起重机械金属气孔缺陷红外热波检测仿真探究

焊接缺陷按特征主要划分为

裂纹、气孔、夹渣、未融合和未焊透、烧穿和变形等六类主要缺陷。焊接气孔是较为常见的缺陷，红外热像检测机理决定其对气孔类缺陷检测的优越性和有效性。鉴于红外热像法在焊缝缺陷检测中的应用还很少见，故本文以气孔缺陷为研究对象，利用workbench建立焊缝气孔缺陷的红外热像检测三维瞬态热力学分析模型，从缺陷定性和定量分析的角度，研究激励方式及激励参数的选取对焊缝缺陷表面温度的影响规律，为实际工程应用中焊缝缺陷的红外热像检测提供可靠的检测依据。

建模以及划分网格

采用脉冲激励方式，主要分为两个过程，主动加热和自然冷却过程，持续时间为5s。
 

主动加热过程

在0~0.02s内，对试件缺陷表面连续施加热流密度为40000W/m²的脉冲热流，脉冲宽度为20ms，由于脉冲时间较短，为了提高求解精度故应设置较小的载荷子步，此处设步长为0.0004s。自然冷却过程：在0.02~5s 内，删除脉冲热流载荷，此时试件表面与环境空气之间产生对流作用，由于对流时间相对较长，温度变化较为缓慢，故载荷子步步长设为0.1s即可。结果如图所示：

利用ANSYS Workbench瞬态热力学模块对整个热波检测过程进行了模拟，记录了0~5s内试件表面的温度场变化。不同时间区间获取的脉冲红外序列图像如图所示。图中显示了不同深度的缺陷表面温度随时间的变化，由于脉冲时间极短，能量较大，因此试件表面温度上升比冷却速率快。随着时间的推移，热波在试件内传播并扩散到环境中，试件表面温度在5秒时趋于平衡。由图可知深度最浅的缺陷首先在热序列图片中显示出来，是因为距离表面深度最浅的缺陷首先会因为其热导率低，影响热波在材料内部的传播，故深度浅的缺陷表面温度较高，温差大；而缺陷深度较大的地方，其对热波影响较晚且不明显，表面温度较小，温差较小，因此红外热像仪对较深的缺陷检测效果不佳。

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