基于超聲波檢測技術(shù)車輛鋁制材料無損探傷分析研究

趙一凡 張曉靜

摘? 要：為了驗證超聲波檢測技術(shù)對車輛金屬材料中的鋁制材料零部件探傷的準(zhǔn)確性與合理性，文章以鋁制樣本為檢測對象，分別對已知缺陷進行實際深度測量和超聲波探傷測量，測量結(jié)果顯示通過超聲波檢測方法測量的缺陷深度與實際測量的結(jié)果極度吻合，因此證實超聲波探傷技術(shù)對汽車鋁制材料的內(nèi)部缺陷的評定具有一定的參考價值，為進一步分析和研究材料的缺陷，基于Comsol對被檢測樣本進行建模分析仿真，進而對仿真波形與超聲波檢測波形相對比，驗證所建模型和仿真過程的合理性與準(zhǔn)確性，為下一步分析研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：超聲波探傷;無損檢測;仿真

中圖分類號：U465? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

對于汽車而言，金屬材料大量應(yīng)用，金屬材料的剛度、強度特性影響著車輛的行駛安全，而金屬材料的剛度、強度除了取決于材料本身的特性，材料內(nèi)部的裂痕、氣泡等也嚴(yán)重影響了材料的剛度、強度[1-3]，但是金屬材料內(nèi)部的缺陷無法通過肉眼觀察到，因此對車輛金屬零部件內(nèi)部缺陷的分析研究具有重要的意義。超聲波具有超強的穿透性和良好的方向性，使之可以在被檢測材料介質(zhì)中定向傳播，與此同時超聲波在不同種類介質(zhì)的臨界面會發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換[4]，另外超聲波在固體材料介質(zhì)中傳播的損耗很低，可以很好的探測到材料內(nèi)部的情況[5-6]。根據(jù)超聲波這些特性，能夠?qū)崿F(xiàn)在金屬材料中的內(nèi)部缺陷檢測。因此本文提出并驗證基于超聲波的上述特性對車輛金屬零部件內(nèi)部缺陷進行無損探傷，進而可確定缺陷在金屬零部件內(nèi)的位置。為進一步分析研究缺陷對該零部件所產(chǎn)生的影響，同時考慮到節(jié)約成本，不能對實際零部件進行大量的實驗研究，因此本文基于Comsol對被檢測樣本進行聲場模型的建立，驗證仿真模型的合理性和準(zhǔn)確性，為進一步分析研究提供可靠的依據(jù)。

1 超聲波無損探傷檢測

車輛長時間在惡劣的環(huán)境下行駛或發(fā)生剛性碰撞時，由于外界環(huán)境因素使車輛主體金屬部件發(fā)生銹蝕、變形甚至斷裂等情況，嚴(yán)重危及著車輛行駛的安全，尤其對于嚴(yán)重事故修復(fù)后繼續(xù)行駛的車輛而言，我們往往通過聽、看的方法來判斷車輛是否可以繼續(xù)長時間工作行駛，這樣往往忽略了車身由于碰撞修復(fù)金屬部件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力的變化甚至細(xì)微裂紋的產(chǎn)生，這樣嚴(yán)重影響著金屬部件的剛度和強度，進而使原本車輛應(yīng)有的安全系數(shù)大打折扣，因此本文以車輛鋁制發(fā)動機金屬為例，取樣品金屬對其進行超聲波無損探傷檢測實驗。

1.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計及設(shè)計方案

首先將被檢測鋁質(zhì)材料樣品通過游標(biāo)卡尺對樣品的厚度和各個孔深參數(shù)進行測量（孔底部平面位置既可以看作金屬樣品內(nèi)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），進而確定材料的缺陷位置;然后利用超聲波檢測設(shè)備對材料樣品進行無損探傷，通過示波器得到相應(yīng)波形，進而確定缺陷的位置;最后將實測數(shù)據(jù)與超聲波探傷結(jié)果進行對比，進而驗證了超聲波探傷的合理性與準(zhǔn)確性。如圖1為超聲波無損檢測設(shè)備。

超聲波探傷的具體程序如下：

（1）清潔被測樣品表面，根據(jù)聲波在金屬材料中的傳播速度表可以得到，超聲波在被檢測鋁制樣品中的傳播速度為6300m/s;

（2）在被測樣品1孔位的對應(yīng)面處滴上耦合液，將超聲波傳感器T/R放于檢測位置，通過信號調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)合適的波形，最終得到缺陷1探測的波形;

（3）分別對缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4進行探傷檢測，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)波形，進而確定每個缺陷的相應(yīng)縱向位置。

1.2實驗數(shù)據(jù)分析

通過游標(biāo)卡尺分別對樣品的平底孔1（缺陷1）、孔2（缺陷2）、孔3（缺陷3）和孔4（缺陷4）進行測量，測量結(jié)果深度分別為1.95mm、4.00mm、6.20mm和8.20mm。圖3為被測鋁制樣品。

運用超聲波檢測系統(tǒng)對被測樣品的缺陷進行測量實驗，實驗測量結(jié)果如圖4-7所示。

根據(jù)以上實驗測量結(jié)果可知，圖4-7中A點為超聲波傳感器T/R接收被測樣品上表面的反射波信號;B點為超聲波傳感器T/R接收被測缺陷處的反射波信號;C點為超聲波傳感器T/R接收被測樣品下邊界的反射波信號。實驗測量過程中標(biāo)記B點和C點之間的距離關(guān)系為缺陷位置距樣本下邊界的距離，即為被測樣本孔的深度。X1為超聲波信號從傳感器T/R發(fā)出到缺陷處反射后再由傳感器接收所用的時間;X2為超聲波信號從傳感器T/R發(fā)出到樣本下邊界反射后再由傳感器接收所用的時間。

2 基于Comsol的聲場模型建立與仿真分析

對大型金屬零部件或者機械設(shè)備通過超聲波探傷確定缺陷位置進行下一步分析處理時，由于人力和物力成本的因素，不方便對實體缺陷進行進一步的分析處理，因此可以基于CAD、CATIA、Pre對被測實體進行2D或3D模型的建立，進而倒入Comsol中進行聲場的建立與仿真，因此驗證Comsol仿真的準(zhǔn)確性是很有必要的。基于Comsol根據(jù)實際測量尺寸對被測樣品的2D模型進行建立并仿真，并將仿真曲線導(dǎo)入Matlab中讀取數(shù)據(jù)，如圖9-12分別為缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4的仿真結(jié)果圖。

通過仿真結(jié)果可以看出，超聲波在B、C點的傳播時間及傳播形式，超聲波探傷仿真波形圖與超聲波探傷實驗波形圖幾乎吻合。通過仿真波形圖可得到△X，表2為△X的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比。

通過對比表2可得知仿真與實驗所得到的△X存在誤差，其主要原因如下：（1）超聲實驗的手動操作受人為因素影響很大，耦合不易穩(wěn)定。要求檢查表面的粗糙度小，同時，超聲波在工件中衰減，但是在仿真中是理想狀態(tài)沒有衰減現(xiàn)象，這會引起兩者之間的偏差;（2）被測樣品厚度比較薄，△X以us為單位，實驗和仿真中均存在取值誤差。通過上述誤差分析，結(jié)合表2數(shù)據(jù)，誤差在允許范圍內(nèi)。由此可見，通過Comsol所建模型和仿真結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性，為下一步分析和研究缺陷對材料的影響提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)論

如今，對于汽車后市場而言，在車輛發(fā)生事故后，超聲波檢測技術(shù)的使用可對事故車輛金屬部件進行無損檢測探傷，及時、快速地發(fā)現(xiàn)存在于金屬結(jié)構(gòu)中的缺陷，然后對其缺陷進行模擬仿真，進而對相應(yīng)問題展開分析研究，對于增強事故車輛在后續(xù)行駛途中的穩(wěn)定性和安全性有很好的價值。

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