳播過程中，板的上下面為自由表面。由參考文獻(xiàn)[12]可以解得頻散方程：

將以上頻散方程化簡，顯示解可以表示為

由式(2)中定義的、、T，頻散方程可以寫為

定義頻厚積的函數(shù)(=2)：

式中，p為相速度；g為群速度。

通過解方程(6)、(7)可得出鋼板SH導(dǎo)波的相速度和群速度，其頻散曲線[12]如圖2、3所示。

圖2 鋼板中SH導(dǎo)波相速度頻散曲線

圖3 鋼板中SH導(dǎo)波群度頻散曲線

(a) SH0波結(jié)構(gòu)????(b) SH1波結(jié)構(gòu)

(c) SH2波結(jié)構(gòu)????(d) SH3波結(jié)構(gòu)

圖4 SH導(dǎo)波波結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of SH-wave structure

由頻散曲線和波結(jié)構(gòu)可知，SH導(dǎo)波波結(jié)構(gòu)簡單，只有方向的位移，并且存在對稱模式和反對稱模式。當(dāng)=0時，對于零階SH0模式導(dǎo)波在傳播過程中模式比較純凈，不會發(fā)生頻散和模式轉(zhuǎn)換，因此在無損檢測中具有很大的應(yīng)用價值，尤其在焊縫缺陷的檢測中具有很大優(yōu)勢。

2 SH導(dǎo)波的數(shù)值仿真及結(jié)果分析

2.1 SH導(dǎo)波的建模以及在鋼板中的傳播特性分析

圖5 激勵函數(shù)波形

圖6 無缺陷鋼板示意圖

通過后處理器查看任意時刻質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)波傳播狀態(tài)，其位移云圖如圖7所示。

由導(dǎo)波的傳播過程可知，SH0導(dǎo)波在傳播過程中模式比較純凈，很少發(fā)生波束的改變，無頻散和多模態(tài)現(xiàn)象。取質(zhì)點(diǎn)1(150，50，1.5)、質(zhì)點(diǎn)2(250，50，1.5)，由后處理器得到質(zhì)點(diǎn)的位移時間曲線如圖8所示。

根據(jù)兩質(zhì)點(diǎn)之間的位移差，以及波形傳播到兩質(zhì)點(diǎn)所用的時間，可以計算出SH波的傳播速度。仿真速度和理論速度的比較見表1。

(a)=29.5 us時刻導(dǎo)波位移云圖

(b)=72.5 us時刻導(dǎo)波位移云圖

圖7 導(dǎo)波傳播過程中的位移云圖

Fig.7 The displacement contours of the guide wave propagation

圖8 質(zhì)點(diǎn)的位移隨時間變化曲線

表1 導(dǎo)波仿真速度分析

由以上結(jié)果可知，仿真得到的SH0導(dǎo)波的速度和頻散曲線計算得到的速度誤差很小，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

2.2 SH導(dǎo)波在鋼板裂紋檢測中的仿真分析

裂紋缺陷是鋼板中常見的一種缺陷，建立鋼板缺陷的三維有限元模型。鋼板尺寸為100 mm×300 mm×3 mm，在距離鋼板始端200 mm處，設(shè)置一橫向裂紋，尺寸為30 mm×1 mm×1.5 mm，施加和2.1節(jié)相同的激勵條件，研究導(dǎo)波的傳播過程，其位移云圖如圖9所示。

(a)=35.3 us時刻導(dǎo)波位移云圖

(b)=97.7 us時刻導(dǎo)波位移云圖

圖9 導(dǎo)波在裂紋缺陷中的傳播位移云圖

Fig.9 Contour of the guide wave propagation displacements in the steel with crack

由導(dǎo)波的傳播位移云圖，可知SH導(dǎo)波在傳播的過程中遇到裂紋缺陷后產(chǎn)生了反射和透射現(xiàn)象，并無頻散現(xiàn)象和模式轉(zhuǎn)換。為了減少實驗中傳感器的數(shù)量，一般采用單發(fā)單收模式，利用回波反射法實現(xiàn)缺陷的識別和定位。在裂紋缺陷的一側(cè)選取質(zhì)點(diǎn)1(150，50，1.5)，由后處理器得質(zhì)點(diǎn)1的位移時間曲線，如圖10所示。

圖10中第一個波包為直達(dá)波，第二個波包為缺陷回波，第三個波包為底部端面反射波。根據(jù)波速和傳播的時間對缺陷進(jìn)行定位分析，如表2所示。

表2 鋼板裂紋缺陷分析

通過分析可以看出SH導(dǎo)波在鋼板裂紋缺陷檢測中可以實現(xiàn)對缺陷的檢測，并能實現(xiàn)很好的定位。

圖10 鋼板存在裂紋情況下質(zhì)點(diǎn)1的位移時間曲線

2.3 SH導(dǎo)波在焊縫缺陷中的仿真分析

在焊縫缺陷中常見的缺陷主要包括內(nèi)部缺陷和外部缺陷，由于焊接過程中余高的存在增加了焊縫內(nèi)部缺陷檢測的難度。由SH導(dǎo)波的傳播特性可知，SH導(dǎo)波對表面光滑度要求不高，傳播過程中無頻散和模式轉(zhuǎn)換。正是由于導(dǎo)波的這些特性，使SH導(dǎo)波非常適合焊縫缺陷的檢測[13-14]。本文用有限元軟件COMSOL建立了鋼板對接焊縫缺陷的3-D模型，焊縫缺陷模型如圖11所示，焊接鋼板尺寸為312 mm×100 mm×3 mm，焊縫區(qū)域的尺寸為12 mm ×3 mm×100 mm，焊縫余高為1.5 mm，焊縫內(nèi)裂紋尺寸為20 mm×1 mm×2 mm。采用與2.1節(jié)相同的激勵載荷，激勵頻率取200 kHz。

對建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置瞬態(tài)求解器、時間步長。選取質(zhì)點(diǎn)1(50，100，1.5)。通過后處理器查看導(dǎo)波的傳播過程，圖12為某一時刻，導(dǎo)波傳播經(jīng)過焊縫缺陷區(qū)域的位移云圖。

從導(dǎo)波傳播的過程可以看出，在導(dǎo)波傳播到焊縫時，發(fā)生了反射和透射，即由于焊縫區(qū)域余高的存在，并沒有對導(dǎo)波的傳播過程產(chǎn)生很大的影響。正是由于導(dǎo)波獨(dú)特的優(yōu)勢使其在無損檢測領(lǐng)域的研究變得非常有意義。質(zhì)點(diǎn)1的位移時間曲線如圖13所示。

圖11 焊縫缺陷模型

圖12 t=97.3 us時導(dǎo)波位移云圖

通過觀察選取質(zhì)點(diǎn)的位移時間曲線，可以檢測到焊縫中缺陷的存在，正是由于SH導(dǎo)波獨(dú)特的傳播形式，使其在焊縫缺陷檢測中，能夠避免焊縫余高產(chǎn)生的回波對缺陷回波的干擾，使回波信號更加純凈，提高了信噪比。

圖13 鋼板存在焊縫情況下質(zhì)點(diǎn)1的位移時間曲線

3 實驗驗證

3.1 鋼板缺陷檢測實驗

電磁超聲可以很方便地激勵出各種導(dǎo)波，只需改變線圈結(jié)構(gòu)和磁場方向即可。根據(jù)SH導(dǎo)波產(chǎn)生的原理，本實驗激勵傳感器選用磁場方向平行于線圈中電流的方向，激勵SH導(dǎo)波傳感器結(jié)構(gòu)如圖14所示。

在鐵磁性材料中，試件受到交變磁場的作用。質(zhì)點(diǎn)由于磁致伸縮力的作用，產(chǎn)生平行于試件表面的剪切運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與傳播方向垂直，激勵傳感器結(jié)構(gòu)和接收傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)。兩傳感器位于裂紋缺陷的同側(cè)，試件尺寸為200mm×500 mm ×1 mm，裂紋尺寸為1 mm×20 mm×1 mm，如圖15所示。

根據(jù)頻散曲線和試件的厚度選取合適的激勵頻率，接收傳感器接收到的電壓如圖16所示。

圖14 激發(fā)SH導(dǎo)波的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 鋼板裂紋檢測傳感器放置示意圖

圖16 接收傳感器接收電壓

根據(jù)傳感器接受的電壓波形圖，對鋼板中SH0導(dǎo)波的實際傳播速度進(jìn)行分析，結(jié)果如表3表示。由表3分析可知，利用電磁超聲能夠比較容易地激勵出SH0導(dǎo)波，并且其傳播速度和理論傳播速度相差無幾。本實驗中在試件上定制一裂紋，傳感器的布置方式如圖15所示，并利用接收傳感器接收到的電壓波形對試件中存在的裂紋進(jìn)行了估算，驗證了SH0導(dǎo)波在鋼板裂紋試件中檢測的可行性。

表3 鋼板裂紋缺陷分析

3.2 焊縫缺陷檢測實驗

本實驗采用試件為200 mm×400 mm×2 mm的對接焊縫試塊，在焊縫區(qū)域定制一裂紋缺陷，缺陷尺寸為1 mm×20 mm×1 mm，利用實驗室現(xiàn)有的設(shè)備，制作傳感器接收和發(fā)射探頭，激勵出電磁超聲SH0導(dǎo)波。傳感器放置布置如圖17所示。

圖17 焊縫缺陷檢測傳感器布置示意圖

為了對整個焊縫區(qū)域進(jìn)行缺陷的檢測，將接收傳感器沿A-B方向進(jìn)行移動。在傳感器移動的過程中，接收傳感器端檢測到的電壓如圖18所示。

通過檢測接收傳感器端的接收電壓，當(dāng)傳感器位于非裂紋區(qū)域時，只能接收到端面回波，焊縫余高的存在對接收端電壓幾乎沒有影響，如圖18(a) 所示，當(dāng)傳感器探頭移動到焊縫裂紋缺陷的區(qū)域時，可以看到有明顯的缺陷回波存在，如圖18(b)所示。驗證了SH導(dǎo)波在焊縫缺陷檢測中的可行性。

(a) 傳感器在非裂紋處接收到的電壓波形

(b) 傳感器在裂紋處時接收到的電壓波形

圖18 傳感器在掃描過程中接收到的電壓波形

Fig.18 The received voltage waveforms during scanning process of receiving sensor

4 結(jié)論

本文建立了鋼板裂紋缺陷和焊縫缺陷的有限元模型，對SH0導(dǎo)波在鋼板中的傳播過程進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

(1) 通過計算仿真得出的SH0導(dǎo)波的速度和依據(jù)頻散曲線計算得出的速度誤差不大，并且在傳播過程中模式比較純凈，無頻散現(xiàn)象和模式轉(zhuǎn)換。

(2) 通過對鋼板缺陷的仿真，查看質(zhì)點(diǎn)的位移時間歷程曲線，得出SH導(dǎo)波在缺陷檢測中的可行性。尤其在焊縫檢測中，減少了焊縫余高的存在對反射回波的干擾，提高了信噪比。

(3) 通過實驗對數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證，得出SH導(dǎo)波能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷的檢測和定位。

[1] Gao H, Ali S, Lopez B. Efficient dection of delamination in multilayered structures using ultrasonic guide wave EMAT[J]. NDT&E. International, 2010, 43(4): 316-322.

[2] Rouge C, Lhémery A, Ségur D. Modal solutions for SH guided waves radiated by an EMAT in a ferromagnetic plate [J]. IOP Science, 2012, 353(1): 1-14.

[3] Gao H, Lopez B. Development of single-channel and phased array EMATs for austenitic weld inspection[J]. Materials Evaluation, 2010, 68(7): 821-827.

[4] Remo Ribichini, Frederic Cegla, Peter B Nagy, et al. Study and comparision of different EMAT comfigurationgs for SH wave inspection[J]. IEEE Transactionsons on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2011, 58(12): 2571-2581.

[5] Ribichini R, Cegla F, Nagy P B, et al. Experimental and numerical evaluation of electromagnetic acoustic transducer performance on steel materials[J]. NDT & International, 2012, 45(1): 32-38.

[6] Petcher P A, Dixon S. Weld defect detection using PPM EMAT generated shear horizontal ultrasound[J]. NDT&E International, 2015, 74(10): 58-65.

[7] Rymantas Kazys, Egidijus Zukauskas. Propagation of ultrasonic shear horizontal wave in rectangular waveguides[J]. IEEE International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2015, 16(1): 1-18.

[8] 何存富, 劉增華, 鄭璟瑜, 等. 管道導(dǎo)波檢測中傳感器數(shù)量和頻率特性研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 30(4): 393-397. HE Cunfu, LIU Zenghua, ZHENG Jingyu, et al. Research on quantity of sensors and frequency of guide wave defection in a pipe [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2004, 30 (4): 393-397.

[9] 王軍, 王寅觀. 金屬薄板中SH波波速與預(yù)應(yīng)力關(guān)系的理論研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 35(2): 228-231. WANG Jun, WANG Yinguan. Study on relationship between SH wave velocity and stress of metal plate [J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2007, 35(2): 228-231.

[10] 張志鋼, 闕沛文, 雷華明.彈性層中的SH板波傳播特性及電磁超聲激勵方法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報, 2005, 18(2): 426-429. ZHANG Zhigang, QUE Peiwen, LEI Huaming. Propagation Characters of SH Wave in Elastic Plate and its Generation Method [J]. Journal of Sensing Technology, 2005, 18(2): 426-429.

[11] J. L. Rose.著, 固體中的超聲波[M]. 何存富, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2004. J. L. Rose. Ultrasonic waves in solids[M]. HE Cunfu, translate. Beijing: Science Publishing Press, 2004.

[12] WEI Zheng, HUANG Songling, WANG Shen, et al. Magnetostriction-Based Omni-Directional Guided Wave Transducer for High-Accuracy Tomography of Steel Plate Defects [J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(11): 6549-6558.

[13] 黃松齡, 王坤. 電磁超聲導(dǎo)波理論與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013. HUANG Songling, WANG Kun. Theory and application of electromagnetic ultrasonic guided wave [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2013.

[14] Fann Z, Lowe M J S. Interaction of weld guided wave with defects [J]. NDT&E. International, 2012, 124(10): 124-133.

Propagation characteristics of SH guided wave in steel plate defect detection

LIU Su-zhen1, LIU Ya-zhou1, ZHANG Chuang1, JIN Liang2

(1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2. Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Shear Horizontal (SH) wave has two modes in the process of transmission: symmetrical mode and anti- symmetric mode, and its phase velocity and group velocity mainly depend on the product of thickness and frequency of specimen. The paper sets up a three-dimensional model for steel plate defects by using COMSOL finite element analysis software, simulates and analyzes the SH0 guided wave propagation characteristics in the steel plate, and concludes that shear horizontal wave has little change in the direction of beam, no dispersion and mode conversion, and high signal to noise ratio in the process of transmission. Meanwhile, we utilize the electromagnetic ultrasonic transducer to generate shear horizontal wave and make an experiment of the crack and weld defect in the steel to test the validity and feasibility of stimulation result, which will provide the basis for the application of ultrasonic guided waves in the plate defect detection.

guided wave; dispersion; mode conversion; propagation characteristics; weld defects

TB559

A

1000-3630(2017)-02-0140-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.008

2016-06-03;

2016-09-10

國家自然科學(xué)基金(51307043)、河北省自然科學(xué)基金(E2016202260)、天津市自然科學(xué)基金(16JCYBJC19000)資助項目。

劉素貞(1969－), 女, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為工程電磁場與磁技術(shù)等。

劉素貞, E-mail: szliu@hebut.edu.cn