SH导波在钢板缺陷检测中的传播特性

刘素贞，刘亚洲，张闯，金亮



SH导波在钢板缺陷检测中的传播特性

刘素贞1，刘亚洲1，张闯1，金亮2

(1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建实验室，天津300130；2.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室，天津300387)

水平剪切(Shear Horizontal，SH)导波在传播的过程中有对称模式和反对称模式，其相速度和群速度主要取决于试件的厚度和频率之积(频厚积)。利用COMSOL有限元分析软件，建立了钢板缺陷的3-D模型，仿真分析了SH0导波在钢板中的传播特性。仿真结果表明SH波在传播过程中很少发生波束方向的改变，无频散和模式转换，信噪比高。利用电磁超声方法激励SH波，对钢板中的裂纹和焊缝缺陷进行了实验，验证了仿真结果的正确性及可行性，为超声导波在板材缺陷检测中的应用提供基础。

导波；频散；模式转换；传播特性；焊缝缺陷

0 引言

超声导波主要包括兰姆(Lamb)波和水平剪切(Shear Horizontal，SH)波，超声导波在薄的管材或者板材的表面和内部都存在振动，声场遍及整个试件中，因此利用导波可以检测试件内部和表面的缺陷。由于在板材的制造过程中不可避免的出现裂纹、腐蚀以及焊接过程中的缺陷，这些缺陷的存在会使结构的强度和稳定性能急剧下降。因此,对于此类缺陷的检测显得至关重要。

在焊缝板材缺陷检测中，由于焊缝余高的存在，使焊缝区域的缺陷很难检测，而且由于焊缝区域的各向异性和衰减的特性，增加了焊缝缺陷检测的难度。对于此类缺陷，Lamb波在检测的过程中会发生模式转换和频散，并且在不同的缺陷之间会发生复杂的相互作用。而SH波在传播过程中很少发生波束方向的改变、频散、衰减以及模式转换。正是由于导波的这些特性，使SH导波非常适合板材焊接缺陷以及裂纹、腐蚀类缺陷的检测[1-3]。

SH导波因其检测范围大、衰减小、效率高，近年来受到了国内外无损检测学者越来越多的关注。Remo Ribichini对电磁超声换能器(ElectroMAgnetic ultrasonic Transducer，EMAT)装置产生SH导波的效率做了理论和实验分析，并进行了比较研究[4-5]。P A Peter等人利用水平剪切波不发生频散和模式转换的特性，实现了对奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的检测[6]。Rymantas Kazysz利用有限元软件对SH导波进行了仿真，分析了频宽比的增加对导波模态的影响[7]。国内对超声导波的研究比较晚，北京工业大学的何存富等人先后分析了导波的频散特性及多模态特征，讨论了根据导波激励频率合理采用传感器排布方式实现对频散现象抑制的方法[8]。同济大学王军等基于金属材料各向异性板中SH波理论，推导了在静应力作用下，与应力平行方向和垂直方向SH波的频散方程以及金属薄板中SH波的波速与应力的关系[9]。上海交通大学张志钢等人对SH波在弹性层中的特性进行了分析，研究了利用电磁超声方法激励SH板波以及模式选择的方法[10]。

本文主要利用COMSOL有限元分析软件，建立了钢板缺陷的模型，分析了SH0导波在钢板缺陷中的传播特性；通过后处理器查看某节点的位移时间曲线，对导波的传播速度和频散特性进行了研究；分析了导波的频散特性。通过电磁超声激励SH0导波，并对仿真结果进行了实验验证。

1 SH导波的波结构和模态分析

在板层结构中除了存在Lamb波外，还存在SH波。由任何模态SH波引起的质点振动(位移和速度)位于平行于层面的平面中，如图1所示，传播方向沿方向，质点振动方向沿方向。

图1 SH波的传播示意图

对于SH模态，认为只有当方向上位移不为零时，位移场可以表示为

式(2)可以分解为

其中，代表对称模态，代表反对称模态。在两种模态的传播过程中，板的上下面为自由表面。由参考文献[12]可以解得频散方程：

将以上频散方程化简，显示解可以表示为

由式(2)中定义的、、T，频散方程可以写为

定义频厚积的函数(=2)：

式中，p为相速度；g为群速度。

通过解方程(6)、(7)可得出钢板SH导波的相速度和群速度，其频散曲线[12]如图2、3所示。

图2 钢板中SH导波相速度频散曲线

图3 钢板中SH导波群度频散曲线

(a) SH0波结构    (b) SH1波结构

(c) SH2波结构    (d) SH3波结构

图4 SH导波波结构示意图

Fig.4 Schematic diagram of SH-wave structure

由频散曲线和波结构可知，SH导波波结构简单，只有方向的位移，并且存在对称模式和反对称模式。当=0时，对于零阶SH0模式导波在传播过程中模式比较纯净，不会发生频散和模式转换，因此在无损检测中具有很大的应用价值，尤其在焊缝缺陷的检测中具有很大优势。

2 SH导波的数值仿真及结果分析

2.1 SH导波的建模以及在钢板中的传播特性分析

图5 激励函数波形

图6 无缺陷钢板示意图

通过后处理器查看任意时刻质点的导波传播状态，其位移云图如图7所示。

由导波的传播过程可知，SH0导波在传播过程中模式比较纯净，很少发生波束的改变，无频散和多模态现象。取质点1(150，50，1.5)、质点2(250，50，1.5)，由后处理器得到质点的位移时间曲线如图8所示。

根据两质点之间的位移差，以及波形传播到两质点所用的时间，可以计算出SH波的传播速度。仿真速度和理论速度的比较见表1。

(a)=29.5 us时刻导波位移云图

(b)=72.5 us时刻导波位移云图

图7 导波传播过程中的位移云图

Fig.7 The displacement contours of the guide wave propagation

图8 质点的位移随时间变化曲线

表1 导波仿真速度分析

由以上结果可知，仿真得到的SH0导波的速度和频散曲线计算得到的速度误差很小，验证了仿真结果的正确性。

2.2 SH导波在钢板裂纹检测中的仿真分析

裂纹缺陷是钢板中常见的一种缺陷，建立钢板缺陷的三维有限元模型。钢板尺寸为100 mm×300 mm×3 mm，在距离钢板始端200 mm处，设置一横向裂纹，尺寸为30 mm×1 mm×1.5 mm，施加和2.1节相同的激励条件，研究导波的传播过程，其位移云图如图9所示。

(a)=35.3 us时刻导波位移云图

(b)=97.7 us时刻导波位移云图

图9 导波在裂纹缺陷中的传播位移云图

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

由导波的传播位移云图，可知SH导波在传播的过程中遇到裂纹缺陷后产生了反射和透射现象，并无频散现象和模式转换。为了减少实验中传感器的数量，一般采用单发单收模式，利用回波反射法实现缺陷的识别和定位。在裂纹缺陷的一侧选取质点1(150，50，1.5)，由后处理器得质点1的位移时间曲线，如图10所示。

图10中第一个波包为直达波，第二个波包为缺陷回波，第三个波包为底部端面反射波。根据波速和传播的时间对缺陷进行定位分析，如表2所示。

表2 钢板裂纹缺陷分析

通过分析可以看出SH导波在钢板裂纹缺陷检测中可以实现对缺陷的检测，并能实现很好的定位。

图10 钢板存在裂纹情况下质点1的位移时间曲线

2.3 SH导波在焊缝缺陷中的仿真分析

在焊缝缺陷中常见的缺陷主要包括内部缺陷和外部缺陷，由于焊接过程中余高的存在增加了焊缝内部缺陷检测的难度。由SH导波的传播特性可知，SH导波对表面光滑度要求不高，传播过程中无频散和模式转换。正是由于导波的这些特性，使SH导波非常适合焊缝缺陷的检测[13-14]。本文用有限元软件COMSOL建立了钢板对接焊缝缺陷的3-D模型，焊缝缺陷模型如图11所示，焊接钢板尺寸为312 mm×100 mm×3 mm，焊缝区域的尺寸为12 mm ×3 mm×100 mm，焊缝余高为1.5 mm，焊缝内裂纹尺寸为20 mm×1 mm×2 mm。采用与2.1节相同的激励载荷，激励频率取200 kHz。

对建立的模型进行网格划分，并设置瞬态求解器、时间步长。选取质点1(50，100，1.5)。通过后处理器查看导波的传播过程，图12为某一时刻，导波传播经过焊缝缺陷区域的位移云图。

从导波传播的过程可以看出，在导波传播到焊缝时，发生了反射和透射，即由于焊缝区域余高的存在，并没有对导波的传播过程产生很大的影响。正是由于导波独特的优势使其在无损检测领域的研究变得非常有意义。质点1的位移时间曲线如图13所示。

图11 焊缝缺陷模型

图12 t=97.3 us时导波位移云图

通过观察选取质点的位移时间曲线，可以检测到焊缝中缺陷的存在，正是由于SH导波独特的传播形式，使其在焊缝缺陷检测中，能够避免焊缝余高产生的回波对缺陷回波的干扰，使回波信号更加纯净，提高了信噪比。

图13 钢板存在焊缝情况下质点1的位移时间曲线

3 实验验证

3.1 钢板缺陷检测实验

电磁超声可以很方便地激励出各种导波，只需改变线圈结构和磁场方向即可。根据SH导波产生的原理，本实验激励传感器选用磁场方向平行于线圈中电流的方向，激励SH导波传感器结构如图14所示。

在铁磁性材料中，试件受到交变磁场的作用。质点由于磁致伸缩力的作用，产生平行于试件表面的剪切运动，质点的振动方向与传播方向垂直，激励传感器结构和接收传感器采用相同的结构。两传感器位于裂纹缺陷的同侧，试件尺寸为200mm×500 mm ×1 mm，裂纹尺寸为1 mm×20 mm×1 mm，如图15所示。

根据频散曲线和试件的厚度选取合适的激励频率，接收传感器接收到的电压如图16所示。

图14 激发SH导波的传感器结构示意图

图15 钢板裂纹检测传感器放置示意图

图16 接收传感器接收电压

根据传感器接受的电压波形图，对钢板中SH0导波的实际传播速度进行分析，结果如表3表示。由表3分析可知，利用电磁超声能够比较容易地激励出SH0导波，并且其传播速度和理论传播速度相差无几。本实验中在试件上定制一裂纹，传感器的布置方式如图15所示，并利用接收传感器接收到的电压波形对试件中存在的裂纹进行了估算，验证了SH0导波在钢板裂纹试件中检测的可行性。

表3 钢板裂纹缺陷分析

3.2 焊缝缺陷检测实验

本实验采用试件为200 mm×400 mm×2 mm的对接焊缝试块，在焊缝区域定制一裂纹缺陷，缺陷尺寸为1 mm×20 mm×1 mm，利用实验室现有的设备，制作传感器接收和发射探头，激励出电磁超声SH0导波。传感器放置布置如图17所示。

图17 焊缝缺陷检测传感器布置示意图

为了对整个焊缝区域进行缺陷的检测，将接收传感器沿A-B方向进行移动。在传感器移动的过程中，接收传感器端检测到的电压如图18所示。

通过检测接收传感器端的接收电压，当传感器位于非裂纹区域时，只能接收到端面回波，焊缝余高的存在对接收端电压几乎没有影响，如图18(a) 所示，当传感器探头移动到焊缝裂纹缺陷的区域时，可以看到有明显的缺陷回波存在，如图18(b)所示。验证了SH导波在焊缝缺陷检测中的可行性。

(a) 传感器在非裂纹处接收到的电压波形

(b) 传感器在裂纹处时接收到的电压波形

图18 传感器在扫描过程中接收到的电压波形

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

4 结论

本文建立了钢板裂纹缺陷和焊缝缺陷的有限元模型，对SH0导波在钢板中的传播过程进行了研究，得出如下结论：

(1) 通过计算仿真得出的SH0导波的速度和依据频散曲线计算得出的速度误差不大，并且在传播过程中模式比较纯净，无频散现象和模式转换。

(2) 通过对钢板缺陷的仿真，查看质点的位移时间历程曲线，得出SH导波在缺陷检测中的可行性。尤其在焊缝检测中，减少了焊缝余高的存在对反射回波的干扰，提高了信噪比。

(3) 通过实验对数值仿真结果进行了验证，得出SH导波能够实现对缺陷的检测和定位。

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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

国家自然科学基金(51307043)、河北省自然科学基金(E2016202260)、天津市自然科学基金(16JCYBJC19000)资助项目。

刘素贞(1969－), 女, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向为工程电磁场与磁技术等。

刘素贞, E-mail: szliu@hebut.edu.cn