Page 61 - 《应用声学》2023年第6期
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第 42 卷 第 6 期        姜柏涛等： 奥氏体不锈钢焊缝中的声学仿真模型与全聚焦成像检测                                         1171


                                                               法，将不同焊缝参数下的 A 扫描数值模拟结果与实
             0 引言
                                                               验数据进行了对比，从而确定最佳焊缝参数，并与
                 奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性、抗氧化性、                         真实焊缝的显微图像进行比较。Hannemann 等                   [8]
             低温韧性等特点，在石油化工、机械、核电等领域应                           基于简化的竖直晶向 V 型焊缝模型，将 EFIT 模拟
             用广泛。奥氏体不锈钢在焊接过程中，受焊接设备、                           和实际检测取得的 B 扫描图像进行了对比，结果显
             材料、工艺等因素影响，易产生不同程度的焊接缺                            示二者具有良好的一致性，且在实验成像中观察到
             陷。为了确保工业结构的安全性，对奥氏体不锈钢                            了理论和模拟中预测到的耦合SV波。另一方面，可
             焊缝进行缺陷检测是十分必要的。由于奥氏体不锈                            以采用射线追踪、高斯声束等半解析算法对波束的
             钢的导热性较差，焊接过程中在焊缝内部会形成沿                            传播路径进行计算和预测。Zhao 等               [9]  通过射线追
             温度梯度方向的柱状晶粒，其尺寸与超声波长相当，                           踪模拟，对各向异性堆焊层中的声传播路径进行了
             从而对声波产生强烈的散射和能量衰减效应，并且                            计算，并通过实验进行了验证。Nowers 等                 [10]  将计
             柱状晶粒的取向分布使得焊缝内部呈现明显的非                             算机领域的 Dijkstra 算法和 A 算法应用于焊缝声
                                                                                          ∗
             均匀性和各向异性，造成声束传播时的扭曲和变形。                           传播路径追踪，对算法的最佳参数和计算精度、计
             目前基于均匀介质模型的超声成像方法在奥氏体                             算时间进行了研究和比较。杨敬等                 [11]  对不同晶粒
             不锈钢焊缝缺陷检测时存在定位精度和成像分辨                             取向的多层焊缝模型进行了仿真，并基于步进法
             率的不足，无法满足奥氏体不锈钢焊缝检测的实际                            进行了全聚焦方法 (Total focusing method, TFM)
             要求。                                               成像模拟。Guo 等       [12]  结合 Ogilvy 焊缝模型、等效
                 为了提高超声检测应用于奥氏体不锈钢焊缝                           点源高斯声束模型和Dijkstra 算法，对钢 -奥氏体焊
             的检测精度，首先需要采用合适的物理模型描述                             缝-钢三层结构的辐射声场进行了计算，实现了声波
             焊缝的晶向分布，以描述焊缝内部声波的传播特                             在焊缝中的偏转和聚焦。半解析算法的优势在于能

             性。基于对奥氏体不锈钢焊缝实际晶粒取向分布                             够对任意介质中的声传播进行追踪，因此尤其适用
             特征的研究，国内外学者建立了多种不同的焊缝                             于复杂的各向异性介质场景，且能够对各种检查要
             模型。Silk  [1]  基于射线追踪方法建立了焊缝模型，                    求 (例如不同的换能器类型) 进行建模，快速计算出
             将焊缝及周围介质划分为晶粒取向相近的区域；                             声波的传播路径。
             Ogilvy [2−3]  建立了描述 V 形焊缝晶向结构的函数                      本文基于 Ogilvy 模型，建立非均匀各向异性焊
             模型，将焊缝作为晶粒方向连续的非均匀介质进行                            缝的物理模型，通过 Dijkstra 路径搜索算法，对该
             处理，并以此为基础开发了 RAYTRAIM 工具，用                        模型下的声波特性进行数值模拟和分析，预测声波
             于计算超声能量的传播路径；Moysan 等                [4]  开发了     在焊缝中的传播路径和传播时间，在此基础上结合
             MINA模型，能够结合显微观察结果，运用晶体生长                          TFM 成像方法对焊缝缺陷进行成像检测实验。本
             机理、电子背散射衍射 (EBSD)、X 射线分析等多种                       文的方法能够修正基于均匀介质模型的焊缝缺陷
             技术对晶粒取向做出预测，而无需建立完整物理模                            定位精度和成像分辨率问题，为奥氏体不锈钢钢焊
             型；Spies [5]  通过高斯声束模型计算了非均匀各向异                    缝成像检测提供一种新的可行方法。
             性介质中单个换能器产生的超声声场，通过多层均
             匀介质和界面反射/折射来模拟各向异性。                               1 基本理论
                 基于焊缝的物理模型，可以对焊缝中的声波
             动力学行为进行模拟计算，对焊缝中的声波传播                             1.1  Ogilvy焊缝模型
             及其与缺陷的相互作用关系进行研究。1995 年，                              Ogilvy 通过对 V 型焊缝宏观金相图的研究，得
             Fellinger 等  [6]  将电磁学领域中的弹性动力学有限                 出焊缝晶向分布的以下特征：
             积分技术 (Elastodynamic finite integration tech-           (1) 沿焊缝中心的长晶粒轴接近垂直；
             nique, EFIT) 应用于无损检测领域，对二维各向                          (2) 对于两个倾斜边界平面处于相等且相反角
             同性和各向异性场景进行了讨论并给出了数值结                             度的焊缝，在穿过焊缝中心的 “垂直” 平面中存在近
             果。Halkjær 等   [7]  结合 Ogilvy 焊缝模型和 EFIT 方         似反射对称性；
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