表面裂紋深度檢測(cè)的非接觸光聲檢測(cè)技術(shù)研究

鄧 進(jìn),姜文鑫,李海洋,李 兵,潘強(qiáng)華,張曉彤,那雪璐

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029;2.中北大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

1 引 言

金屬構(gòu)件在加工及服役過(guò)程中,受高溫、高壓、高速和高負(fù)荷的外界載荷影響,其表面極易產(chǎn)生疲勞裂隙。統(tǒng)計(jì)表明,由疲勞裂紋引發(fā)的構(gòu)件失效事故約占所有事故總額的90 %以上[1],一般認(rèn)為,疲勞裂紋在構(gòu)件的表面萌生[2]。表面裂紋會(huì)顯著降低材料的機(jī)械性能和壽命,若不能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè),會(huì)給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重隱患。例如,2002年,華航一架波音747-200型客機(jī)由于表面裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體,致機(jī)上225人全部罹難的重大安全事故[3]。因此,為確保金屬構(gòu)件在生活生產(chǎn)的安全使用,對(duì)其進(jìn)行表面裂紋檢測(cè)就顯得尤為重要。但實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,由于待測(cè)結(jié)構(gòu)的表面不規(guī)則且待測(cè)環(huán)境復(fù)雜,增加了對(duì)表面裂紋定量檢測(cè)的難度。因此,本文提出了基于激光超聲的一種非接觸檢測(cè)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面缺陷的定量檢測(cè)與分析。

激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、空間分辨率高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),可在高輻射、高壓、高腐蝕等復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則待測(cè)結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè),近年來(lái)已發(fā)展成超聲學(xué)中的重要分支,并成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi),Li[4]等人通過(guò)激光超聲技術(shù)分析了復(fù)合材料中縱向和橫向聲波速度與增強(qiáng)體尺寸及其體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,并根據(jù)超聲波速度計(jì)算出了復(fù)合材料的有效彈性常數(shù)。南京理工大學(xué)董利明團(tuán)隊(duì)[5]從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了金屬焊接的殘余應(yīng)力分布,并通過(guò)精確測(cè)量多種模態(tài)的超聲波波速測(cè)定了金屬材料的二階和三階彈性常數(shù),為金屬焊接殘余應(yīng)力的激光超聲檢測(cè)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。南昌航空大學(xué)占惠星等人[6]將激光照射到片劑上,測(cè)定了反射的聲表面波速度,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了片劑硬度與聲表面波速度之間的關(guān)系曲線。大連理工大學(xué)郭海洋[7]等人依托兩套不同的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)帶涂層金屬板件的缺陷進(jìn)行檢測(cè),利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及圖像分析了涂層影響下缺陷波形并對(duì)缺陷波進(jìn)行理論分析,然后對(duì)波形參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)計(jì)算最終得到了50 μm涂層影響下缺陷的形狀和尺寸特征。國(guó)外，Cavuto[8]等人實(shí)現(xiàn)了激光超聲技術(shù)在高速列車空心軸與車輪的表面裂紋檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,利用有限元方法研究了激光超聲在變截面列車空心軸裂紋監(jiān)測(cè)中的有效適用性。Karabutov[9]等人開(kāi)發(fā)了一種基于激光熱彈機(jī)制和寬帶聲脈沖壓電檢測(cè)的超聲光譜方法,通過(guò)微觀分散空隙和夾層分層對(duì)超聲波衰減系數(shù)的影響定量評(píng)估了CFRP復(fù)合層壓板的結(jié)構(gòu)。

激光超聲表面波檢測(cè)技術(shù)可以在待測(cè)工件表面激勵(lì)表面波,由于聲表面波的能量集中在待測(cè)工件表面一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi),十分適合用于表面缺陷的定量檢測(cè)。國(guó)內(nèi),倪曉武[10]等人考慮到激光作用過(guò)程中材料熱物理參數(shù)受溫度影響的特性,建立了熱彈機(jī)制下超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生和傳播的有限元模型,為熱彈條件下材料性能的激光超聲檢測(cè)提供了定量的基礎(chǔ)。周正干[11]等人證明了未經(jīng)過(guò)濾波的Rayleigh波的透射系數(shù)與裂紋深度之間的關(guān)系可以應(yīng)用于表面裂紋的定量表征。中北大學(xué)李海洋[12]等人提出了表面缺陷透射系數(shù)實(shí)現(xiàn)表面缺陷深度評(píng)價(jià)的檢測(cè)方法,搭建了線源聚焦的激光超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并建立了透射系數(shù)與缺陷深度的擬合曲線。國(guó)外,A.K.Kromine[13]和 Y.Sohn[14]等人提出了一種基于激光超聲的掃描激光源方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)尺寸明顯小于超聲波長(zhǎng)的表面裂紋的檢測(cè),探索了該技術(shù)對(duì)于深度小于亞波長(zhǎng)的表面破裂裂紋檢測(cè)的應(yīng)用。Michaels[15]等人通過(guò)安裝在掃描臺(tái)上的空氣耦合換能器和掃描激光測(cè)振儀進(jìn)行了全波場(chǎng)測(cè)量,并進(jìn)行了有效的信號(hào)和成像處理算法處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)波的表征以及結(jié)構(gòu)損傷的定位和量化檢測(cè)。上述學(xué)者在激光超聲測(cè)厚、裂紋與超聲作用機(jī)理等方面做了大量工作,但關(guān)于金屬材料表面缺陷定量無(wú)損檢測(cè)的研究,仍存在一定的研究空間。

本文使用激光超聲寬帶透射系數(shù)和作為表征參數(shù)實(shí)現(xiàn)了裂紋深度的定量檢測(cè)。理論部分采用有限元法模擬了脈沖激光線源在鋁板表面激發(fā)聲表面波的物理過(guò)程,分析了瑞利波在缺陷處反射與透射的聲波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)部分采用熱彈機(jī)制和干涉法搭建了激光超聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)不同深度的試驗(yàn)樣本進(jìn)行了裂紋深度檢測(cè)。研究表明,脈沖激光產(chǎn)生的瑞利波對(duì)金屬表面裂紋十分敏感,隨著裂紋深度的增加,透射系數(shù)和近似線性減小,所提出的計(jì)算方法準(zhǔn)確度良好,可用于精確檢測(cè)裂紋深度。本文研究成果可為航空航天金屬工件表面裂紋的非接觸定量檢測(cè)提供有效的理論方法與技術(shù)手段。

2 有限元分析與測(cè)量原理

2.1 構(gòu)建模型

有限元方法能夠靈活處理復(fù)雜的幾何模型并得到全場(chǎng)數(shù)值解,并且能夠考慮到材料參數(shù)隨溫度變化的實(shí)際情況,已經(jīng)被廣泛用于計(jì)算激光超聲波在材料中的產(chǎn)生和傳播[16]。本文采用有限元方法在COMSOL Multiphysics 5.5軟件上模擬了脈沖激光線源在含有表面裂紋的鋁板表面激發(fā)聲表面波的物理過(guò)程。由于位移場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)影響極小,熱彈雙向耦合可簡(jiǎn)化為順序耦合。先根據(jù)熱傳導(dǎo)方程得出材料模型的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布,而后將瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為體載荷進(jìn)行位移場(chǎng)的求解。仿真過(guò)程中,熱傳導(dǎo)方程和有限元控制方程可表示為:

(1)

(2)

(3)

式中,Ve是元素的體積;BT是形函數(shù)矩陣導(dǎo)數(shù)的轉(zhuǎn)置矩陣;D是材料的特性矩陣;ε0是熱應(yīng)變矢量。

由于表面裂紋與激光線源相互平行,可將本文研究?jī)?nèi)容近似看作二維問(wèn)題?；谑?1)～(3),建立如圖1所示的鋁合金材料有限元模型,材料物理如參數(shù)表1所示。

圖1 含有0.5mm深度裂紋鋁板的有限元模型Fig.1 The finite element model of an aluminum plate with 0.5mm deep cracks

表1 物理參數(shù)設(shè)置Tab.1 Physical parameter settings

2.2 測(cè)量原理

激光超聲在待測(cè)樣品表面激勵(lì)表面波,在傳播過(guò)程中與表面缺陷相互作用產(chǎn)生反射、透射與散射聲波信號(hào)并被接受端接收,這些聲波信號(hào)包含了大量的缺陷尺寸信息。本文采用透射聲波信號(hào)頻域特征實(shí)現(xiàn)缺陷深度的定量檢測(cè)。我們定義有裂紋結(jié)構(gòu)透射聲波信號(hào)的幅值為A1,完整結(jié)構(gòu)直達(dá)波信號(hào)幅值為A2,則透射系數(shù)如下式所示:

(4)

由于不同波長(zhǎng)的瑞利波具有不同反射與透射能力,因此T是關(guān)于頻率f的函數(shù),為了減小誤差,采用透射系數(shù)之和作為裂紋深度表征參數(shù),透射系數(shù)和可以表示為:

(5)

圖2給出了采用透射系數(shù)和作為檢測(cè)特征參數(shù)的表征流程示意圖。

圖2 測(cè)量方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement method

由圖2可見(jiàn),透射系數(shù)和是一定頻率范圍內(nèi)激光超聲透射系數(shù)之和,該參數(shù)表征了該頻率范圍內(nèi)表面裂紋對(duì)激光超聲透射的調(diào)制作用。激光超聲表面波具有寬頻帶的特點(diǎn),也就說(shuō)在表面裂紋處多個(gè)頻率分量的聲波同時(shí)作用在裂紋處。由于不同頻率分量的表面波具有不同的透射能力,必然存在一段對(duì)表面裂紋深度敏感的頻率范圍。本文將建立不同深度表面裂紋透射系數(shù)與入射頻率之間的關(guān)系,在表面裂紋深度敏感頻率范圍內(nèi)對(duì)透射系數(shù)求和,進(jìn)而表征待測(cè)表面裂紋的深度。

3.實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于熱彈機(jī)制原理和線源聚焦方式,搭建了激光超聲檢測(cè)平臺(tái)。激光激勵(lì)部分采用CFR200激光發(fā)射器,激光接收部分采用基于邁克爾遜干涉原理的QUARTET-500 mV接收單元。激光激勵(lì)部分發(fā)射脈沖激光后,經(jīng)由焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源,輻照到樣品表面產(chǎn)生聲表面波,隨后由激光接收部分實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的非接觸接收,并將聲信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上通過(guò)LU Scan軟件進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)流程示意框圖與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the experimental system

3.2 樣 品

本文制作了4塊帶有不同深度表面裂紋的6061鋁合金材料待測(cè)樣品,如圖4所示,表面缺陷裂紋深度如表2所示。

表2 表面裂紋深度Tab.2 Surface crack depth

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品Fig.4 Experimental sample

3.3 檢測(cè)方案

本文采用固定激光激勵(lì)與信號(hào)接收裝置的距離,通過(guò)移動(dòng)待測(cè)樣品實(shí)現(xiàn)表面掃查。待測(cè)樣品表面掃查區(qū)域可劃分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ 3 個(gè)部分,Ⅰ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)位于表面缺陷左側(cè)時(shí),Ⅱ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在表面缺陷的兩側(cè),Ⅲ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在表面缺陷右側(cè)。通過(guò)分析不同表面缺陷裂紋深度下區(qū)域Ⅱ采集的超聲波信號(hào),可建立表面缺陷裂紋深度與透射系數(shù)之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料表面缺陷裂紋的定量檢測(cè)。檢測(cè)方案及掃查區(qū)域劃分如圖5所示,其中d為固定激光激勵(lì)與信號(hào)接收裝置部分距離,a為探測(cè)點(diǎn)與缺陷邊沿的距離,最小掃描步長(zhǎng)為0.006 mm,掃查距離為15 mm。

圖5 掃描激光源技術(shù)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of scanning laser source technology device

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 仿真結(jié)果

為了清楚地表示激光產(chǎn)生的瑞利波與表面裂紋的相互作用機(jī)制,利用3.1小節(jié)中建立的物理模型進(jìn)行了數(shù)值分析,得到了同時(shí)刻下瑞利波在完整結(jié)構(gòu)和有裂紋結(jié)構(gòu)的傳播特性,并將二者進(jìn)行了比較。圖6(a)為激光超聲超聲波在完整結(jié)構(gòu)中的位移場(chǎng),其中瑞利波速度為2989.5 m/s,縱波波速為6310 m/s。

圖6 位移場(chǎng)波形Fig.6 Displacement field waveform

從圖6(b)可以看出:激光超聲瑞利波從激發(fā)點(diǎn)向結(jié)構(gòu)的底部和表面兩側(cè)方向傳播,遇到表面裂紋缺陷發(fā)生了反射、透射與散射現(xiàn)象,且這些聲波信號(hào)攜帶了表面裂紋的深度信息。因此,通過(guò)分析瑞利波在特定頻率范圍內(nèi)的透射波特性變化規(guī)律,可以達(dá)到識(shí)別材料表面裂紋深度的目的。

有限元方法得到反射波和透射波信號(hào)的時(shí)域波形如圖7(a)和圖7(b)所示。此時(shí)檢測(cè)探針與激光入射點(diǎn)的距離分別設(shè)置為7 mm和9.5 mm。

圖7 時(shí)域波形Fig.7 Time domain waveform

圖7(a)和圖7(b)分別給出了完整結(jié)構(gòu)和有裂紋結(jié)構(gòu)的同側(cè)和異側(cè)信號(hào)時(shí)域波形。從圖7(a)中可以清晰地看出時(shí)域波形中裂紋處發(fā)生了反射現(xiàn)象。圖7(b)中,實(shí)線為有裂紋結(jié)構(gòu)透射波時(shí)域波形,點(diǎn)劃線為完整結(jié)構(gòu)相同位置處的時(shí)域波形,顯示了透射波信號(hào)經(jīng)過(guò)裂紋后的幅值衰減。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上文所述的實(shí)驗(yàn)裝置及檢測(cè)方案,獲得了表面裂紋深度為0.3 mm樣品的B-SACN圖形及超聲波信號(hào)時(shí)域波形。圖8給出了上述掃查過(guò)程中的B-SCAN圖形,圖9(a)為激發(fā)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)位于圖5中區(qū)域Ⅱ時(shí)所獲得的直達(dá)瑞利波及反射波時(shí)域波形,圖9(b)為激發(fā)點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)位于區(qū)域Ⅲ時(shí)得到的透射波時(shí)域波形。

B-SCAN圖中對(duì)應(yīng)于圖5標(biāo)示了區(qū)域劃分,可以清晰地分辨圖(a)、(b)中箭頭所示的直達(dá)波,反射波和透射波時(shí)域波形。對(duì)比仿真波形圖9與實(shí)驗(yàn)波形圖7驗(yàn)證了有限元方法的準(zhǔn)確性。

圖8 B-SCAN圖Fig.8 B-SCAN diagram

圖9 實(shí)驗(yàn)時(shí)域波形Fig.9 Experimental time-domain waveform

4.3 檢測(cè)結(jié)果

利用第3.3小節(jié)中的所述的測(cè)量方法,分別計(jì)算了表面裂紋深度為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm時(shí)的透射系數(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面裂紋尺寸的定量表征,結(jié)果如圖10所示。

圖10 透射系數(shù)Fig.10 Transmission coefficients

圖10(a)和圖10(b)分別給出了不同頻率范圍下裂紋深度與透射系數(shù)的關(guān)系,從圖10(a)中可以看出:采用有限元方法時(shí),當(dāng)頻率處于0.4～1.6 MHz范圍時(shí),四個(gè)深度下的透射系數(shù)呈近似線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,可以很好地實(shí)現(xiàn)裂紋深度的定量表征。從圖10(b)中可以看出:在實(shí)驗(yàn)方法中,當(dāng)頻率處于1 MHz～2.2 MHz范圍時(shí),裂紋深度與透射系數(shù)同樣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。為了減小實(shí)驗(yàn)和仿真過(guò)程中的測(cè)量誤差影響,我們使用一定頻率范圍下的透射系數(shù)和作為參數(shù)來(lái)測(cè)算裂紋深度。同時(shí),可以看出投射系數(shù)隨著頻率增高降低,也就說(shuō)明了頻率越高,波長(zhǎng)越小,透射能力越小。采用公式(5)定義的投射系數(shù)和作為表征裂紋深度的特征參數(shù),如圖11所示。

圖11 裂紋深度—透射系數(shù)Fig.11 Crack depth-transmission coefficients

圖11中實(shí)線、虛線分別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,隨著裂紋深度增加,透射系數(shù)和減小,且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的趨勢(shì)。將透射系數(shù)和記為t,表面裂紋缺陷深度記為D,根據(jù)式(4)、式(5),利用多項(xiàng)式擬合得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方程為D1=-1.28466t2-0.69515t+1.20427,仿真數(shù)據(jù)擬合方程為D2=0.62184t2-1.26355t+1.22321。上述二式具有良好的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)擬合公式和仿真擬合公式的誤差分別如表3、表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)擬合公式誤差Tab.3 Error of experimental fitting formula

表4 仿真擬合公式誤差Tab.4 Error of simulation fitting formula

5 結(jié) 論

本文采用有限元仿真法和實(shí)驗(yàn)法研究了脈沖激光線源在含有表面缺陷的鋁板中激發(fā)瑞利波的物理過(guò)程,發(fā)現(xiàn)脈沖激光產(chǎn)生的瑞利波對(duì)結(jié)構(gòu)表面裂紋缺陷十分敏感,利用0.5 MHz～2 MHz頻率范圍內(nèi)的透射系數(shù)和作為參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)表面裂紋缺陷的定量表征,并對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。研究成果表明:基于透射系數(shù)和的激光超聲檢測(cè)技術(shù),可為金屬工件表面裂紋缺陷非接觸定量檢測(cè)提供一種有效的方法。