增材制件內(nèi)部缺陷埋藏深度的激光超聲定量檢測(cè)

田雪雪 趙紀(jì)元 盧秉恒 王 磊

西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所，西安，710049

0 引言

電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)作為一種金屬增材制造技術(shù)，因其沉積效率高、制造成本低、可制造大尺寸構(gòu)件而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。金屬增材制造成形過(guò)程中，由于溫度梯度大、熔池凝固快等原因，制件內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔、裂紋等冶金缺陷[5]，嚴(yán)重影響制件的力學(xué)性能和可靠性。因此，對(duì)增材制件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。

激光超聲檢測(cè)技術(shù)是一種新型的非接觸、高靈敏度、高檢測(cè)精度的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[6]，適用于高溫、高壓等惡劣的工作環(huán)境[7]，是增材制造零件內(nèi)部缺陷在線檢測(cè)的有利工具。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了各種激光超聲內(nèi)部缺陷檢測(cè)工作，以及在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究。YASHIRO等[8]采用激光超聲檢測(cè)方法檢測(cè)90°彎管的內(nèi)部腐蝕缺陷，通過(guò)表面波和縱波傳播過(guò)程中的散射來(lái)檢測(cè)缺陷。TANAKA等[9]利用搭建的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，采用對(duì)超聲信號(hào)與內(nèi)部缺陷作用后的反射率關(guān)系進(jìn)行反演的方法檢測(cè)到碳鋼內(nèi)部直徑0.1 mm的圓柱缺陷。DAVIS等[10]采用激光超聲系統(tǒng)對(duì)SLM工藝加工的試塊進(jìn)行檢測(cè)，但C掃測(cè)量只能對(duì)缺陷形狀進(jìn)行可視化顯示，不能定量測(cè)量缺陷的尺寸和埋藏深度。EVERTON等[11]通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)缺陷和未經(jīng)過(guò)缺陷的B掃圖像分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光粉末床熔合成形樣品多個(gè)亞表面缺陷的檢測(cè)識(shí)別，但未實(shí)現(xiàn)缺陷的定量測(cè)量。張進(jìn)朋等[12]對(duì)激光超聲檢測(cè)中與內(nèi)部缺陷作用的橫波進(jìn)行研究，利用橫波在缺陷處的衍射實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，但激光超聲激勵(lì)的超聲橫波信號(hào)微弱，所以在信噪比低的增材制件的應(yīng)用難度較大。何翔等[13]采用磁光成像的技術(shù)對(duì)WAAM的成形表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)磁光成形圖片進(jìn)行缺陷的識(shí)別和分類。綜上所述，對(duì)于增材制造件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，國(guó)外可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷尺寸的定量檢測(cè)，而國(guó)內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定性檢測(cè)。內(nèi)部缺陷的定量檢測(cè)對(duì)保證試塊的力學(xué)性能，以及工件的安全性和可靠性都具有深遠(yuǎn)的意義，所以有必要進(jìn)行深入研究。

筆者提出一種增材制件的內(nèi)部缺陷埋藏深度的定量檢測(cè)方法，先采用激光超聲檢測(cè)技術(shù)掃描缺陷試塊，然后通過(guò)分析超聲縱波在有無(wú)缺陷的到達(dá)時(shí)間來(lái)定量計(jì)算缺陷的埋藏深度。

1 定量檢測(cè)方法

1.1 激光超聲的原理

激光超聲檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的超聲檢測(cè)技術(shù)，可以激勵(lì)出各種模式的超聲波用于內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。由脈沖激光器和采用干涉儀接收原理的超聲接收系統(tǒng)組成的激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 激光超聲檢測(cè)原理圖

如圖1所示，將激勵(lì)激光器產(chǎn)生的激光束作用于被檢試塊，根據(jù)熱彈效應(yīng)原理，一部分能量被試塊吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使激光照射點(diǎn)急劇熱膨脹，產(chǎn)生熱彈性波。熱膨脹使被檢試塊表面產(chǎn)生切向壓力，被檢試塊內(nèi)部產(chǎn)生橫波、縱波及表面波等多種模式的超聲波信號(hào)[14]。

超聲接收系統(tǒng)中的接收激光器發(fā)射的激光束入射到工件上，在工件表面發(fā)生反射，成為帶有工件表面振動(dòng)信息的信號(hào)光束，并返回超聲接收系統(tǒng)。信號(hào)光束經(jīng)接收器的光干涉處理后，可得攜有工件表面振動(dòng)信息且與表面位移成比例的光電流信號(hào)。通過(guò)對(duì)光電流信號(hào)的分析，可獲取到工件的振動(dòng)信息。

1.2 埋藏深度檢測(cè)方法原理

激光超聲激勵(lì)的縱波在材料中傳播時(shí)，會(huì)在內(nèi)部缺陷處發(fā)生反射，對(duì)缺陷處的反射縱波進(jìn)行分析，即可得出缺陷的特征信息。

掃查過(guò)程中，激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)無(wú)缺陷位置時(shí)，縱波會(huì)在試塊的底面反射，如圖2所示，其中，紅色箭線表示激勵(lì)激光器激勵(lì)的超聲波，箭頭為激光激勵(lì)點(diǎn)位置；藍(lán)色箭線表示超聲接收系統(tǒng)的接收信號(hào)，箭線尾部為信號(hào)的接收點(diǎn)，x為激光激勵(lì)點(diǎn)和超聲接收點(diǎn)的距離，d為被檢測(cè)件的厚度，θ為激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)連線的中垂線與縱波傳播路徑的夾角，橙色箭線表示的傳播路徑即為無(wú)缺陷處縱波聲程。

圖2 無(wú)缺陷處的縱波聲程圖

掃查過(guò)程中，激光超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)內(nèi)部缺陷時(shí)，縱波會(huì)在缺陷的上表面反射，形成反射回波，如圖3所示，其中，L為缺陷的埋藏深度，θ′為激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)連線的中垂線與縱波傳播路徑的夾角。

圖3 有缺陷處的縱波聲程圖

由圖3可以看出，當(dāng)激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離x一定時(shí)，缺陷的埋藏深度為

(1)

式中，S2為經(jīng)過(guò)缺陷處時(shí)的縱波聲程。

1.3 小波包分解技術(shù)

小波包分解技術(shù)能把一個(gè)振動(dòng)信號(hào)映射到一個(gè)相互正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間，形成信號(hào)在不同尺度、不同頻段的分解序列，并保留信號(hào)在各尺度上的時(shí)域特征。小波包分解技術(shù)算法如下[15]。

設(shè)正交共軛濾波器H和G滿足

(2)

其中，Hn-2k、Hn-2l、Hn為矩陣H的元素；δk.l為矩陣δ的元素；Gk為矩陣G的元素；n，k，l∈Z。

為實(shí)現(xiàn)離散序列{sp|p∈Z}的小波包分解展開(kāi)，定義如下算子：

(3)

設(shè)f0,0為接收到的原始超聲波信號(hào)，則根據(jù)小波包分解理論有

(4)

式中，J為分解層數(shù)；nJ為J層分解層數(shù)下的頻帶序號(hào)；j為J+1層分解得到的信號(hào)序列的序號(hào)。

重構(gòu)與分解的算法相似：存在一組濾波器H*和G*，其中，H*是H的對(duì)偶算子，G*是G的對(duì)偶算子，用這組濾波器對(duì)得到的小波包分解序列進(jìn)行逆運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重構(gòu)。

小波包分解是一種具有良好時(shí)頻特性的信號(hào)處理方法。針對(duì)超聲波信號(hào)復(fù)雜、多模態(tài)、寬頻帶、低信噪比等特點(diǎn)，研究超聲波信號(hào)中不同模態(tài)信號(hào)的頻域特征，結(jié)合小波包分解技術(shù)的時(shí)頻特性，實(shí)現(xiàn)激光超聲信號(hào)的前處理。先采用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試塊進(jìn)行掃查，采集相應(yīng)的超聲波信號(hào)。然后采用小波包分解技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行前處理，提取縱波信號(hào)，最后提取信號(hào)中超聲縱波的第一次到達(dá)時(shí)間，將有缺陷和無(wú)缺陷處的到達(dá)時(shí)間代入式(1)即可得到缺陷的埋藏深度。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖4a所示，激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要包括脈沖激光器、接收激光器、接收器(型號(hào)AIR-1550-TWM)、計(jì)算機(jī)和控制激光頭移動(dòng)的控制器(具有6個(gè)自由度的機(jī)械臂)。實(shí)驗(yàn)采用的接收器包括光纖激光器、分光器和解碼器等幾個(gè)部分。

圖4b為激光超聲系統(tǒng)實(shí)物圖。激勵(lì)激光頭和接收激光頭固定在一塊光學(xué)平板上，光學(xué)平板固定連接在機(jī)械臂上。在控制器的作用下，激勵(lì)激光頭和接收激光頭以一定的相對(duì)距離共同移動(dòng)。激勵(lì)激光器為波長(zhǎng)1064 nm的Nd：YAG脈沖激光器(重復(fù)頻率20 Hz，最大脈沖能量50 mJ)。接收器的激光波長(zhǎng)為1550 nm，檢測(cè)帶寬為125 MHz，光斑尺寸為0.1～0.2 mm。為在檢測(cè)增材制造內(nèi)部缺陷時(shí)能得到信噪比高的縱波，將激勵(lì)激光器的能量設(shè)為42.3 mJ。

(a)系統(tǒng)示意圖 (b)系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)試塊

(1)鋁合金精鍛試塊。試塊的長(zhǎng)、寬、高分別為90 mm、70 mm和10 mm，表面粗糙度Ra為0.4 μm，試塊的表面有長(zhǎng)10 mm、寬2 mm、深4 mm的凹槽缺陷。

(2)WAAM加工試塊。WAAM工藝加工試塊的長(zhǎng)、寬、高分別為90 mm、70 mm和10 mm，表面粗糙度Ra為0.4 μm，試塊的表面有長(zhǎng)10 mm、寬2 mm、深4 mm的凹槽缺陷。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)在試塊沒(méi)有表面缺陷的一側(cè)進(jìn)行掃查，有缺陷的一側(cè)為試塊底面，則試塊底面的缺陷在無(wú)缺陷表面掃查過(guò)程中成為內(nèi)部缺陷。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

圖5為實(shí)驗(yàn)的掃查路徑示意圖，其中，藍(lán)色色塊表示缺陷位置，虛線表示缺陷為內(nèi)部缺陷，紅點(diǎn)為掃查點(diǎn)，紅色箭線為掃描路徑。激光激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)接收點(diǎn)距離一定，且兩點(diǎn)連線與Y軸平行，掃描路徑與缺陷的長(zhǎng)邊垂直，如圖6所示。激勵(lì)點(diǎn)和接收點(diǎn)的距離為6 mm，掃描步長(zhǎng)為0.1 mm，掃查點(diǎn)數(shù)為300，采樣頻率為125 MHz，每個(gè)超聲波信號(hào)的采樣時(shí)間為20 μs。對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)處采集到的16個(gè)激光信號(hào)進(jìn)行時(shí)域平均處理，以減小實(shí)驗(yàn)隨機(jī)噪聲的干擾。

圖5 實(shí)驗(yàn)掃查示意圖

圖6 激勵(lì)點(diǎn)與接收點(diǎn)的位置關(guān)系示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 信號(hào)前處理

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)信號(hào)存在超聲表面波和縱波的耦合，影響了表面波和縱波的時(shí)域特征提取。表面波和縱波的反射回波的到達(dá)時(shí)間相近，故表面波和縱波在時(shí)域上出現(xiàn)耦合，無(wú)法直接讀取縱波的到達(dá)時(shí)間，因此對(duì)表面波和縱波的頻域分布進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)二者的區(qū)別。

圖7 存在超聲表面波和縱波耦合的原始信號(hào)

截取實(shí)驗(yàn)信號(hào)中的超聲表面波和縱波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行去趨勢(shì)、補(bǔ)零和快速傅里葉變換，得到的頻譜如圖8所示，可以看出，超聲表面波和縱波的頻率在頻譜圖上的分布不同，表面波頻率主要分布在1.3 MHz附近，縱波頻率主要分布在7.5 MHz附近。用小波包分解的方法將原始信號(hào)分解展開(kāi)到不同的頻帶，再選取表面波和縱波所在的頻帶進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超聲表面波和縱波的分離和提取。

圖8 表面波和縱波頻譜圖

原始信號(hào)的采樣頻率為125 MHz，且表面波和縱波的頻率存在交疊部分，所以要盡量避免選取重疊部分的頻帶，故選取低于3.91 MHz的頻帶為表面波所在頻帶、5.86～15.63 MHz的頻帶為縱波所在頻帶進(jìn)行表面波和縱波的提取。信號(hào)分離的小波包分解層數(shù)為6。根據(jù)超聲表面波和縱波的波形特征，選用與超聲波波形相似、可從原始信號(hào)中提取到更多超聲信號(hào)能量的dmey小波基函數(shù)。

將存在耦合的原始信號(hào)(圖7)進(jìn)行小波包分解，并截去處理所得信號(hào)中的空氣振蕩波。由圖9、圖10可以看出，超聲表面波和縱波在時(shí)域得到分離，有利于從信號(hào)圖中直接讀取在缺陷處反射的超聲縱波的時(shí)域特征。

圖9 分離得到的超聲表面波

圖10 分離得到的超聲縱波

3.2 精鍛加工試塊結(jié)果分析

圖11為采用2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)方案在精鍛試塊中得到的原始信號(hào)的B掃圖，可以看出，原始信號(hào)在時(shí)域內(nèi)存在表面波和縱波的耦合，采用3.1的方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行信號(hào)前處理，提取到的縱波信號(hào)如圖12所示。

圖11 精鍛試塊B掃信號(hào)圖

圖12 精鍛試塊提取的縱波信號(hào)圖

由圖12可以看出，影響縱波時(shí)域特征提取的表面波信號(hào)被濾除，缺陷處反射的縱波信號(hào)更加明顯。信號(hào)中第一次接收到的反射縱波的到達(dá)時(shí)間如圖13所示，可以看出，當(dāng)掃查不經(jīng)過(guò)缺陷位置時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)試塊的板厚固定，所以縱波的傳播時(shí)間相同，到達(dá)時(shí)間表現(xiàn)為一條平行于橫軸的直線。掃查經(jīng)過(guò)缺陷位置時(shí)，缺陷導(dǎo)致縱波的聲程減小、到達(dá)時(shí)間變短。加工的試塊缺陷底面為平面，掃查經(jīng)過(guò)此處的縱波聲程一定，故缺陷處的縱波到達(dá)時(shí)間也存在一個(gè)保持不變的穩(wěn)定過(guò)程?？v波經(jīng)過(guò)缺陷邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生衍射。衍射縱波的干擾使反射縱波的到達(dá)時(shí)間先縮短、后延長(zhǎng)。

圖13 反射縱波到達(dá)時(shí)間圖(精鍛試塊)

t2取信號(hào)中經(jīng)過(guò)缺陷處的縱波到達(dá)時(shí)間的眾數(shù)。試塊厚度一定時(shí)，縱波的底面反射回波到達(dá)時(shí)間也一定，故取未經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)縱波到達(dá)時(shí)間的眾數(shù)為底面反射縱波到達(dá)時(shí)間t1進(jìn)行計(jì)算。

由圖13可知，掃查不經(jīng)過(guò)缺陷位置時(shí)，縱波的到達(dá)時(shí)間t1=3.424 μs；掃查經(jīng)過(guò)缺陷位置時(shí)，縱波的到達(dá)時(shí)間t2=2.232 μs。試塊厚度d=10 mm，根據(jù)式(1)可得缺陷的埋藏深度L=6.109 mm。由表面缺陷深度4 mm可得缺陷的實(shí)際埋藏深度Lt=6 mm，則本次測(cè)量的絕對(duì)誤差為0.109 mm，相對(duì)誤差為1.81%。

3.3 WAAM加工試塊結(jié)果分析

采用2.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案在WAAM試塊掃查230個(gè)點(diǎn)，得到原始信號(hào)的B掃圖(圖14)。與傳統(tǒng)試塊相比，增材制造零件內(nèi)部存在大量微小氣孔，超聲縱波在試塊內(nèi)部的傳播過(guò)程中會(huì)多次反射和衍射，故信號(hào)圖(圖14)中只能清楚觀察到第一次底面反射的縱波，不能清楚觀察到縱波在底面多次反射的回波，且缺陷處的反射回波幅值較小，所以到達(dá)時(shí)間相比精鍛件更難提取。

圖14 WAAM試塊B掃信號(hào)圖

兩種不同類型試塊的未經(jīng)過(guò)缺陷處的原始A掃信號(hào)如圖15、圖16所示。WAAM試塊反射縱波的信號(hào)幅值相對(duì)較小、信噪比較低?？v波在試塊內(nèi)部傳播時(shí)，增材試塊內(nèi)部組織的微小氣孔使得縱波在傳播過(guò)程中的幅值衰減大，縱波信號(hào)極易湮沒(méi)在高頻噪聲中。

圖15 精鍛試塊原始信號(hào)圖

圖16 WAAM試塊原始信號(hào)圖

經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，縱波的反射波與表面波在時(shí)域內(nèi)耦合，采用3.1節(jié)的方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行信號(hào)前處理，提取到的縱波信號(hào)如圖17所示。

圖17 WAAM試塊提取的縱波信號(hào)圖

由圖17可以看出，信號(hào)前處理后，縱波反射波幅值明顯增大，且可觀測(cè)到缺陷處的反射縱波。表面波信號(hào)雖得到濾除，但由于缺陷處縱波反射回波幅值偏低，殘余的表面波信號(hào)仍會(huì)對(duì)縱波時(shí)域特征的提取造成影響。提取信號(hào)中的一次反射縱波的到達(dá)時(shí)間特征如圖18所示。

圖18 反射縱波到達(dá)時(shí)間圖(WAAM試塊)

由圖18可以看出，掃查經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，縱波的聲程變短，導(dǎo)致縱波的到達(dá)時(shí)間縮短。增材制造試塊內(nèi)部存在較多微小氣孔，因此縱波在傳播過(guò)程中會(huì)多次反射和衍射，信號(hào)時(shí)域特征的穩(wěn)定性較差、信噪比較小，難以從提取到的縱波到達(dá)時(shí)間圖中讀取缺陷處的縱波到達(dá)時(shí)間。

通過(guò)分析反射縱波到達(dá)時(shí)間的規(guī)律，對(duì)提取的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行處理。由于未經(jīng)過(guò)缺陷或經(jīng)過(guò)缺陷的到達(dá)時(shí)間曲線均平行于橫軸，故可以根據(jù)兩個(gè)掃查點(diǎn)到達(dá)時(shí)間連線的斜率進(jìn)行異常點(diǎn)的濾除。掃查無(wú)缺陷位置和缺陷位置時(shí)，縱波聲程一定，縱波到達(dá)時(shí)間一定，縱波對(duì)應(yīng)到達(dá)時(shí)間的連線斜率為0。當(dāng)前后兩點(diǎn)到達(dá)時(shí)間的連線斜率大于一定值(多次試驗(yàn)后，將斜率范圍設(shè)定為-10～10)時(shí)，則后一個(gè)點(diǎn)被認(rèn)為是異常點(diǎn)，將后一個(gè)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間修正為前一個(gè)到達(dá)時(shí)間，即斜率改為0。處理后的反射縱波到達(dá)時(shí)間如圖19所示，可以看出，處理后，原反射縱波到達(dá)時(shí)間圖中的信號(hào)毛刺被去除，可以精準(zhǔn)快速地提取缺陷處反射縱波的到達(dá)時(shí)間。

圖19 反射縱波到達(dá)時(shí)間處理圖

取處理后的到達(dá)時(shí)間最小值為缺陷處反射縱波的到達(dá)時(shí)間t2；與精鍛試塊信號(hào)的處理相同，取縱波到達(dá)時(shí)間的眾數(shù)為底面反射縱波到達(dá)時(shí)間t1。掃查不經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，t1=3.536 μs；掃查經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，t2=2.304 μs。試塊厚度為10 mm，則根據(jù)式(1)可得缺陷的埋藏深度L=6.106 mm。缺陷實(shí)際的埋藏深度Lt=6 mm，則計(jì)算得到本次測(cè)量的絕對(duì)誤差為0.106 mm，相對(duì)誤差為1.76%。

4 結(jié)論

(1)激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)采集到的含有多種模式的超聲波信號(hào)中，超聲表面波和縱波在頻域內(nèi)存在差異。

(2)依據(jù)表面波和縱波的頻率差異，采用小波包分解的方法，將超聲表面波和縱波分解到不同的頻帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)二者的分離。

(3)激光超聲掃查路徑存在內(nèi)部缺陷時(shí)，根據(jù)超聲縱波在試塊中傳播路徑的不同，提出缺陷埋藏深度的定量檢測(cè)方法。精鍛加工試塊實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為1.81%。

(4)將內(nèi)部缺陷埋藏深度定量檢測(cè)方法用于WAAM加工的增材試塊，采用異常點(diǎn)濾除算法處理縱波到達(dá)時(shí)間特征，實(shí)現(xiàn)了增材制造試塊內(nèi)部缺陷埋藏深度的定量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為1.76%。