采用激光超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面微損傷的尺寸測(cè)量*

李海洋， 王召巴， 潘強(qiáng)華

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西太原 030051； 2. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 北京 100029)

高溫、 高壓和腐蝕等惡劣環(huán)境會(huì)對(duì)長(zhǎng)期服役的金屬構(gòu)件造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷， 尤其金屬材料表面微損傷， 不易檢測(cè)但危害極大. 因此， 實(shí)現(xiàn)構(gòu)件表面性能完好的安全監(jiān)測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié).

激光超聲技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、 非接觸、 高靈敏度和寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)得到了無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的廣泛關(guān)注. 錢(qián)夢(mèng)騄[1-2]分析了熱彈機(jī)制下激光超聲脈沖在自由界面和鉗制界面的應(yīng)力分布情況； 沈中華[3]研究了激光線源超聲在薄膜-襯底系統(tǒng)中的產(chǎn)生， 給出了傳播距離和薄膜厚度對(duì)聲表面波的影響； 石一飛[4]研究了掃描激光源法檢測(cè)板狀和柱狀金屬材料表面微小微損傷的機(jī)理； 張建炎[5]分析了不同深度微損傷對(duì)激光超聲表面波傳播速度的影響； Dong[6]采用激光超聲方法測(cè)量了鋁合金試樣的三階彈性常數(shù)； Soltani[7]通過(guò)有限元仿真得到了激光產(chǎn)生超聲時(shí)樣品表面溫度和位移分布， 分析了激光參數(shù)對(duì)聲波激勵(lì)的影響； Domarkas[8]根據(jù)裂紋共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微裂紋的寬度與深度測(cè)量； 李海洋[9-11]采用反射系數(shù)法實(shí)現(xiàn)了微裂深度與角度測(cè)量.

本文采用激光線源聚焦方式在待測(cè)樣品中激發(fā)表面波， 并結(jié)合干涉接收方式實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的采集與接收， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了待測(cè)樣品表面微損傷的寬度與深度測(cè)量. 主要內(nèi)容包括： 搭建激光超聲檢測(cè)平臺(tái)， 采用移動(dòng)樣品法， 完成待測(cè)樣品表面微損傷處的透射與反射聲信號(hào)以及B-scan成像采集； 根據(jù)微損傷處的聲信號(hào)時(shí)域特征實(shí)現(xiàn)樣品表面微損傷的寬度測(cè)量， 并結(jié)合微損傷處的臨界頻率現(xiàn)象， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微損傷的深度檢測(cè).

1 光彈原理

激光照射到材料表面轉(zhuǎn)化為熱能， 導(dǎo)致材料局部區(qū)域溫度升高形成熱膨脹區(qū)域， 進(jìn)而產(chǎn)生超聲波在固體介質(zhì)中傳播. 當(dāng)激光功率密度小于材料表面能量閾值107W/cm2時(shí)， 不會(huì)對(duì)材料造成損傷， 可實(shí)現(xiàn)完全無(wú)損的檢測(cè). 這種激光激發(fā)機(jī)制稱為光彈原理， 可在材料表層激發(fā)出橫波、 縱波和表面波， 其振動(dòng)位移滿足

μ2U(x,y,z,t)+(λ+μ)(T(x,y,z,t),

式中：U(x,y,z,t)代表t時(shí)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)是樣品內(nèi)部t時(shí)刻的溫度. 激光照射一次激發(fā)會(huì)產(chǎn)生表面波、 縱波和橫波等多種波型聲信號(hào)， 本文采用激光超聲產(chǎn)生表面波完成試樣表面微損傷的檢測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及樣品

2.1 激光超聲檢測(cè)平臺(tái)

本文采用熱彈機(jī)制原理和線源聚焦方式， 搭建了激光超聲檢測(cè)平臺(tái). 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為激發(fā)部分和信號(hào)采集部分， 其中激發(fā)部分采用CFR200激光發(fā)生器， 經(jīng)焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源， 照射到樣品表面產(chǎn)生聲表面波； 采集部分采用基于邁克爾遜干涉儀原理的QUARTET-500 mV激光超聲探測(cè)儀實(shí)現(xiàn)樣品表面聲信號(hào)的非接觸探測(cè). 該激光超聲檢測(cè)平臺(tái)配有掃查行程為250 mm*250 mm， 掃查分辨率為6 μm的自動(dòng)掃查架， 并結(jié)合移動(dòng)樣品法完成待測(cè)樣品的A掃信號(hào)與B-scan信號(hào)采集， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面微損傷的寬度和深度測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)框圖和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖 1 所示.

圖 1 激光超聲實(shí)驗(yàn)框圖與平臺(tái)Fig.1 Experimental setup

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品

待測(cè)樣品表面具有不同深度矩形槽形狀的微損傷， 樣品材質(zhì)為A6061鋁合金. 待測(cè)樣品及損傷尺寸如圖 2 所示， 對(duì)應(yīng)樣品微損傷深度如表 1 所示.

圖 2 實(shí)驗(yàn)樣品及尺寸Fig.2 Samples and their size

樣品名稱微損傷深度/mmA0.3B0.1C0.08

3 結(jié)果分析

3.1 B-Scan圖分析

基于圖 1 激光超聲檢測(cè)平臺(tái)， 完成3塊樣品表面的B-Scan成像檢測(cè)， 結(jié)果如圖 3 所示.

圖 3 B-Scan圖Fig.3 B-Scan image

圖 3 中①表示探測(cè)點(diǎn)位于微損傷處； ②表示激發(fā)點(diǎn)位于微損傷處； ①和②之間表示透射聲信號(hào). 對(duì)比(a)(b)(c)可看出在①②處發(fā)生散射現(xiàn)象， 并且透射聲波幅值會(huì)隨著表面微損傷深度變小而減小. 由圖 3 的3塊樣品B-Scan圖像可以很明顯地確定微損傷位置， 但是無(wú)法測(cè)量微損傷幾何尺寸， 需要對(duì)聲信號(hào)進(jìn)一步分析.

圖 4 表面微損傷寬度測(cè)量Fig.4 Width measurement for micro-damage

3.2 表面微損傷寬度測(cè)量

隨著樣品的移動(dòng)， 激光激發(fā)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)在樣品表面的位置會(huì)發(fā)生變化， 具體如圖 4 所示. 當(dāng)激發(fā)位于表面微損傷處時(shí)， 無(wú)法探測(cè)到激光激勵(lì)的表面聲波， 同理當(dāng)接收點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到表面微損傷處也會(huì)發(fā)生此現(xiàn)象. 根據(jù)探測(cè)到聲波信號(hào)的幅值變化就可以測(cè)量表面微損傷的寬度.

本文激發(fā)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)距離為15 mm， 探測(cè)表面直達(dá)波達(dá)到時(shí)間為5.6 μs， 此時(shí)聲信號(hào)幅值與掃查距離之間的關(guān)系如圖 5 所示.

圖 5 掃查范圍內(nèi)信號(hào)幅值分布Fig.5 Amplitude distribution of scanning range

以圖5(a)為例進(jìn)行說(shuō)明： ①是探測(cè)點(diǎn)位于表面微損傷處位置， ②是激發(fā)點(diǎn)位于表面微損傷處位置. 當(dāng)激發(fā)點(diǎn)位于微損傷處時(shí)， ①②處聲信號(hào)幅值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的衰減， 而這個(gè)衰減與微損傷的寬度有關(guān). 由圖5中數(shù)據(jù)讀取3塊樣品表面微損傷寬度， 如表 2.

表 2 表面微損傷寬度

由圖2(b)可知表面微損傷實(shí)際寬度為0.2 mm， 可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量表面微損傷寬度與實(shí)際值相近， 采用激光超聲檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)表面微損傷寬度的檢測(cè).

3.3 表面微損傷深度測(cè)量

表面波傳播過(guò)程中與微損傷相互作用會(huì)發(fā)生反射、 透射現(xiàn)象， 如圖 6 所示. 由文獻(xiàn)[8]可知， 透射聲波與發(fā)射聲波的能量大小與表面損傷的深度有關(guān)， 因此， 可通過(guò)測(cè)量透射與反射聲波能量的大小實(shí)現(xiàn)表面微損傷深度的測(cè)量.

圖 6 透射與反射現(xiàn)象Fig.6 Transmission and reflection

本文對(duì)表面微損傷深度T=0.3 mm,T=0.1 mm以及T=0.08 mm樣塊的微損傷反射聲表面波及透射聲表面波進(jìn)行閾值為db10的小波變換， 進(jìn)行6層分解， 對(duì)每一層信號(hào)進(jìn)行頻譜變換， 再結(jié)合帕塞瓦爾定理， 得到不同頻段信號(hào)隨頻率變化的能量曲線圖， 如圖 7 所示.a實(shí)線表示透射聲表面波曲線，b實(shí)線表示微損傷反射聲表面波曲線； 橫坐標(biāo)為頻率(單位： MHz)， 縱坐標(biāo)為能量值(單位： mJ).

圖 7 透射/反射信號(hào)能量譜分布Fig.7 Energy distribution of transmission and reflection signal

圖 7 中S表示原始信號(hào)頻譜能量，d1的頻率范圍是8.34～16.67 MHz；d2的頻率范圍是4.17～8.34 MHz；d3的頻率范圍是2.08～4.17 MHz；d4的頻率范圍是1.04～2.08 MHz；d5的頻率范圍是0.52～1.04 MHz；d6的頻率范圍是0.26～0.52 MHz. (a)中S以d6層信號(hào)能量分布， 透射信號(hào)能量大于反射信號(hào)能量； 而在d1到d2層信號(hào)頻譜能量的分布是反射信號(hào)能量大于透射信號(hào)能量， 發(fā)生這種變化

圖 8 表面微損傷深度與對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)關(guān)系圖Fig.8 A relationship between depth and wavelength

的臨界頻率為2.60 MHz； 同理可求得(b)發(fā)生透射聲信號(hào)與發(fā)射聲信號(hào)能量變化的臨界頻率為7.60 MHz； (c)發(fā)生透射聲信號(hào)與發(fā)射聲信號(hào)能量發(fā)生變化的臨界頻率為9.50 MHz. 根據(jù)公式C=λε可計(jì)算臨界頻率對(duì)應(yīng)的臨界波長(zhǎng)， 微損傷深度與波長(zhǎng)如圖 8 所示.

由圖 8 可知表面微損傷深度與臨界波長(zhǎng)近似成線性關(guān)系， 且該近似直線斜率為4， 根據(jù)這一關(guān)系判斷表面微損傷深度及誤差， 如表 3 所示.

由此可知， 激光超聲表面波遇到微損傷會(huì)造成透射聲信號(hào)與反射聲信號(hào)能量發(fā)生轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象， 采用發(fā)生轉(zhuǎn)換現(xiàn)象的臨界頻率實(shí)現(xiàn)了表面微損傷的深度檢測(cè)， 測(cè)量誤差為6.33%.

表 3 實(shí)際測(cè)量微損傷深度及誤差

4 結(jié) 論

本文根據(jù)熱彈機(jī)制和干涉接收方式搭建了激光超聲檢測(cè)平臺(tái)， 結(jié)合移動(dòng)樣品方法， 完成了待測(cè)樣品的表面檢測(cè)， 根據(jù)微損傷處的聲信號(hào)時(shí)域與頻域特征完成了樣品表面微損傷的尺寸測(cè)量. 本文研究結(jié)果真實(shí)可靠， 可為激光超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)方法.