表面裂紋的激光超聲深度測(cè)量

吳 瑞，李海洋，王召巴，潘強(qiáng)華2，魏壯壯

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

金屬在加工過程和服役環(huán)境中，由于受到外界載荷的作用，極易產(chǎn)生裂紋。若未被及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂紋會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，使工件的力學(xué)性能受損，進(jìn)而引發(fā)重大事故[1]。其中，金屬表面裂紋是常見的裂紋形式。因此，針對(duì)金屬表面裂紋的檢測(cè)是無損檢測(cè)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

激光超聲技術(shù)克服了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)過程中依賴耦合劑的缺點(diǎn)[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)完全非接觸檢測(cè)，同時(shí)具有適用于高溫、高壓、高輻射等惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[3]。NI等[4]利用掃描激光源法和有限元法，分析了鋁材料表面微小裂紋的機(jī)理和激光超聲表面波的傳播特性。嚴(yán)剛等[5]利用基于光偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)表面缺陷的激光超聲系統(tǒng)，研究了表面波經(jīng)過不同深度缺陷時(shí)的反射和透射特征。曾偉等[6]利用有限元方法研究了激光超聲對(duì)近表面缺陷的影響，得出震蕩信號(hào)中心頻率與缺陷深度呈線性關(guān)系的結(jié)論。GUAN等[7]利用有限元法模擬了表面波與不同深度裂紋的作用過程。目前的研究主要還是利用仿真從理論上研究超聲波與缺陷的相互作用過程[8]，而關(guān)于金屬材料表面缺陷深度檢測(cè)的研究很少，還存在很多值得進(jìn)一步分析的地方。

筆者通過搭建激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面微裂紋的檢測(cè)，通過分析表面波與缺陷的作用過程，得到不同深度微裂紋反射回波的震蕩時(shí)間，利用震蕩時(shí)間與深度擬合的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面微裂紋深度的定量檢測(cè)。

1 檢測(cè)裝置

激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)由激光器模塊、信號(hào)接收模塊、掃描系統(tǒng)模塊以及軟件處理模塊等組成，檢測(cè)裝置框圖如圖1所示。激光器模塊主要由一臺(tái)高能脈沖Nd…YAG固體激光器CFR200及其相應(yīng)的光路系統(tǒng)組成[9]，可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1 064 nm的脈沖激光，重復(fù)頻率為20 MHz；信號(hào)接收模塊采用基于邁克爾遜干涉原理的QUARTET-500 mV激光超聲接收儀，在被測(cè)材料表面形成的超聲波傳輸?shù)郊す獬暯邮諆x中，通過光纖傳輸?shù)絅ATIONAL INSTRUMENTS信號(hào)采集卡中；PC端中的LU Scan軟件可以控制采樣頻率、時(shí)間步長(zhǎng)、掃描方向等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；掃描系統(tǒng)模塊中掃查架的掃描面積為250 mm×250 mm，掃描分辨率為6 mm，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)材料的精準(zhǔn)定位以及二維掃查。按照激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)裝置搭建如圖2所示的試驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 激光超聲檢測(cè)裝置框圖

圖2 激光超聲檢測(cè)平臺(tái)外觀

2 檢測(cè)原理及方法

2.1 檢測(cè)原理

按照激光激發(fā)功率和被測(cè)材料熔點(diǎn)的不同，可以將激光超聲的產(chǎn)生機(jī)制分為兩類：熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制。當(dāng)激光激發(fā)功率小于材料損傷閾值107W·cm-2時(shí)，被測(cè)材料吸收激光能量，局部產(chǎn)生熱膨脹，在材料中產(chǎn)生縱波、剪切波、表面波和各種模式的轉(zhuǎn)換波，不會(huì)對(duì)被測(cè)材料表面產(chǎn)生任何相變，這種激光超聲檢測(cè)機(jī)制稱為熱彈機(jī)制[10]；當(dāng)激光激發(fā)功率大于材料損傷閾值時(shí)，材料表面會(huì)發(fā)生融化、汽化等現(xiàn)象，使被測(cè)材料表面產(chǎn)生一定的損傷，這種機(jī)制稱為燒蝕機(jī)制，主要用于某些需要激發(fā)縱波的場(chǎng)合[11]。

由于試驗(yàn)采用的裂紋尺寸可達(dá)到微米量級(jí)，若入射的激光對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生損傷，則誤差增大，而熱彈機(jī)制不會(huì)對(duì)被測(cè)材料產(chǎn)生損傷，并且激發(fā)出來的表面波效果較好，因此采用熱彈機(jī)制進(jìn)行激發(fā)。

2.2 檢測(cè)樣品

針對(duì)含不同深度缺陷的6061鋁合金樣品進(jìn)行檢測(cè)，材料參數(shù)見表1，表面缺陷的深度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 mm，樣品外觀如圖3所示。樣品的尺寸示意如圖4所示。

表1 6061鋁合金樣品的參數(shù)

圖3 檢測(cè)樣品外觀

圖4 檢測(cè)樣品尺寸示意

2.3 檢測(cè)方法

針對(duì)不同深度缺陷的鋁合金樣品，采用超聲反射法進(jìn)行檢測(cè)。搭建激光超聲檢測(cè)平臺(tái)，將樣品固定在掃查架上，設(shè)置激光源在距離缺陷左邊緣(16±0.5)mm處，接收源在距離缺陷左邊緣(5±0.5)mm處。

在熱彈機(jī)制下，激發(fā)激光在材料表面產(chǎn)生表面波的過程如圖5所示，固定激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)的位置，表面波沿著試件表面向兩側(cè)傳播。一部分直接傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)，形成直達(dá)表面波R；另一部分到達(dá)接收點(diǎn)之后繼續(xù)沿著表面?zhèn)鞑サ饺毕莸淖髠?cè)，經(jīng)過缺陷左邊緣的反射，形成缺陷反射回波RR；一部分沿著缺陷底部傳播到缺陷的另一側(cè)，形成缺陷的透射波TR；另外還有部分波在缺陷底部發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，形成缺陷的模式轉(zhuǎn)換波RS、RL(圖中未畫出)。

圖5 樣品的激光超聲檢測(cè)原理示意

3 檢測(cè)結(jié)果與討論

主要研究缺陷反射回波的特征，設(shè)置相同的激光發(fā)射能量，得到不同深度缺陷的時(shí)域信號(hào)波形，如圖6所示。由于激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)與缺陷的位置固定，從圖6中可以得出,當(dāng)t=5.4 ms時(shí)，接收到直達(dá)表面波R，當(dāng)t=8.6 ms時(shí)，接收到的信號(hào)為缺陷反射回波RR。由于缺陷反射回波的到達(dá)時(shí)間只與傳播距離有關(guān)，所以不同深度缺陷接收到的直達(dá)表面波R和反射回波RR時(shí)間相同。

圖6 不同深度缺陷的時(shí)域信號(hào)波形

激光輻照到樣品表面，會(huì)在樣品中產(chǎn)生雙極性的表面波，通過觀察直達(dá)表面波的各個(gè)峰值到達(dá)的時(shí)間，求出各個(gè)峰值之間的時(shí)間差T2-T1、T3-T1及T3-T2，如表2所示，發(fā)現(xiàn)不同深度缺陷樣品的表面波的震蕩時(shí)間相同，由于直達(dá)表面波是直接從激發(fā)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)的，不包含缺陷信息，因此直達(dá)表面波R的震蕩時(shí)間不隨缺陷深度的變化而變化。

表2 激光檢測(cè)樣品時(shí)直達(dá)波的震蕩時(shí)間

表3給出了檢測(cè)時(shí)，缺陷反射回波RR各個(gè)峰值的到達(dá)時(shí)間以及時(shí)間差，由于缺陷反射回波經(jīng)過缺陷左邊緣反射，攜帶了缺陷的信息，所以不同深度缺陷的各峰值時(shí)間差是不同的，可以以此作為定量檢測(cè)金屬表面微裂紋深度的依據(jù)。由于聲表面波中的低頻成分容易通過表面缺陷繼續(xù)傳播，而表面缺陷的深度越大，上下表面的距離越大，表面波中的低頻成分在缺陷的上表面反復(fù)反射，從而使震蕩時(shí)間增加。因此，通過反射波的震蕩時(shí)間差與缺陷深度的擬合關(guān)系式，可以定量檢測(cè)金屬表面微裂紋的深度。

表3 激光檢測(cè)樣品時(shí)反射波的震蕩時(shí)間

將不同缺陷深度的反射波的各峰值時(shí)間差與缺陷深度進(jìn)行擬合(見圖7)，發(fā)現(xiàn)隨著缺陷深度的增加，各峰值之間的時(shí)間差不斷增加，其中圖7(a)和7(d)中的T4-T3、T3-T2與缺陷深度的擬合程度最好，呈一次線性關(guān)系，擬合方程分別為y1=0.948 6x+0.261 3，y2=0.2x+0.1。

為驗(yàn)證該結(jié)論，對(duì)含不同深度缺陷的Q235鋼試件進(jìn)行相同方法的檢測(cè)，擬合結(jié)果如圖8所示，可見，隨著缺陷深度的增大，反射波的震蕩時(shí)間差與深度呈線性關(guān)系，與含不同深度缺陷的6061鋁合金的試驗(yàn)結(jié)論相同。

圖8 Q235鋼試件震蕩時(shí)間差與深度擬合結(jié)果

4 結(jié)論

通過搭建激光超聲檢測(cè)平臺(tái)，研究了6061鋁合金中不同深度微裂紋的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相同激光能量下，不同深度缺陷的直達(dá)表面波的震蕩時(shí)間差相同，而缺陷反射回波的震蕩時(shí)間差與缺陷深度線性相關(guān)，且含不同深度微裂紋的Q235鋼的試驗(yàn)有相同的規(guī)律，驗(yàn)證了該方法的有效性。因此，可以通過震蕩時(shí)間差與缺陷深度的擬合關(guān)系來實(shí)現(xiàn)不同深度微裂紋的定量檢測(cè)。