表面裂紋深度和取向的臨界折射縱波檢測

孟亦圓，林 莉，羅忠兵

(大連理工大學 無損檢測研究所，大連 116024)

構(gòu)件表面的載荷條件往往非常復雜，是常見的裂紋形核區(qū)，若能及時發(fā)現(xiàn)表面裂紋，并準確辨別其尺寸和取向信息，可為結(jié)構(gòu)承載性能和服役可靠性評估提供有效保障，避免災難性事故的發(fā)生。因此，發(fā)展針對表面裂紋的無損檢測技術(shù)十分迫切。

針對表面缺陷的聲學檢測方法主要有表面波和超聲導波技術(shù)。表面波由于平行于構(gòu)件表面?zhèn)鞑?，在表面裂紋檢測中具有明顯優(yōu)勢，已被用于航空航天、軌道交通等重要的工程領域[1]。超聲導波在傳播時具有累積效應且衰減小，在薄板和管道表面裂紋檢測方面也具有一定的優(yōu)勢[2]。近年來，臨界折射縱波(LCR) 受到廣泛關(guān)注，其是一種以第一臨界角入射，平行于試件表面?zhèn)鞑サ目v波，適用于工程構(gòu)件的現(xiàn)場檢測[3]。LCR波能量滲透深度可達1.5～1.8倍波長，可覆蓋表面及更大深度范圍[4]，已被用于金屬及非金屬的殘余應力檢測及早期力學損傷評價中[5-7]。在宏觀缺陷檢測方面，DJERIR等[8]通過接收LCR波幅值來辨別鋁塊表面的開口槽，對應檢測深度為5～10 mm。田方園等[9]以深度為0.5～2.5 mm，與聲束方向具有不同夾角的垂直表面裂紋為對象，研究了對應LCR波幅值的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)LCR波幅值隨裂紋深度、角度的增加而逐漸減小，說明LCR波在表面裂紋檢測方面有較大潛力。需要指出的是，影響裂紋檢測的因素較多，裂紋取向、深度等對LCR波特征參量的影響規(guī)律尚未明確，不同參量的關(guān)聯(lián)關(guān)系及裂紋的聲學響應機制仍需進一步明確。

以帶有不同深度、取向表面裂紋的碳鋼試塊為研究對象，基于LCR波檢測方法分析裂紋深度、取向?qū)Σㄐ翁卣鞯挠绊懸?guī)律，探討基于信號幅值和B掃描成像的裂紋表征方法。

1 檢測原理及檢測方案

1.1 LCR波基本原理

超聲波在異質(zhì)界面發(fā)生的折射和反射如圖1所示，當一束超聲縱波傾斜入射至兩種不同材料界面時，一部分能量反射回介質(zhì)Ⅰ，另一部分能量折射進入介質(zhì)Ⅱ。由于界面聲阻抗差異，介質(zhì)Ⅱ中將同時出現(xiàn)折射縱波和橫波，相應的折射角與入射角的關(guān)系符合Snell定律，即

圖1 超聲波在異質(zhì)界面發(fā)生的折射和反射示意

(1)

式中：θ0為縱波在介質(zhì)Ⅰ中的入射角；θl和θs分別為縱波和橫波在介質(zhì)Ⅱ中的折射角；vs為橫波在介質(zhì)Ⅱ中的聲速；v0和vl分別為縱波在介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的聲速。

因此，若vl>v0，則折射角大于入射角。當θl=90°時，相應的入射角θ0即為第一臨界角，記為θCR，則有

θCR=arcsin(v0/vl)

(2)

此時折射縱波即為LCR波。裂紋表面LCR波檢測原理如圖2所示，試驗所用有機玻璃楔塊和碳鋼中的縱波聲速分別為2 730 m·s-1和5 930 m·s-1，經(jīng)計算θCR為27.4°。

圖2 表面裂紋LCR波檢測原理示意

1.2 檢測方案

選用兩塊相同的碳鋼作為試驗材料，厚度為55 mm，采用線切割方式分別加工垂直表面開口型裂紋與傾斜于表面的開口型裂紋，裂紋寬度均為0.2 mm，其中傾斜裂紋透壁長度均為10 mm，垂直表面開口裂紋長度分別為1，2，4，8 mm,表面裂紋缺陷位置如圖3所示。采用相同規(guī)格的A542S-SM型超聲探頭發(fā)射和接收LCR波，其中心頻率為2.25 MHz，采用5800PR型超聲脈沖發(fā)射接收器激勵超聲探頭，采用DPO 4032型數(shù)字示波器采集時域波形數(shù)據(jù)。超聲波傾斜入射至“楔塊/試樣”界面，折射后在試樣內(nèi)部產(chǎn)生的LCR波平行于試樣表面?zhèn)鞑ブ两邮仗筋^。采用Omniscan MX2型超聲檢測儀對試件表面進行B掃描成像，其中LCR波發(fā)射接收探頭沿x方向擺放，裂紋與x負方向夾角為θ。檢測時以0.1 mm為步進沿x方向掃描，移動過程中以恒定壓力保證探頭與試樣間的良好耦合，數(shù)據(jù)采集模塊采樣頻率為100 MHz。

圖3 表面裂紋缺陷位置示意

2 回波信號特征分析

圖4(a)為深度0～8 mm表面垂直裂紋對應的LCR波時域信號波形，可見隨裂紋深度h增大，LCR波幅值逐漸減小，且到達時間刻延后。這是因為表面裂紋會遮擋LCR波，裂紋深度越大，遮擋效果越明顯，透射能量隨之降低。同時，LCR波需要越過裂紋底部才能夠被接收到，傳播距離增大，致使其到達時間刻延后。圖4(b)為長度為10 mm，取向角θ為0°～180°的表面傾斜裂紋對應的LCR波時域信號波形，可見隨著θ增大，LCR波幅值先減小后增大，到達時刻先延后再提前，其中θ為90°時波幅最小，到達時間最長。

圖4 LCR波時域信號波形

測量每種狀態(tài)下的LCR波幅值，根據(jù)式(3)進行歸一化處理[7]。

Anor=AN/A0

(3)

式中:Anor為歸一化幅值;AN為不同裂紋狀態(tài)的LCR波幅;A0為無缺陷狀態(tài)的LCR波幅。

得到的LCR波歸一化幅值隨裂紋深度的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨h增大，Anor逐漸減小，h為8 mm時Anor降至20%。定量表征Anor與h的關(guān)系，得到擬合關(guān)系如下

Anor=0.009h2-0.165h+0.942

(4)

當裂紋長度不變只改變θ，得到的歸一化幅值與裂紋傾角的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可見，隨θ增大，Anor先減小后增大；θ由0°增至90°過程中，Anor迅速下降后緩慢降低，θ=90°時降幅達82%，而后隨θ增至180°，Anor呈增速上升趨勢。對比圖5，Anor隨θ呈近似拋物線變化，對稱軸位于90°位置。此時，對稱軸兩側(cè)的h是相等的，而θ相對于LCR波傳播方向而言并不相同，說明h應該是Anor的決定因素，下面進一步加以討論。

圖5 LCR波歸一化幅值隨表面裂紋深度的變化曲線

圖6 LCR波歸一化幅值隨表面裂紋傾角的變化曲線

根據(jù)傾斜裂紋與裂紋深度的幾何關(guān)系有

h=10×sinθ

(5)

通過計算出每個傾斜裂紋垂直于表面的深度h，繪制其對應點(Anor,h)與垂直裂紋測試所得擬合關(guān)系曲線(見圖7)。計算試驗點與擬合模型的決定系數(shù)R2與均方根誤差分別為0.7和0.06，與原關(guān)系曲線擬合程度較高，且預測值與真實值偏差較小，證明LCR波傳播過程中裂紋傾角的影響主要體現(xiàn)在相對應裂紋深度對LCR波能量的遮擋作用上，裂紋取向本身作用較小。因此基于LCR波幅法可以辨別裂紋的深度差異，但對深度相同、取向不同的裂紋區(qū)分度不高，難以表征裂紋的取向。

圖7 LCR波歸一化幅值Anor隨裂紋深度h的變化曲線

3 表面裂紋LCR波B掃描成像

為了更加直觀高效地表征表面裂紋信息，提高檢測可靠性和效率，進一步利用LCR波B掃描成像特征來判定裂紋深度和取向差異，LCR波B掃描成像結(jié)果如圖8所示。圖8(a)所示垂直裂紋成像結(jié)果中，從左至右的深度h依次為8,4,2,1 mm，最上端為LCR波，無缺陷位置在深度平面上基本成一條直線。當檢測到表面裂紋時，LCR波并不斷開，僅僅因傳播時間延長而下沉，下沉深度與探頭間距有關(guān)。每個裂紋下端都有相對于裂紋中心對稱的弧狀衍射波，幅值較LCR波弱。隨h增加，LCR波下沉段深度增加，幅值減小，同時弧狀衍射帶深度也逐漸變大，幅值逐漸變小。圖8(b)所示傾斜裂紋成像結(jié)果中，從左至右對應的θ依次為15°，30°，45°，60°，75°，90°，相比于垂直裂紋，傾斜裂紋LCR波下沉段為傾斜狀態(tài)，傾角隨θ增加而增大，但開口方向與試塊中裂紋開口方向恰好相反。將圖8(b)中裂紋下端兩弧狀條帶交匯點與裂紋中心連線偏離豎直方向的角度記為α，α隨θ增大而減小。上述結(jié)論證實利用LCR波可實現(xiàn)表面裂紋的B掃描成像，能夠清晰直觀反映裂紋取向和深度信息。

圖8 LCR波B掃描成像結(jié)果

4 結(jié)語

對碳鋼試塊中不同深度、取向表面裂紋的LCR波檢測展開研究，得到的主要結(jié)論如下。

(1)LCR波歸一化幅值隨表面裂紋深度增加單調(diào)下降，與裂紋取向無關(guān)。

(2)LCR波傳播過程受到表面裂紋的遮擋作用，并在裂紋尖端產(chǎn)生衍射。其中，裂紋深度直接影響遮擋效果，裂紋取向影響甚微。

(3) B掃描圖像中LCR波及對應尖端衍射波能夠清晰顯示表面裂紋的位置和取向，適用于表面裂紋的精準表征。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測技術(shù)優(yōu)秀論文評選”活動三等獎。