針對金屬表面缺陷深度的激光超聲檢測研究*

李巧霞， 李海洋， 王召巴， 白 樺

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 首都航天機(jī)械公司， 北京 100076)

金屬作為零件的原材料， 廣泛應(yīng)用于生活中的各個領(lǐng)域. 在生產(chǎn)、 加工及使用過程中， 不均勻受力會導(dǎo)致金屬材料表面裂紋的滋生， 進(jìn)而對生產(chǎn)安全造成巨大的威脅. 為了確保零部件的可靠運(yùn)行， 對表面缺陷的檢測顯得十分必要.

目前， 國內(nèi)外對表面微裂紋的常規(guī)檢測方法有： 磁粉檢測[1]、 渦流檢測[2]及超聲檢測[3]. 磁粉檢測法對被檢測件的表面光滑度要求高， 只適用于鐵磁性材料的表面缺陷檢測. 渦流檢測法不適用于形狀復(fù)雜的零件， 只適用于導(dǎo)電材料的表面缺陷檢測且檢測結(jié)果易受材料本身及其它因素的影響. 這兩種方法在某些特殊情況， 諸如高溫等復(fù)雜環(huán)境下的在線測量， 遠(yuǎn)距離檢測等， 已不能滿足實(shí)際的工程需求. 而激光超聲檢測是新興的一種超聲檢測法， 具有頻帶寬， 波型豐富， 適用材料范圍廣， 可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測及復(fù)雜環(huán)境下的在線檢測[4]等優(yōu)點(diǎn)， 可以彌補(bǔ)磁粉檢測及渦流檢測的不足. 因此， 本文采用激光超聲檢測法實(shí)現(xiàn)對具有不同深度表面缺陷的檢測.

激光超聲技術(shù)是一門將激光技術(shù)與超聲學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科， 近年來得到迅速的發(fā)展. 國內(nèi)外學(xué)者對激光超聲應(yīng)用于金屬材料表面缺陷的檢測做了大量的研究. Mezil S[5]采用激光超聲非線性混頻法實(shí)現(xiàn)了對金屬材料損傷的參數(shù)評價； Jeong H[6]采用有限元方法分析了激光激發(fā)聲表面波與缺陷相互作用的傳播特性； 倪辰蔭[7]等人用有限元法分析了距離入射光斑邊緣不同位置的近場點(diǎn)垂直材料表面方向的位移及激光激發(fā)聲表面波模態(tài)變化的規(guī)律； 關(guān)建飛[8]等人利用有限元法分析了不同深度表面缺陷對聲表面波時域位移信號的影響； Soltani P[9]等人通過有限元仿真分析了激光參數(shù)上升時間及光束半徑對聲波的影響； Liu P[10]等人利用非線性特征檢測鋁板表面的微裂紋， 研究了嵌入維數(shù)和頻帶等參數(shù)對表面損傷可視化的影響. 然而， 針對金屬材料表面缺陷深度檢測的實(shí)驗(yàn)研究很少， 這方面仍有許多問題值得深入分析.

因此， 本文通過搭建激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位， 實(shí)現(xiàn)對聲表面波在不同深度表面缺陷處的傳播特性的定量分析， 并提出利用透射表面波與直達(dá)表面波的幅值之比來檢測缺陷深度的方法， 本文的研究成果為推廣激光超聲檢測技術(shù)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 激光超聲基本理論

激光輻照到材料表面， 材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能， 熱能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 產(chǎn)生熱應(yīng)力. 熱應(yīng)力以瞬態(tài)脈沖的形式在工件中傳播. 激光激發(fā)超聲機(jī)理一般分為熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制[4]. 熱彈機(jī)制是激光功率密度較小， 材料表層產(chǎn)生表面切向壓力， 激發(fā)出橫波、 縱波和表面波， 該機(jī)制不會導(dǎo)致材料的任何相變， 符合嚴(yán)格無損檢測； 燒蝕機(jī)制是激光功率密度較大， 表層的瞬態(tài)溫升逐步導(dǎo)致材料的熔化、 汽化和形成等離子體， 噴射出部分表面物質(zhì)， 會對材料造成深度約0.3 μm的表面損傷. 因此， 本文通過采用熱彈機(jī)制來激發(fā)超聲信號.

熱彈機(jī)制下， 樣品吸收激光能量后局部受熱膨脹并產(chǎn)生瞬態(tài)位移場， 熱彈效應(yīng)引起的位移[7]滿足

μ2U(x,y,z,t)+(λ+μ)(·U(x,y,z,t))=ρU(x,y,z,t)+βT(x,y,z,t),

(1)

式中：U(x,y,z,t)代表t時刻的瞬態(tài)位移量；λ與μ是拉梅常數(shù)；β是熱彈耦合系數(shù)；βT(x,y,z,t)是基于熱梯度而形成的瞬態(tài)體力源；T(x,y,z,t)是工件內(nèi)部時刻的溫度.

熱彈機(jī)制下， 激光聚焦成線源激發(fā)的聲表面波的傳播過程如圖 1 所示.

圖 1 聲波傳播Fig.1 Sound wave propagation

圖 1 中， 表面波向兩邊同時傳播， 一部分傳播至樣品邊沿， 經(jīng)樣品邊沿反射， 形成RL； 另一部分直接傳播至探測點(diǎn)， 形成R. 表面波R在傳播過程中遇到缺陷后， 部分發(fā)生反射， 形成RR； 部分發(fā)生模式轉(zhuǎn)換， 生成橫波、 縱波， 形成RL，RS； 還有一部分透過缺陷繼續(xù)傳播， 形成TR. 信號RR，RL，RS，TR都攜帶了缺陷信息， 信號TR最能表征缺陷深度. 當(dāng)激光激發(fā)能量相同， 表面波遇到不同深度表面缺陷時， 所形成的透射表面波TR的能量不同. 為了減少由于激發(fā)能量不同造成的表面缺陷深度檢測的誤差， 本文使用信號TR與R的能量比來表征缺陷深度， 定義如式(2)所示

(2)

式中：AR表示直達(dá)表面波R的幅值；ATR表示透射表面波TR的幅值.

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及樣品

激光超聲檢測原理如圖 2 所示， CFR200激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源， 照射到工件表面， 從而產(chǎn)生超聲波. QUARTET-500mV設(shè)備發(fā)射的激光經(jīng)焦距為100 mm的點(diǎn)聚焦透鏡照射到樣品表面， 基于邁克爾遜干涉儀的原理來接收超聲信號. 數(shù)據(jù)采集卡采集觸發(fā)信號和探測到的超聲信號， 傳輸給計(jì)算機(jī)， 通過LU Scan軟件來顯示及存儲信號. 搭建的實(shí)驗(yàn)平臺如圖 3 所示.

圖 2 激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)框圖Fig.2 Experiment block diagram of laser ultrasonic testing

圖 3 激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)平臺Fig.3 The experimental platform of laser ultrasonic testing

本文的待測樣品為具有不同深度表面缺陷的鋁板， 如圖 4 所示， 樣品尺寸如圖 5 所示， 表面裂紋深度T分別為0.5 mm, 0.3 mm, 0.1 mm和0.08 mm.

圖 4 實(shí)驗(yàn)樣品Fig.4 The sample

圖 5 樣品示意圖Fig.5 The sample diagram

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖 6 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.6 The experimental schematic diagram

僅通過單個激發(fā)-探測位置獲得的時域信號難以辨認(rèn)模式轉(zhuǎn)換波， 無法實(shí)現(xiàn)對聲波與缺陷相互作用后傳播特性的分析. 掃描法是通過移動樣品， 在樣品不同位置激發(fā)或探測超聲波， 將掃描過程中采集到的數(shù)據(jù)匯集成B-Scan圖像， 在B-Scan圖像中， 各散射信號的到達(dá)時間將組成不同斜率的直線， 信號容易被辨認(rèn). 因此， 本文采用掃描法來完成對表面缺陷的檢測.

掃描法檢測表面缺陷的原理如圖6所示， 固定激發(fā)點(diǎn)與探測點(diǎn)間距離d為15 mm， 且探測點(diǎn)與缺陷邊沿的距離a為5 mm， 移動工件使得激發(fā)點(diǎn)、 探測點(diǎn)與缺陷的相對位置如圖6中的位置Ⅰ， Ⅱ及Ⅲ， 觀察信號的變化. 數(shù)據(jù)時長為20 μs， 掃查步長及掃查距離分別為0.05 mm， 30 mm.

3 結(jié)果分析

3.1 B-Scan圖分析

激光激發(fā)能量相同， 針對表面缺陷深度T=0.5 mm，T=0.3 mm，T=0.1 mm及T=0.08 mm的4塊鋁試件， 掃查得到的B-Scan結(jié)果如圖7(a)～圖7(d)所示.

圖 7 B-Scan圖Fig.7 B-Scan diagram

從圖 7 可以看出： ① 掃查過程中， 隨著樣品的移動， 缺陷先掠過探測點(diǎn)， 隨后掠過激發(fā)點(diǎn)， 分別如圖中位置①， ②， 判斷缺陷距首個接收點(diǎn)約5 mm處； ② 聲表面波在傳播過程中遇到缺陷會發(fā)生反射、 透射及模式轉(zhuǎn)換. 在圖7(a)中：t=5.46 μs對應(yīng)直線的3段分別表示激發(fā)點(diǎn)、 探測點(diǎn)及缺陷的相對位置， 分別為圖6中的Ⅰ、 Ⅱ及Ⅲ時接收到的表面波， 分別表示為R，TR及R， 信號TR比R弱； 與該直線相交直線的斜率分別為： 291 6 m/s和387 2 m/s， 分別表示RR和RS. ③ 對比圖7(a)～圖7(d)， 表面缺陷深度越大， 反射能力及模式轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)， 透射能力越弱.

3.2 頻譜分析法

圖 8 透射表面波TR的頻譜圖Fig.8 Spectrum of signal TR

4塊具有不同表面缺陷深度的樣品的透射表面波TR的頻譜如圖 8 所示.

由圖 8 可知， 與直達(dá)表面波的頻譜相比較， 透射表面波的高頻成分相對較弱. 缺陷深度為0.5 mm， 0.3 mm， 0.1 mm及0.08 mm樣品的透射表面波的頻率范圍分別為0～3.125 MHz， 0～3.906 MHz, 0～4.688 MHz 及0-4.756 MHz， 表面缺陷深度越大， 透射表面波的高頻截止頻率越向低頻偏移， 高頻部分減弱. 由此判斷缺陷深度分別為0.933， 0.746， 0.622和0.613 mm， 針對缺陷深度稍大的誤差大于50%.

3.3 幅值分析法

圖 9 η與T的變化規(guī)律Fig.9 Change rule of η and T

激光激發(fā)能量相同， 對采集的B-Scan信號進(jìn)行分析分別得到4塊鋁板的透射表面波幅值、 直達(dá)表面波幅值， 并將其代入式(2)， 得到透射表面波與直達(dá)表面波的幅值比， 如表 1 所示. 隨著表面缺陷深度增大， 幅值比基本不變， 隨著表面缺陷深度逐漸減小， 幅值比也逐漸減小. 對表面缺陷深度T與η進(jìn)行擬合， 得到如圖 9 所示的曲線.

如圖 9 所示， 由樣塊T=0.5 mm，T=0.1 mm，T=0.08 mm 及無缺陷時的各參數(shù)進(jìn)行擬合得到的曲線， 表明參數(shù)η與表面缺陷的深度T不呈線性關(guān)系， 缺陷深度小于0.1 mm時， 變化比較平緩， 缺陷深度介于0.1～0.5 mm時， 變化比較快， 缺陷深度大于0.5 mm時， 變化平緩. 在圖 9 所示的曲線中， 樣塊T=0.3 mm的透射表面波與直達(dá)表面波的幅值比為47.42%， 對應(yīng)的缺陷深度為0.35 mm， 誤差為16%. 相比頻譜分析法檢測表面缺陷深度， 根據(jù)參數(shù)η來檢測表面缺陷深度的誤差相對較小， 精度更高.

表 1 信號幅值

4 結(jié) 論

本文對激光激發(fā)的聲表面波在具有不同深度表面缺陷的傳播進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究， 通過頻譜法和幅值法分析了透射聲表面波的頻譜成分及幅值大小與缺陷深度的關(guān)系. 結(jié)果表明： 激光激發(fā)的表面波在傳播過程中遇到缺陷會發(fā)生反射、 透射產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象， 且表面缺陷深度越大， 反射能力及模式轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)， 透射能力越弱； 透射表面波的頻譜成分會隨著表面缺陷深度的增大逐漸向低頻偏移； 參數(shù)η隨著表面缺陷深度的增大而減??； 通過頻譜分析及幅值分析都可以實(shí)現(xiàn)對表面缺陷深度的檢測， 但采用幅值分析法檢測表面缺陷深度的方法誤差小， 精度高. 本文為激光超聲應(yīng)用于表面缺陷深度檢測提供了一定的理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)依據(jù)， 可以被廣泛應(yīng)用到工業(yè)檢測中.

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