腐蝕損傷的激光超聲可視化成像檢測

尚曉壯，劉瑤璐,1b，周世杰，寧慧銘,1b，胡 寧,2

(1.重慶大學 a.航空航天學院；b.非均質(zhì)材料力學重慶市重點實驗室，重慶 400044；2.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401)

隨著科學技術(shù)的不斷進步，航空航天、交通運輸?shù)裙I(yè)迎來了日新月異的變化，相應(yīng)地，也對所需工業(yè)結(jié)構(gòu)提出了更嚴格的要求。長期高強度的運作、復(fù)雜的工作環(huán)境必然會對結(jié)構(gòu)和材料造成各式各樣的腐蝕損傷，因此，針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測迫切需要提出一種高效可靠的檢測方法。在無損檢測手段中，通常用超聲檢測技術(shù)對缺陷進行檢測，但常規(guī)超聲檢測技術(shù)大部分用傳感器產(chǎn)生超聲波、需要耦合劑，操作復(fù)雜，不適合進行非接觸式檢測[1-2]。較傳統(tǒng)檢測方式，激光超聲檢測技術(shù)在檢測速度上更快，適用性更強，并且激光超聲還具有多模式、寬頻帶以及高空間分辨率的特點，可以實現(xiàn)缺陷的在線檢測和監(jiān)測[3-4]。激光超聲檢測技術(shù)的快速發(fā)展使超聲可視化成為無損檢測行業(yè)中新的研究方向。

國內(nèi)外大量學者開展了一系列關(guān)于激光超聲可視化檢測的研究。最早由White[5]提出運用激光激勵的方式來產(chǎn)生超聲波的想法。隨后，Victorov[6]提出可以利用超聲表面波的發(fā)射、透射系數(shù)檢測固體內(nèi)部的損傷缺陷。Ledbette等[7]在激光照射的材料中發(fā)現(xiàn)了多種超聲波存在(橫波、縱波、Lamb波等)，該發(fā)現(xiàn)成功為激光超聲波檢測技術(shù)提供了堅實的理論依據(jù)。喻明等[8]參照X射線的CT成像原理，利用Lamb波能量衰減的變化情況重建鋁板中的損傷區(qū)域。Hu等[9-11]和Liu等[12,13]自主研發(fā)了一套全自動激光超聲掃描檢測設(shè)備，可以實現(xiàn)對鋁板的通孔、凹槽和復(fù)合材料板中脫層進行快速的掃描識別，并且能夠結(jié)合特有的程序?qū)Σ牧系慕Y(jié)構(gòu)損傷進行實時成像。Seher等[14]在用A0模式Lamb波對標準管道和腐蝕管道進行壁厚損傷檢測時發(fā)現(xiàn)，可以用Lamb波的幅值大小描述管道的厚度。

激光超聲檢測技術(shù)在國內(nèi)無損檢測行業(yè)中的應(yīng)用較少，特別是對于鋁板腐蝕損傷的檢測。因此，筆者采用全自動激光超聲掃描實驗系統(tǒng)，開展激光掃描腐蝕鋁板的實驗，探討鋁板損傷區(qū)域可視化成像的可行性；并提出了一種評估材料腐蝕損傷嚴重程度的方法，通過激光掃描實驗完成對不同腐蝕程度的鋁板的評估分析，為腐蝕損傷的無損檢測研究奠定一定的實驗基礎(chǔ)。

1 超聲可視化成像原理

筆者將基于“彈性波能流法”的理論完成對鋁板的腐蝕損傷的可視化成像處理。文獻[15-17]利用激光掃描法(LSM)和貝蒂互換定理提出超聲波傳播可視化技術(shù)概念，Liu等[12]在此基礎(chǔ)上改進發(fā)展，進而提出“彈性波能流法”測量材料損傷的方法。眾所周知，彈性波的傳播過程就是彈性波能量的傳播，在波源粒子振動帶動附近粒子振動的同時，就使得波源附近粒子獲得了能量，能量就這樣不斷地向前傳播。因此，將某一時間段通過該粒子的總能量定義為“彈性波能量流”。當利用超聲波檢測某一范圍時，測量所有介質(zhì)粒子點上的波的應(yīng)變能，得到整個檢測區(qū)域的“彈性波能量流”，就可以繪制出檢測區(qū)域的彈性波能流圖。通過對能流圖的分析，即可得到材料的損傷位置、形狀和大小。在實驗中利用激光動態(tài)打點的方式激發(fā)超聲波，通過超聲波探頭接收信號，即可得到激光激發(fā)點位置的超聲波能量，即等價的應(yīng)變能γ，其原理表達式如式(1)所示[12]。

(1)

式中：ΔT為采樣間隔時間，T為信號的采樣時間，εxi表示x方向上應(yīng)變，εyi表示y方向上應(yīng)變，εxi+εyi表示激光點在i點信號的幅值，β為一比例常數(shù)。通過公式計算出檢測區(qū)間內(nèi)的每個激光掃描點的γ的值，就能得到檢測區(qū)域的波的能流圖。

對檢測區(qū)間每個激光掃描點的信號進行傅里葉變換，提取該區(qū)域所有點信號的基頻最大幅值A(chǔ)1，從而得到檢測區(qū)域波的最大幅值圖。波的最大幅值圖本質(zhì)上也是波的能流圖，可以對實驗掃描區(qū)域中的損傷進行判定。相比較于波的能流圖而言，得到波的最大幅值圖的信號處理算法更簡單，計算過程也更加簡單，所以這里采取波的最大幅值圖來描述鋁板的腐蝕損傷。

2 實驗部分

2.1 檢測試件及儀器

實驗中使用的鋁材為航空鋁材2024型號，板材尺寸為1 500 mm×750 mm×1.5 mm，實驗時在鋁板上制作1個矩形損傷區(qū)域，大小約為40 mm×40 mm，如圖1所示。為了在2024型號的航空鋁材表面獲得盡可能真實的損傷區(qū)域，使用25%的鹽酸溶液均勻腐蝕鋁板表面。腐蝕鋁板前為了防止腐蝕時鹽酸溶液溢出，在腐蝕區(qū)域邊緣上固定高約5 mm的半固態(tài)玻璃膠，并讓玻璃膠在正常溫度下固化4 h。等待玻璃膠固化完成后，即開始對鋁板的腐蝕。

圖1 鋁板腐蝕損傷區(qū)域示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corrosion damage area in an aluminum plate

實驗儀器為自主設(shè)計的全自動激光超聲掃描實驗系統(tǒng)，其系統(tǒng)整體框架如圖2所示。主要由硬件：包括激光器模塊、探頭模塊；軟件：包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、路徑規(guī)劃軟件、參數(shù)設(shè)置軟件兩部分構(gòu)成。其中激光超聲掃描檢測系統(tǒng)采用Dawa-100型Q調(diào)Nd:YAG激光器，輸出激光波長為1 064 nm，脈寬為6～8 ns，單個脈沖點能量最高可達100 mJ，激光重復(fù)頻率為1～20 Hz。為避免光斑的功率密度過高，通過聚焦透鏡使得激光光斑的直徑為2 mm。脈沖激光照射試件表面時，試件表面吸收光能瞬間轉(zhuǎn)化的熱能會使試件產(chǎn)生微小變形。通過硬件部分的數(shù)據(jù)采集和控制模塊采集傳入的超聲信號，檢測完成后，通過MATLAB軟件完成超聲信號中Lamb波的截取和處理，最終實現(xiàn)損傷檢測的可視化。

圖2 全自動激光超聲掃描檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 2 Architecture of automatic laser ultrasonic scanning detection system

2.2 實驗檢測方案

利用全自動激光超聲掃描實驗系統(tǒng)對鋁板腐蝕區(qū)域進行激光掃描實驗。實驗掃描方案如圖3所示，激光掃描范圍是鋁板腐蝕中心的1個80 mm×80 mm的矩形區(qū)域。在掃描實驗開始前，掃描區(qū)域按照掃描點的柵格進行劃分(圖4)。區(qū)域的橫向方向設(shè)為a方向，縱向方向設(shè)為b方向，得到所有掃描點的坐標(ai，bi)，掃描路徑間距為10 mm，共計9條掃描路徑，每條掃描路徑上掃描9個點，并且每個掃描點重復(fù)掃描50次，以減小實驗數(shù)據(jù)的偶然性帶來的誤差。中心頻率100 kHz的探頭放置在掃描區(qū)域同側(cè)距離約10 cm的地方接收超聲信號，把接收到的超聲信號通過低通濾波器過濾掉頻率較高的噪聲信號，然后傳入數(shù)字采集系統(tǒng)。待該次實驗完成后，重復(fù)多次上述實驗，驗證實驗的可重復(fù)性和可靠性。

圖3 激光掃描實驗圖Fig. 3 Laser scanning experiment

圖4 激光掃描區(qū)域點圖Fig. 4 Dot map of laser scanning area

2.3 信號分析及檢測結(jié)果

在激光掃描實驗完成后，對激發(fā)的超聲信號進行分析，如圖5為坐標(a1，b5)和坐標(a9，b5)的超聲波信號。從波形圖中，能明顯的看出每個超聲信號中存在2個波包。計算發(fā)現(xiàn)第1個波包群速度大約為5 500 m/s，第2個波包群速度大約為2 231 m/s，根據(jù)鋁板的頻散曲線可以判斷第1個波包為Lamb波的S0模式，第2個波包為Lamb波的A0模式。由于S0模式的強度較小，所以在后續(xù)的研究中選擇A0模式進行分析。

圖5 2個坐標點的波形圖Fig. 5 Waveform of two waves

為了研究腐蝕區(qū)域內(nèi)外掃描點處激發(fā)的超聲信號特征，選擇a5路徑上掃描點的超聲信號進行分析。研究發(fā)現(xiàn)腐蝕區(qū)域內(nèi)掃描點的信號強度小于未腐蝕區(qū)域內(nèi)掃描點的信號強度，如圖6所示，這是由于腐蝕區(qū)域內(nèi)激光與材料相互作用的能量受到腐蝕損傷的削減，導(dǎo)致產(chǎn)生的超聲波信號減弱。選取信號中的A0模式波包，對其進行傅里葉變換，提取A0模式的中心頻率幅值A(chǔ)1，如圖7所示。將幅值A(chǔ)1作為通過掃描點的彈性波能量，對掃描區(qū)域進行損傷成像，檢測結(jié)果如圖8所示。圖8中存在一塊顏色分布較為均勻且呈深藍色的區(qū)域，其大小約為40 mm×40 mm，為鋁板的腐蝕損傷區(qū)域?？梢姡肁0模式的信號強度可對腐蝕損傷進行成像，且通過多次重復(fù)性試驗證明檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠。

圖6 a5路線上超聲信號圖Fig. 6 Ultrasound signal diagram on the a5 route

圖7 A0模式Lamb波信號頻域圖Fig.7 Frequency domain diagram of A0 mode wave signal

圖8 實驗鋁板腐蝕區(qū)域成像圖Fig. 8 Image of corrosion area of aluminum plate

3 腐蝕程度評估

3.1 幅值A(chǔ)1評估腐蝕損傷程度的可行性分析

為了研究幅值A(chǔ)1評估腐蝕損傷程度的可行性，首先，通過鹽酸腐蝕的方式在鋁板上制造程度不同的腐蝕損傷。實驗時準備3塊型號為2024的航空鋁材，尺寸為750 mm×750 mm×1.5 mm，并且在每塊鋁板的中心位置標記出1個40 mm×40 mm的待腐蝕區(qū)域，并將板材標號為1號板、2號板和3號板，其相應(yīng)的腐蝕區(qū)域也標號為1號區(qū)域、2號區(qū)域和3號區(qū)域。分別使用不同劑量鹽酸10，20，40 mL，依次對上述區(qū)域進行相同時間的腐蝕，最終獲得3塊不同損傷程度的試樣，如圖9所示，在腐蝕程度上可以判定為3號區(qū)域最大，2號區(qū)域次之，1號區(qū)域最小。

圖9 鋁板腐蝕損傷區(qū)域圖Fig. 9 Corrosion damage area of aluminum plate

其次，對3塊板上的掃描區(qū)域的超聲信號進行幅值A(chǔ)1提取，并完成3塊腐蝕區(qū)域的超聲可視化成像圖，如圖10所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)成像圖中腐蝕區(qū)域顏色均呈深藍色，不能簡單的通過腐蝕區(qū)間的顏色深淺來判斷腐蝕區(qū)域的嚴重程度。進一步對比3種情況下a4，a5，a63條路徑上掃描點的幅值A(chǔ)1，如圖11所示。圖11中顯示，3條掃描路徑上各點的幅值A(chǔ)1相差不大，因此利用幅值A(chǔ)1來評價腐蝕損傷程度是不可行的。

圖10 1～3號腐蝕區(qū)域幅值A(chǔ)1成像圖Fig. 10 A1 amplitude images of corrosion area 1 to 3

圖11 經(jīng)過腐蝕區(qū)間不同路徑的A1對比曲線圖Fig.11 Comparison of A1 in different paths passing through the corrosion zone

3.2 能量比值A(chǔ)21評估腐蝕程度分析

圖12 低頻區(qū)間和高頻區(qū)間能量表示圖Fig.12 Representation of energy in low and high frequency ranges

上節(jié)分析發(fā)現(xiàn)通過幅值A(chǔ)1可以檢測腐蝕損傷區(qū)域，卻無法評估腐蝕損傷程度。實際上腐蝕越嚴重的區(qū)域，材料表面的變形情況就越嚴重，單用1個因子(幅值A(chǔ)1)是無法對腐蝕的嚴重程度進行定量判斷的。實驗中的激光熱膨脹產(chǎn)生的超聲信號是1個寬頻信號，該信號的主要能量集中在主頻區(qū)間50～200 kHz之間，然而信號在200～300 kHz的高頻區(qū)間也具有較明顯的能量。分析發(fā)現(xiàn)當腐蝕程度不同時，信號在主頻區(qū)間和高頻區(qū)間能量分配是不一致的。為了研究主頻區(qū)間和高頻區(qū)間信號能量的相對變化，將A0模式的主頻區(qū)域能量用S1表示，高頻區(qū)間能量用S2表示，如圖12所示，并定義公式(2)來衡量這2個頻率區(qū)域能量的相對變化。

(2)

為了研究A21的值能否判斷腐蝕的損傷程度，同樣選擇路徑a4，a5，a6這3條經(jīng)過腐蝕區(qū)間路徑的A21值來進行分析，如圖13為上面3種程度不同的腐蝕損傷的A21對比曲線。

圖13 經(jīng)過腐蝕區(qū)間不同路徑上的A21對比曲線圖Fig. 13 Comparison of A21 in different paths passing through the corrosion zone

在圖13中，經(jīng)過腐蝕區(qū)間的3條路徑上，A21值的大小均為3>2>1，A21值的變化與鋁板的腐蝕損傷程度趨勢一致，即腐蝕越嚴重，A21值越大。以上結(jié)果表明，當腐蝕程度不同時，激光激發(fā)出的超聲波在不同頻率上能量分配是不一樣的；當腐蝕程度越嚴重時，能量會向高頻區(qū)間移動，導(dǎo)致A21的值變大。

為了探究這種現(xiàn)象的機理，利用納米壓痕儀測量材料未腐蝕區(qū)域和腐蝕區(qū)域的楊氏模量。表1是未腐蝕區(qū)域和腐蝕區(qū)域隨機測量的9個點的楊氏模量，腐蝕區(qū)域的楊氏模量在5～50 GPa間，遠小于未腐蝕區(qū)域的楊氏模量(64～83 GPa)。圖14為腐蝕區(qū)域的材料微觀組織圖，從圖14中可以發(fā)現(xiàn)受腐蝕區(qū)域出現(xiàn)了孔洞和微裂紋，并且材料變得疏松。激光輻照導(dǎo)致在材料表面局部溫度升高，材料發(fā)生熱彈性膨脹產(chǎn)生應(yīng)力振動并傳至材料內(nèi)部形成超聲波。當激光作用在受腐蝕材料上時，楊氏模量的減小導(dǎo)致材料的應(yīng)力振動強度減小，因此形成的超聲波強度下降；然而由于腐蝕產(chǎn)生的微裂紋缺陷會引起材料更多的高頻率振動，使得超聲波能量向高頻移動。

表1 未腐蝕區(qū)域和腐蝕區(qū)域的楊氏模量

圖14 電子顯微鏡下腐蝕區(qū)域材料微觀組織圖Fig. 14 Microstructure of the material in the corroded area under electron microscope

因此，提出能量比值法(A21)對腐蝕損傷程度進行評估。把所有的掃描點能量比值A(chǔ)21的值可視化成像處理，得到1號區(qū)域、2號區(qū)域和3號區(qū)域A21值的腐蝕損傷成像圖，如圖15所示。

圖15 A21的腐蝕損傷成像圖Fig. 15 Corrosion damage images of A21

圖15(a)顯示，A21值成像的腐蝕區(qū)域位置和A1值成像位置幾乎一樣，說明也可以通過A21的值來進行損傷區(qū)域的可視化。并且，3個腐蝕區(qū)域的A21成像圖的顏色梯度的數(shù)值大小存在較大差異，1號腐蝕區(qū)域的A21值最大值為8，2號腐蝕區(qū)域的A21值最大值大于20，但卻小于25，3號腐蝕區(qū)域的A21值最大值大于25，即A21的梯度值可得到3>2>1。當把顏色梯度統(tǒng)一設(shè)置為30時，提取腐蝕區(qū)域位置的A21值，得腐蝕區(qū)域成像圖15(b)。從圖15(b)中可以很明顯的看出，1號腐蝕區(qū)域的顏色最深，2號腐蝕區(qū)域的顏色稍微明亮，3號腐蝕區(qū)域顏色最為亮麗，即可通過顏色的深淺程度看出3號腐蝕區(qū)域最為嚴重，2號腐蝕區(qū)域次之，1號腐蝕區(qū)域最輕，說明可簡單從梯度顏色值來判別腐蝕的嚴重程度。因此，能量比值法(A21)可以對腐蝕損傷程度進行評估。

4 結(jié) 論

根據(jù)激光超聲理論，采用自主設(shè)計的一套全自動激光超聲掃描檢測系統(tǒng)，通過對鋁板中的腐蝕損傷進行激光掃描實驗，分析了Lamb波能量、幅值和腐蝕損傷之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)依據(jù)“彈性波能流法”的原理，通過對復(fù)雜的激光超聲信號進行分析，成功利用信號中分離出的A0模式Lamb波的幅值A(chǔ)1完成損傷區(qū)域的可視化成像；

2)通過對3個腐蝕程度不同的損傷區(qū)域進行激光掃描實驗，提出了1種可以用來評估腐蝕嚴重程度的能量比值法，并用該方法完成了對不同腐蝕程度的鋁板的評估分析。