第2章 激光熔覆再制造毛坯材料缺陷超聲檢測數值模擬

再制造過程是對報廢零部件尺寸恢復以及性能恢復或提升的過程。由于再制造毛坯大多是表面發生了磨損、腐蝕或內部有缺陷、損傷的報廢零部件，毛坯的損傷程度，內部缺陷的類型、大小及分布狀況，在再制造之前一般并不確切知道。因此，對再制造毛坯進行檢測與評價，是進行現代化再制造的首要前提。超聲檢測技術憑借其技術優勢，已成為再制造毛坯質量檢測與評價的有效手段，評價結果可靠與否非常關鍵，它直接關系到用戶對再制造產品的信心及再制造產業的推廣。

超聲檢測技術中的三大關鍵問題是缺陷的定位、定性和定量評價，迄今為止，在對缺陷的定位和定量評價方面已經取得了很大進展，并逐步趨于成熟和完善。例如，在缺陷的定位評價方面，可以依據A掃描曲線，確定缺陷與探頭發射位置的直線距離（沿著聲束傳播方向），依據B掃描圖像，確定缺陷在與聲束傳播方向平行的平面內的投影位置，依據C掃描圖像，確定缺陷在與聲束傳播方向垂直的平面內的投影位置。在缺陷的定量評價方面，主要有當量法、底波高度法和測長法等，當量法和底波高度法適用于缺陷尺寸小于聲束截面的情況，測長法適用于缺陷尺寸大于聲束截面的情況。這些研究成果對保證產品零部件質量的安全使用具有重大作用。但是在缺陷的定性評價（類型識別）方面仍然面臨著不少困難，這主要是由于在實際檢測過程中，缺陷的幾何形狀、位置取向、表面粗糙度、內含物以及相對于超聲波傳播方向的長度、厚度，檢測時使用的超聲檢測系統特性及其采集到信號的顯示方式都會影響缺陷反射波的特性，因此，超聲檢測時采集到的缺陷反射波是一個綜合響應，采用常規的檢測技術難以將上述各因素從綜合響應中逐一分離出來，給缺陷的定性評定帶來了困難。

超聲檢測缺陷的定性評價，目前采用的方法（如波形判斷法、相位分析法、動態回波法、底波高波損失法）主要是以A掃描信號時域波形的細微差別為依據。這種判定方法很大程度上依賴于檢測人員的經驗、技術水平以及對特定產品的特性、制造工藝的了解程度，其局限性顯而易見。通過超聲成像獲得缺陷的幾何輪廓形狀雖然能夠實現對缺陷類型的判定，但全局超聲掃描和數據合成過程耗時較長，無法滿足對實時性要求高的在線檢測需要。非成像式超聲檢測缺陷類型判定方法實時性較高，但準確性和可推廣性有待進一步提高。對再制造零件及毛坯進行超聲檢測時，缺陷類型判定不準確，會將一些具有危險性缺陷（如擴展性裂紋）的產品判定為合格品，直接威脅再制造產品的使用安全。因此，提高非成像式超聲檢測缺陷類型判定方法的準確性和可推廣性非常必要。這種缺陷識別方法通過提取超聲檢測回波信號的特征參數，分析特征參數與缺陷之間的對應關系判別缺陷類型。因此，建立超聲檢測數學模型，模擬超聲檢測過程中材料內部不同類型缺陷的散射波場，探索超聲波聲場與缺陷相互作用的規律，分析探頭接收到的缺陷回波信號與缺陷之間的對應關系是解決問題的關鍵。

固體介質的波動方程是超聲波在再制造毛坯材料中傳播時遵循的一般規律，毛坯材料中的異質性界面（如各類缺陷）與超聲波聲場相互作用的規律是通過波動位移場來體現的。采用有限元法模擬超聲檢測過程時，根據固體介質中波動方程滿足的邊界條件和初始條件，對其進行求解，就可以得出波動位移場。因此，本章將結合固體介質的波動方程及其有限元求解，介紹超聲檢測有限元模型的建立，利用所建立的模型，研究激光熔覆再制造毛坯材料中超聲波的聲場特征和傳播規律，探索超聲波聲場與不同類型缺陷相互作用的規律，為實現缺陷定性評價結果的準確性、可推廣性奠定堅實的理論基礎。