帶涂層圓柱形零件表面缺陷的激光超聲特性

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024)

圓柱形零件是工業(yè)中常用的承力部件，其表面通常有涂層加以保護(hù)。在進(jìn)行表面缺陷的超聲檢測(cè)時(shí)，往往需要去除表面涂層,去除涂層將增加檢測(cè)的工作量，顯著降低檢測(cè)效率，甚至?xí)?duì)零件表面造成損傷[1-3]。激光超聲技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)無損檢測(cè)技術(shù)，其具有非接觸、無損傷、時(shí)間和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。利用激光激發(fā)出超聲表面波信號(hào)對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行快速有效檢測(cè)，在圓柱形零件的無損檢測(cè)中逐漸受到關(guān)注。

目前，激光超聲在無涂層圓柱形零件表面的傳播規(guī)律已有較多的研究，并取得了一系列的研究成果[4-6]。ZHAO等[7]研究了在金屬鋁圓柱表面裂紋寬度和深度與激光超聲表面波反射信號(hào)之間的關(guān)系；許伯強(qiáng)[8]通過有限元法模擬了層狀材料中傳播的時(shí)域信號(hào)，并且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)層狀材料參數(shù)進(jìn)行了反演；曹建樹，CAVUTO[9-10]等基于工程實(shí)際試驗(yàn)研究了激光超聲表面波在石油管道、列車車軸等圓柱形金屬零件表面裂紋的檢測(cè)。但是，對(duì)于帶涂層圓柱形零件表面缺陷檢測(cè)的研究還少有報(bào)道。顯然，為了提高帶涂層圓柱形零件表面缺陷的檢測(cè)效率，研究激光超聲沿零件表面的傳播特性是一個(gè)非常重要的課題。

筆者利用有限元方法建立了線狀脈沖激光作用在帶涂層金屬圓柱形零件表面時(shí)表面超聲波的數(shù)值模型，分析了涂層對(duì)聲表面波時(shí)頻域信號(hào)的影響，研究了在鋁基底鎳涂層下金屬圓柱形零件表面時(shí)頻域信號(hào)與涂層厚度、裂紋深度之間的關(guān)系，為激光超聲用于帶涂層圓柱形零件表面缺陷的檢測(cè)提供參考。

1 帶涂層圓柱形零件表面缺陷檢測(cè)模型

1.1 數(shù)值模型的建立

脈沖線源激光經(jīng)透鏡聚焦后沿圓柱母線方向垂直輻照在帶涂層圓柱形金屬零件外表面上，所研究的為沿圓周方向傳播的超聲表面波，簡化的二維物理模型如圖1所示。圖1中,d為圓柱的直徑，h為圓柱外表面涂層的厚度，hw與hc分別為人工矩形缺陷的寬度與深度，φ為缺陷與激光激發(fā)點(diǎn)之間的角度，θ為觀測(cè)角。

數(shù)值計(jì)算中采用空間上均勻分布，時(shí)間上呈高斯分布的線狀激光光源，將其轉(zhuǎn)換為熱流密度加載在圓柱表面。在激光輻照區(qū)域[-α，α]內(nèi)等效的熱流密度Q為

Q(r,φ,t)|-α≤φ≤α=I0Af(r)g(t)

(1)

式中：A為介質(zhì)對(duì)激光的吸收率；I0為激光峰值功率密度；f(r)和g(t)分別為脈沖激光的空間和時(shí)間分布。

(2)

(3)

式中：r0為激光光斑半徑；t0為激光脈沖寬度。

圖1 線狀激光源作用模型

1.2 激光和材料有關(guān)參數(shù)

基于上述物理模型，采用有限元軟件ANSYS Mechanical APDL建立了激光線源熱-結(jié)構(gòu)耦合模型。仿真過程考慮材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，忽略材料與外界的熱對(duì)流、熱輻射。激光超聲的產(chǎn)生過程包括瞬態(tài)溫度場和位移場兩個(gè)過程，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)場求解結(jié)果對(duì)溫度場的影響很小，因此采用順序耦合方式，即先求解出溫度場分布，然后將溫度場作為載荷再進(jìn)行位移場求解。

利用有限元數(shù)值模擬了直徑d為12 mm的帶鎳涂層金屬鋁圓柱形零件表面激發(fā)的超聲表面波，取單脈沖激光能量為13.5 mJ，脈沖上升時(shí)間為10 ns，激光光斑半徑為300 mm，介質(zhì)表面吸收率為0.07。圓柱形零件基底和涂層金屬材料的主要熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 基底與涂層材料的主要熱物理參數(shù)(溫度為300 K時(shí))

2 涂層對(duì)圓柱形零件中聲表面波的影響

2.1 涂層對(duì)聲表面波時(shí)頻域信號(hào)的影響

為了研究涂層對(duì)聲表面波信號(hào)的影響，分別建立了不同涂層厚度的有限元模型，當(dāng)涂層厚度h為0，200，400，600 mm，觀測(cè)角θ為60°時(shí)，所得到的時(shí)域波形如圖2所示。從圖2可以看出，在不帶涂層時(shí)所得到的為典型的表面波，由掠面縱波sP，表面橫波sS和雙極性表面波R組成，如圖2(a)所示。當(dāng)存在不同厚度的涂層時(shí)，瑞利波的到達(dá)時(shí)間相比無涂層的滯后，即當(dāng)涂層存在時(shí)，其中產(chǎn)生了色散，如圖2(b)和圖2(c)所示。

圖2 不同涂層厚度零件的聲表面波時(shí)域波形

圖3 不同涂層厚度零件的聲表面波頻域波形

這是因?yàn)楸砻嫒鹄ㄖ械牡皖l成分波長較長，會(huì)穿透涂層進(jìn)入鋁基底中傳播；高頻成分的波長較短，因此集中在表面涂層中傳播。由圖3頻域波形可以看出，與無涂層時(shí)域信號(hào)相比，有涂層時(shí)信號(hào)高頻成分減少，說明有涂層時(shí)部分低頻成分的表面瑞利波穿透涂層進(jìn)入鋁基底中傳播，另一部分在鎳涂層中傳播，而低頻成分比高頻成分傳播得快，所以高低頻成分發(fā)生了分離，產(chǎn)生了色散。當(dāng)涂層厚度增加到一定程度時(shí)，色散現(xiàn)象又開始減弱，形成類似單一介質(zhì)中的典型表面波波形，如圖2(d)所示。

2.2 涂層對(duì)表面瑞利波波速的影響

涂層的存在，會(huì)使聲表面波產(chǎn)生色散，對(duì)表面瑞利波波速也存在影響。涂層厚度h為0～500 mm時(shí)，根據(jù)瑞利波R的到達(dá)時(shí)間計(jì)算出表面瑞利波的波速，并對(duì)曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，表面瑞利波波速隨著涂層厚度的增加，先從基底中的速度開始逐漸減小至最小，然后增大至涂層材料中的傳播速度。這是因?yàn)樵谝欢ǖ耐繉雍穸认?，表面瑞利波?huì)在涂層與基底的界面?zhèn)鞑ィ藭r(shí)由于兩種不同介質(zhì)之間的反射而表面瑞利波會(huì)產(chǎn)生較大的衰減，速度逐漸降為最小，而隨著涂層厚度的增加，表面瑞利波將集中在涂層中，以涂層中的速度傳播。

圖4 不同涂層厚度下的瑞利波波速曲線

圖5 缺陷深度為0.3 mm、觀測(cè)角為30°時(shí)的聲表面波時(shí)域波形

3 激光超聲與缺陷相互作用分析

3.1 反射信號(hào)與缺陷深度之間的關(guān)系

圖5為缺陷位置φ為90°，缺陷深度hc分別為0 mm(無缺陷)與400 mm時(shí)得到的聲表面波信號(hào)時(shí)域波形。從圖5可以看出，當(dāng)有缺陷存在時(shí)，反射信號(hào)中出現(xiàn)了明顯的特征波峰RR與RS。這與劉輝等[11]在半無限大平面結(jié)構(gòu)中的研究規(guī)律相似，RR與RS是由于缺陷的存在引起的，RR是缺陷左邊界形成的反射，RS是缺陷的底端形成的反射。RR與RS波峰的存在為柱狀材料中表面裂紋的檢測(cè)提供了依據(jù)。

計(jì)算RR與RS波的到達(dá)時(shí)間差，可以發(fā)現(xiàn)RR波與RS波的到達(dá)時(shí)間差t與缺陷的深度之間存在著關(guān)系。計(jì)算不同涂層厚度下RR波與RS波的時(shí)間差t與缺陷深度的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在不帶涂層時(shí)，RR與RS時(shí)間差t與缺陷深度之間近似成線性關(guān)系；涂層厚度為200 mm和400 mm時(shí)，t與缺陷深度之間近似成分段線性關(guān)系，分界點(diǎn)大致在缺陷深度與涂層厚度相等處。

圖6 不同涂層厚度下，RR波與RS波的時(shí)間差與缺陷深度之間的關(guān)系

圖7 涂層厚度為200 mm時(shí)，透射波信號(hào)的FFT變換結(jié)果

3.2 透射信號(hào)與缺陷深度之間的關(guān)系

圖7為涂層厚度為200 mm時(shí)，透射波信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)結(jié)果，從圖7可以看出，隨著缺陷深度的增加，表面波頻域信號(hào)低頻成分和高頻成分的幅值均不斷減小，如0.8 MHz和2.4 MHz頻率成分，并且在缺陷深度小于涂層厚度時(shí)的幅值明顯大于較大涂層厚度下的。這表明，在帶涂層時(shí)缺陷仍然對(duì)表面波信號(hào)存在著選頻作用，通過透射信號(hào)波中心頻率的幅值大小也能夠?qū)Ρ砻嫒毕莸拇笮√峁﹨⒖肌?/p>

4 結(jié)論

基于有限元法對(duì)帶涂層圓柱形零件表面的激光超聲特性進(jìn)行了研究，分析了帶涂層表面缺陷深度與反射和透射信號(hào)之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：涂層厚度在200，400 mm時(shí)，在金屬鋁基底鎳涂層材料中產(chǎn)生了明顯色散現(xiàn)象。涂層厚度進(jìn)一步增加到600 mm時(shí)，色散現(xiàn)象減弱，形成了類似單一介質(zhì)中的表面波信號(hào)；涂層厚度分別為0,200,400 mm時(shí)，圓柱表面瑞利波反射信號(hào)中產(chǎn)生特征波峰RR與RS，并且時(shí)間差Δt與缺陷深度之間存在著分階段線性關(guān)系，分界點(diǎn)大致為缺陷深度與涂層厚度相等處；透射波頻域信號(hào)的幅值隨著缺陷深度的增加而減小，對(duì)缺陷深度存在著選頻作用。數(shù)值研究的結(jié)果為帶涂層圓柱形金屬零件和其他彎曲表面裂紋的激光超聲檢測(cè)提供了依據(jù)。