LY12硬鋁合金損傷缺陷的空氣耦合超聲檢測(cè)

王興國(guó) 吳文林 陳正林 吳南星

景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，景德鎮(zhèn)，333403

LY12硬鋁合金損傷缺陷的空氣耦合超聲檢測(cè)

王興國(guó) 吳文林 陳正林 吳南星

景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，景德鎮(zhèn)，333403

針對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)(液態(tài)或半固態(tài)耦合劑)會(huì)腐蝕被測(cè)材料的問(wèn)題，提出了一種空氣耦合超聲檢測(cè)LY12 硬鋁合金內(nèi)部缺陷的方法。利用傳遞矩陣法建立了空氣耦合超聲波在LY12 硬鋁合金中的聲控制方程，通過(guò)求解該方程獲得了空氣耦合條件下的頻散曲線，與存在耦合劑的情況相比，該頻散曲線的各個(gè)模態(tài)整體右移，從而為空氣耦合超聲實(shí)驗(yàn)提供了合適的檢測(cè)參數(shù)。通過(guò)分析LY12 硬鋁合金薄板上不同孔徑缺陷獲得的時(shí)域波形發(fā)現(xiàn)，透射波幅值隨缺陷直徑增大呈逐漸減小的趨勢(shì)。

硬鋁合金LY12;超聲檢測(cè)；空氣耦合；頻散曲線

0 引言

由于航天航空、精密機(jī)械等領(lǐng)域?qū)χ圃觳牧系闹亓?、成本及可靠性的?yán)格要求，高強(qiáng)度、耐磨損及高化學(xué)穩(wěn)定性的LY12 硬鋁合金成為代替鋼材的關(guān)鍵材料[1-4]。LY12 硬鋁合金在實(shí)際使用過(guò)程中受到工作環(huán)境的影響，因而性能下降，直接影響安全性和可靠性，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的安全服役造成了極大威脅[5-6],因此，對(duì)LY12 鋁合金無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究具有重大意義。

超聲檢測(cè)技術(shù)是材料缺陷無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的最為有效、安全的方法之一[7]。傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)常使用的液態(tài)或半固態(tài)耦合劑會(huì)嚴(yán)重腐蝕LY12 硬鋁合金，甚至導(dǎo)致零件直接報(bào)廢。

LY12硬鋁合金材質(zhì)的零件處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)或高溫狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)的接觸式超聲波檢測(cè)就顯得無(wú)能為力[8-10]。非接觸式空氣耦合超聲檢測(cè)以空氣為聲耦合介質(zhì)，具有非接觸、無(wú)換能器磨損、非浸入等優(yōu)點(diǎn)，避免了耦合劑二次污染材料的缺陷[11-13]，已成為超聲檢測(cè)的新方法[14]。近年來(lái)，非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)得到許多學(xué)者的關(guān)注[15-18]，而研究空氣耦合超聲在LY12硬鋁合金材質(zhì)中的傳播特性，以及利用其傳播特性檢測(cè)LY12硬鋁合金內(nèi)部缺陷的方法卻很少有報(bào)道。

本文通過(guò)研究聲波在LY12 硬鋁合金材質(zhì)中的傳播頻散特性和聲波各模態(tài)入射角與頻率之間的關(guān)系，得到激發(fā)各模態(tài)的聲波最佳入射角和相應(yīng)頻率，最后通過(guò)空氣耦合超聲實(shí)驗(yàn)方法，獲得了直徑分別為1 mm、2 mm、…、9 mm圓形缺陷及無(wú)缺陷時(shí)的時(shí)域波形，分析了聲波對(duì)不同直徑圓孔缺陷的敏感性。

1 空氣耦合超聲波傳播頻散特性的數(shù)學(xué)模型

圖1為層狀介質(zhì)穿透式空氣耦合超聲檢測(cè)的傳播示意圖，一束平面波以不同的入射角斜入射到兩種不同介質(zhì)分界面時(shí)，聲波在y=0處發(fā)生反射和透射。聲波繼續(xù)傳播到下一界面y=d處時(shí)，再次發(fā)生反射和透射。其中，第一層介質(zhì)為空氣，第二層介質(zhì)為被測(cè)介質(zhì)(密度為ρ，拉梅常數(shù)為λ、μ)，第三層介質(zhì)為空氣。pi1、pr1分別為第1層聲波的入射聲壓和反射聲壓；pi2、pr2分別為第2層聲波的入射聲壓和反射聲壓；pr3為第3層聲波透射聲壓；θ1、θ2分別為第1層、第2層的聲波入射角；θ3為第三層聲波透射角；被測(cè)介質(zhì)厚度為d。

圖1 空氣耦合超聲層狀介質(zhì)傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of wave propagation of air coupling ultrasonic in layered medium

第一層介質(zhì)聲壓p1和質(zhì)點(diǎn)速度v1分別為

(1)

第二層介質(zhì)聲壓p2和質(zhì)點(diǎn)速度v2分別為

(2)

由于在第三層介質(zhì)中只有透射波，因此B3=0。該層介質(zhì)聲壓p3和質(zhì)點(diǎn)速度v3分別為

(3)

(4)

根據(jù)邊界條件(式(4))得到線性方程組，將其寫(xiě)成矩陣形式：

(5)

可以將式(5)改寫(xiě)成Ax=0的形式，其中，A為6階方陣，x為的6×1矩陣，方程有解的充要條件為

|A|=0

(6)

根據(jù)式(6)可以得到空氣耦合超聲波在單層介質(zhì)中的聲傳播頻散特性方程。

2 空氣耦合超聲的頻散特性

本文以單層LY12 鋁合金板作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，表1給出了LY12 鋁合金板和空氣的物理聲學(xué)參數(shù)[19]。

表1 航空鋁合金板LY12和空氣的物理聲學(xué)參數(shù)

分析式(5)、式(6)可以獲得空氣耦合超聲波在單層LY12鋁合金板中的相速度和群速度的頻散曲線，如圖2、圖3所示，其中，cs為聲波在介質(zhì)中的橫波速度，cg為群速度，c為相速度。從圖2中可以看出，空氣耦合條件下的頻散曲線與存在耦合劑的頻散曲線具有較大的區(qū)別，空氣耦合下頻散曲線的各個(gè)模態(tài)整體向右移動(dòng)。另外，存在耦合劑時(shí)，聲波在單層LY12鋁合金板中的相速度頻散曲線出現(xiàn)較多模態(tài)。這是由于空氣耦合條件下，聲波穿透空氣介質(zhì)時(shí)只能以縱波入射，而存在半固態(tài)耦合劑時(shí)，入射聲波有縱波和橫波兩種形式，在LY12鋁合金板中發(fā)生更多的模態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)頻率小于1 MHz時(shí)，存在耦合劑時(shí)的聲波頻散曲線出現(xiàn)了4種模態(tài)，空氣耦合下的聲波頻散曲線出現(xiàn)了3種模態(tài)。同時(shí)，S1、A1以上模態(tài)均存在截止頻率，且S1模態(tài)截止頻率大于A1模態(tài)截止頻率。

圖2 相速度的頻散曲線
Fig.2 Phrase velocities dispersion curve

(a)對(duì)稱模態(tài)

(b)反對(duì)稱模態(tài)

圖3 群速度的頻散曲線Fig.3 Group velocities dispersion curve

根據(jù)公式sinθ=cl/c，可得空耦換能器各個(gè)模態(tài)入射角度與頻厚積之間的關(guān)系，具體如圖4所示。從圖4中可以看出，當(dāng)頻率大于5 MHz時(shí)，S0、A0兩種模態(tài)消失。除了A0和S0模態(tài)之外，其他模態(tài)都存在截止頻率。由于有些模態(tài)在同一頻厚積處的群速度相當(dāng)接近，導(dǎo)致空氣耦合下的聲波在傳播過(guò)程中兩群速度相近的模態(tài)可能相互轉(zhuǎn)換，所以盡量避免將易發(fā)生模式轉(zhuǎn)換的頻厚積作為缺陷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。從圖3中可以看出，當(dāng)頻厚積小于0.5 MHz·mm時(shí)，只存在A0、S0模態(tài)，且A0模態(tài)在單層板中傳播具有較大的離面位移，更容易被激發(fā)[20]，所以激發(fā)A0模態(tài)來(lái)檢測(cè)LY12 鋁合金板不同孔徑缺陷。從圖4中可以看出，當(dāng)頻率為0.4 MHz時(shí)，激發(fā)A0模態(tài)對(duì)應(yīng)的入射角為16°。該組參數(shù)可以作為空氣耦合超聲檢測(cè)較為合適的參數(shù)。

圖4 頻厚積和入射角度之間的關(guān)系Fig.4 Relation between frequency-thickness and incident angle

3 超聲檢測(cè)

3.1實(shí)驗(yàn)裝置及檢測(cè)參數(shù)

圖5所示為L(zhǎng)Y12 鋁合金板材料空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、超高功率超聲激勵(lì)接收裝置、空氣耦合聚焦超聲換能器、前置放大器、被測(cè)材料LY12 鋁合金板等構(gòu)成。其中，空氣耦合超聲發(fā)射接收卡由Japan Probe公司生產(chǎn)，型號(hào)為JPR-10CN；空氣耦合聚焦超聲換能器的中心頻率為0.4 MHz，聚焦半徑為40 mm，采集頻率為10 MHz；換能器的發(fā)射電壓為600 V，接收信號(hào)增益為60 dB。以對(duì)向檢測(cè)形式將發(fā)射與接收換能器分別置于被測(cè)材料LY12 鋁合金板的同側(cè)。LY12 鋁合金板的尺寸為600 mm×600 mm×1 mm，在板的中心線處加工了直徑依次為1 mm、2 mm、…、9 mm的9個(gè)圓通孔，圓通孔間隔為40 mm。換能器中心線間距過(guò)大導(dǎo)致接收信號(hào)衰減增大，不利于信號(hào)的提取與分析，所以將換能器中心間距L分別設(shè)置為70 mm、100 mm進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖5 非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Non-contact air coupling ultrasonic testing system

3.2結(jié)果與分析

選取超聲換能器中心頻率f=0.4 MHz，發(fā)射與接收換能器中心的間距L=70 mm，被測(cè)板材缺陷直徑分別為1 mm、2 mm、…、10 mm及無(wú)缺陷。由于篇幅的原因，本文只給出了缺陷直徑分別為1 mm、3 mm、6 mm、8 mm、10 mm及無(wú)缺陷的檢測(cè)時(shí)域波形，具體見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，接收到的時(shí)域信號(hào)中存在通過(guò)被測(cè)介質(zhì)的透射波，透射波的幅值隨缺陷孔徑的增大而逐漸減小。這是由于聲波經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，聲波信號(hào)將發(fā)生反射、透射及模態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，聲波在缺陷處產(chǎn)生更大的衰減。因此，在無(wú)缺陷或缺陷較小時(shí)， LY12鋁板中傳播的透射波幅值反而更大。

(a)無(wú)缺陷 (b)1 mm缺陷 (c)3 mm缺陷

(d)6 mm缺陷 (e)8 mm缺陷 (f)10 mm缺陷圖6 不同缺陷的時(shí)域波形(f=0.4 MHz，L=70 mm)Fig.6 Time domain waveform of the different defects(f=0.4 MHz，L=70 mm)

圖7給出了中心頻率為0.4 MHz，換能器中心間距L=100 mm，缺陷直徑分別為1 mm、3 mm、6 mm、8 mm、10 mm及無(wú)缺陷的時(shí)域波形。由圖7可以看出，缺陷直徑增大時(shí)，透射波的幅值均逐漸減小。這與換能器中心的間距L=70 mm時(shí)，缺陷與幅值的關(guān)系相似，即透射波的幅值隨缺陷孔徑的增大而逐漸減小。圖8給出了超聲換能器間距分別為70 mm和100 mm時(shí)幅值與缺陷直徑關(guān)系。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換能器間距從70 mm增加到100 mm時(shí)，在相同缺陷條件下，透射波的幅值均明顯減小。這主要是由于換能器中心距離增大后導(dǎo)致了聲波更大程度的衰減。

(a)無(wú)缺陷 (b)1 mm缺陷 (c)3 mm缺陷

(d)6 mm缺陷 (e)8 mm缺陷 (f)10 mm缺陷圖 7 不同缺陷的時(shí)域波形(f=0.4 MHz，L=100 mm)Fig.7 Time domain waveform of the different defects(f=0.4 MHz，L=100 mm)

4 結(jié)論

(1)空氣耦合超聲在LY12硬鋁合金中傳播的頻散特性曲線與傳統(tǒng)存在耦合劑的頻散曲線有較大差別：空氣耦合下頻散曲線的各個(gè)模態(tài)整體向右移動(dòng)；頻率大于5 MHz時(shí)，S0、A0兩種模態(tài)消失。存在耦合劑的聲波在單層LY12 鋁合金板中的相速度頻散曲線出現(xiàn)較多模態(tài)。

圖8 幅值-缺陷直徑關(guān)系(f=0.4 MHz)Fig.8 Relationship between signal amplitude and defect diameter(f=0.4 MHz)

(2)空氣耦合超聲圓孔缺陷檢測(cè)中，透射波的幅值隨著缺陷直徑變大均逐漸減小，當(dāng)距離L更小時(shí)，接收到的透射波能量更大?？梢愿鶕?jù)超聲換能器距離變化量與接收到的信號(hào)在時(shí)間橫軸上變化量的比值，計(jì)算信號(hào)的群速度，根據(jù)群速度曲線可以推算信號(hào)的模態(tài)。

[1] 高桂麗，李大勇，董靜薇，等.基于非線性時(shí)間反轉(zhuǎn)聲學(xué)的LY12板材裂紋識(shí)別[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(3)：395-399.

GAO Guili, LI Dayong, DONG Jinwei, et al. Identifying Cracks in LY12 Aluminum Alloy Plates Based on Nonlinear Time Reversal Acoustics[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(3):395-399.

[2] 楊德明，潘進(jìn)，卓鉞，等.SiCf+p/LY12復(fù)合材料口蓋板的制備與結(jié)構(gòu)剛度[J].宇航學(xué)報(bào)，1999(1)：99-103.

YANG Demin, PAN Jin, ZHUO Yue, et al.Preparation and Structural Stiffness of Hybrid SiC Reinforced Aluminum Composite Hatch Cover Plate[J]. Journal of Astronautics, 1999(1): 99-103.

[3] 黃光杰，張澤娟，王運(yùn)雷，等.國(guó)內(nèi)LY12與國(guó)外2024鋁合金板材的組織與力學(xué)性能[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35(增1)：160-165.

HUANG Guangjie, ZHANG Zejuan, WANG Yunlei, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Domestic LY12 and Foreign 2024 Aluminum Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment，2014, 35(S1):160-165.

[4] 顏丙生，張士雄. LY12鋁合金疲勞損傷的非線性超聲檢測(cè)[J].航空材料學(xué)報(bào)，2012，32(2)：93-98.

YAN Bingsheng, ZHANG Shixiong. Using Nonlinear Ultrasonic Test for Fatigue Damage of LY12 Aluminum Alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials 2012, 32(2): 93-98.

[5] 林翠，蔡劍，曾豐光，等.LY12鋁合金化銑工藝及加工質(zhì)量影響因素[J]. 失效分析與預(yù)防，2010(1)：8-12.

LIN Cui, CAI Jian, ZENG Fengguang, et al. Chemical Milling Technology and Influence Factors of Processing Quality of LY12 Aluminum Alloy Failure Analysis and Prevention[J]. Failure Analysis and Prevention, 2010(1): 8-12.

[6] 曾偉，王海濤，田貴云，等.基于能量分析的激光超聲波缺陷檢測(cè)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35(3)：650-655.

ZENG Wei, WANG Haitao, TIAN Guitian, et al. Research on Laser Ultrasonic Defect Signal Detection Technology Based on Energy Analysis[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(3):650-655.

[7] 徐曉東.超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁健康狀況評(píng)定中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008：56-60.

XU Xiaodong. Application Study of Ultrasonic Nondestructive Testing Technique in Bridge Health Condition Assessment[D]. Changchun：Jilin University, 2008: 56-60.

[8] 吳斌，崔辰悅，張也弛，等.Lamb波在對(duì)接焊縫中的傳播特性及影響因素[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，22(4)：818-829.

WU Bin, CUI Chenyue, ZHANG Yechi, et al. Propagation Characteristics of Lamb Wave and Affected Factors in Butt Welds[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2014, 22(4): 818-829.

[9] BLANME E, BULCAEN D, DECLERCQ F, et al. Air-coupled Ultrasonic Evaluation of Coated Textiles[J]. IEEE Ultrasonics Symposium, 2002(1)：757-760.

[10] 王興國(guó)，?？〗埽瑔斡⒋?，等.超聲回波信號(hào)檢測(cè)橡膠薄層的特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(10)：114-117.

WANG Xinguo, CHANG Junjie, SHAN Yingchun. Testing of Characteristic of Rubber Thin Layer by Ultrasonic Echo Signal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(10): 114-117.

[11] WANG Xinguo, CHANG Junjie, SHAN Yingchun., et al. Measurement of Attenuation of Ultrasonic Propagating through the Thin Layer Media with Time Delay Spectrum[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010,23(1)： 129-134.

[12] 董正宏，王元?dú)J，李靜.航天復(fù)合材料空氣耦合式超聲檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(2)：79-84.

DONG Zhenghong, WANG Yuanqin, LI Jin. Application and Research on Air-coupled Ultrasonic Testing for Aerospace Composite Materials[J]. Journal of the Academy of Equipment Command & Technology, 2007(2): 79-84.

[13] SUKMANA D D, IHARA I. Surface Roughness Characterization through the Use of Diffuse Component of Scattered Air Coupled Ultrasound [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2006, 45(5B)：4534-4540.

[14] 周正干，魏東.空氣耦合式超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，21(3)：4-5.

ZHOU Zhenggan, WEI Dong. Progress of Air-coupled Ultrasonic Non-destructive Testing Technology[J]. Journal of Nanchang Hangkong University(Natural Science), 2007, 21(3):4-5.

[15] 崔治，彭楚武.空氣耦合式超聲檢測(cè)在航空無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)，2010，32(6)：1-2.

CUI Zhi, PENG Chuwu. The Application of Air-coupled Ultrasonic Technique in Aviation Non-destructive Testing[J]. Nondestructive Test, 2010, 32(6):1-2.

[17] 劉磊，楊揚(yáng)，潘永東，等.空氣耦合層狀復(fù)合材料的聲傳播研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(1)：1-7.

LIU Lei, YANG Yang, PAN Yongdong, et al. The Study of Wave Propagation in the Air-coupled Composite Laminate[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2014，35(1): 1-7 .

[18] 王興國(guó)，陳正林，吳南星，等.氮化硅陶瓷彈性模量的空氣耦合超聲檢測(cè)[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24(5)：1056-1064.

WANG Xinguo, CHEN Zhenglin, WU Nanxing, et al. Elastic Modulus Measurement of Si3N4Ceramics Based on Air-coupled Ultrasonic Testing [J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2016, 24(5): 1056-1064.

[19] 陳正林，肖任賢，王興國(guó)，等.氮化硅陶瓷的空氣耦合超聲縱波傳播特性研究[J]. 陶瓷學(xué)報(bào)，2015，36(4)：405-409.

CHEN Zhenglin, XIAO Renxian, WANG Xinguo, et al. The Propagation Characteristics of Si3N4Ceramics Based on the Air-coupled Ultrasonic Testing[J]. Journal of Ceramics, 2015, 36(4): 405-409.

[20] 常俊杰，盧超，小倉(cāng)幸夫.非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)原理及應(yīng)用研究[J]. 無(wú)損探傷，2013，37(4)：1-2.

CHANG Junjie, LU Chao,YUKIO O. Test Principle and Application Research of Noncontact Air Coupling[J]. Nondestructive Test, 2013, 37(4):1-2.

Air-couplingUltrasonicTestingofDefectsinLY12DuraluminAlloys

WANG Xingguo WU Wenlin CHEN Zhenglin WU Nanxing

School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen,Jiangxi,333403

To deal with problems of traditional ultrasonic testing by liquid or semi-solid couplant caused corrosions of tested materials, a method of air coupling ultrasonic testing for duralumin LY12 defects was proposed. An air coupling ultrasonic control equation for the duralumin LY12 was established by transfer matrix method. Dispersion characteristic curves of ultrasonic wave propagation were obtained due to solve this equation. These results show that all the models shift toward right by comparison with that of existing conventional couplant. The results provide suitable parameters for the air coupling ultrasonic testing. Through analyzing time domain signals of different defects in the LY12 duralumin alloys, it may be obtained that transmission wave amplitude decreases with the increases of defect diameters.

LY12 duralumin alloy; ultrasonic testing; air coupling; dispersion curve

TB553

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.012

2016-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51565020，51305184)；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20171BAB206032)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ150925)

(編輯張洋)

王興國(guó)，男，1980年生。景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)椴牧闲阅艿臋z測(cè)與評(píng)價(jià)。發(fā)表論文20余篇。E-mail: xgwang@yeah.net。吳文林，男，1985年生。景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院碩士研究生。陳正林，男，1988年生。景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院碩士研究生。吳南星，男，1968年生。景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院教授。