LY12硬鋁合金損傷缺陷的空氣耦合超聲檢測

王興國 吳文林 陳正林 吳南星

景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，景德鎮，333403

LY12硬鋁合金損傷缺陷的空氣耦合超聲檢測

王興國 吳文林 陳正林 吳南星

景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，景德鎮，333403

針對傳統超聲檢測(液態或半固態耦合劑)會腐蝕被測材料的問題，提出了一種空氣耦合超聲檢測LY12 硬鋁合金內部缺陷的方法。利用傳遞矩陣法建立了空氣耦合超聲波在LY12 硬鋁合金中的聲控制方程，通過求解該方程獲得了空氣耦合條件下的頻散曲線，與存在耦合劑的情況相比，該頻散曲線的各個模態整體右移，從而為空氣耦合超聲實驗提供了合適的檢測參數。通過分析LY12 硬鋁合金薄板上不同孔徑缺陷獲得的時域波形發現，透射波幅值隨缺陷直徑增大呈逐漸減小的趨勢。

硬鋁合金LY12;超聲檢測；空氣耦合；頻散曲線

0 引言

由于航天航空、精密機械等領域對制造材料的重量、成本及可靠性的嚴格要求，高強度、耐磨損及高化學穩定性的LY12 硬鋁合金成為代替鋼材的關鍵材料[1-4]。LY12 硬鋁合金在實際使用過程中受到工作環境的影響，因而性能下降，直接影響安全性和可靠性，對關鍵構件的安全服役造成了極大威脅[5-6],因此，對LY12 鋁合金無損檢測技術的研究具有重大意義。

超聲檢測技術是材料缺陷無損檢測與評價的最為有效、安全的方法之一[7]。傳統的超聲檢測常使用的液態或半固態耦合劑會嚴重腐蝕LY12 硬鋁合金，甚至導致零件直接報廢。

LY12硬鋁合金材質的零件處于運轉狀態或高溫狀態時，傳統的接觸式超聲波檢測就顯得無能為力[8-10]。非接觸式空氣耦合超聲檢測以空氣為聲耦合介質，具有非接觸、無換能器磨損、非浸入等優點，避免了耦合劑二次污染材料的缺陷[11-13]，已成為超聲檢測的新方法[14]。近年來，非接觸空氣耦合超聲檢測技術得到許多學者的關注[15-18]，而研究空氣耦合超聲在LY12硬鋁合金材質中的傳播特性，以及利用其傳播特性檢測LY12硬鋁合金內部缺陷的方法卻很少有報道。

本文通過研究聲波在LY12 硬鋁合金材質中的傳播頻散特性和聲波各模態入射角與頻率之間的關系，得到激發各模態的聲波最佳入射角和相應頻率，最后通過空氣耦合超聲實驗方法，獲得了直徑分別為1 mm、2 mm、…、9 mm圓形缺陷及無缺陷時的時域波形，分析了聲波對不同直徑圓孔缺陷的敏感性。

1 空氣耦合超聲波傳播頻散特性的數學模型

圖1為層狀介質穿透式空氣耦合超聲檢測的傳播示意圖，一束平面波以不同的入射角斜入射到兩種不同介質分界面時，聲波在y=0處發生反射和透射。聲波繼續傳播到下一界面y=d處時，再次發生反射和透射。其中，第一層介質為空氣，第二層介質為被測介質(密度為ρ，拉梅常數為λ、μ)，第三層介質為空氣。pi1、pr1分別為第1層聲波的入射聲壓和反射聲壓；pi2、pr2分別為第2層聲波的入射聲壓和反射聲壓；pr3為第3層聲波透射聲壓；θ1、θ2分別為第1層、第2層的聲波入射角；θ3為第三層聲波透射角；被測介質厚度為d。

圖1 空氣耦合超聲層狀介質傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of wave propagation of air coupling ultrasonic in layered medium

第一層介質聲壓p1和質點速度v1分別為

(1)

第二層介質聲壓p2和質點速度v2分別為

(2)

由于在第三層介質中只有透射波，因此B3=0。該層介質聲壓p3和質點速度v3分別為

(3)

(4)

根據邊界條件(式(4))得到線性方程組，將其寫成矩陣形式：

(5)

可以將式(5)改寫成Ax=0的形式，其中，A為6階方陣，x為的6×1矩陣，方程有解的充要條件為

|A|=0

(6)

根據式(6)可以得到空氣耦合超聲波在單層介質中的聲傳播頻散特性方程。

2 空氣耦合超聲的頻散特性

本文以單層LY12 鋁合金板作為實驗對象，表1給出了LY12 鋁合金板和空氣的物理聲學參數[19]。

表1 航空鋁合金板LY12和空氣的物理聲學參數

分析式(5)、式(6)可以獲得空氣耦合超聲波在單層LY12鋁合金板中的相速度和群速度的頻散曲線，如圖2、圖3所示，其中，cs為聲波在介質中的橫波速度，cg為群速度，c為相速度。從圖2中可以看出，空氣耦合條件下的頻散曲線與存在耦合劑的頻散曲線具有較大的區別，空氣耦合下頻散曲線的各個模態整體向右移動。另外，存在耦合劑時，聲波在單層LY12鋁合金板中的相速度頻散曲線出現較多模態。這是由于空氣耦合條件下，聲波穿透空氣介質時只能以縱波入射，而存在半固態耦合劑時，入射聲波有縱波和橫波兩種形式，在LY12鋁合金板中發生更多的模態轉換。當頻率小于1 MHz時，存在耦合劑時的聲波頻散曲線出現了4種模態，空氣耦合下的聲波頻散曲線出現了3種模態。同時，S1、A1以上模態均存在截止頻率，且S1模態截止頻率大于A1模態截止頻率。

圖2 相速度的頻散曲線
Fig.2 Phrase velocities dispersion curve

(a)對稱模態

(b)反對稱模態

圖3 群速度的頻散曲線Fig.3 Group velocities dispersion curve

根據公式sinθ=cl/c，可得空耦換能器各個模態入射角度與頻厚積之間的關系，具體如圖4所示。從圖4中可以看出，當頻率大于5 MHz時，S0、A0兩種模態消失。除了A0和S0模態之外，其他模態都存在截止頻率。由于有些模態在同一頻厚積處的群速度相當接近，導致空氣耦合下的聲波在傳播過程中兩群速度相近的模態可能相互轉換，所以盡量避免將易發生模式轉換的頻厚積作為缺陷檢測的實驗參數。從圖3中可以看出，當頻厚積小于0.5 MHz·mm時，只存在A0、S0模態，且A0模態在單層板中傳播具有較大的離面位移，更容易被激發[20]，所以激發A0模態來檢測LY12 鋁合金板不同孔徑缺陷。從圖4中可以看出，當頻率為0.4 MHz時，激發A0模態對應的入射角為16°。該組參數可以作為空氣耦合超聲檢測較為合適的參數。

圖4 頻厚積和入射角度之間的關系Fig.4 Relation between frequency-thickness and incident angle

3 超聲檢測

3.1實驗裝置及檢測參數

圖5所示為LY12 鋁合金板材料空氣耦合超聲波檢測系統。該系統由計算機、超高功率超聲激勵接收裝置、空氣耦合聚焦超聲換能器、前置放大器、被測材料LY12 鋁合金板等構成。其中，空氣耦合超聲發射接收卡由Japan Probe公司生產，型號為JPR-10CN；空氣耦合聚焦超聲換能器的中心頻率為0.4 MHz，聚焦半徑為40 mm，采集頻率為10 MHz；換能器的發射電壓為600 V，接收信號增益為60 dB。以對向檢測形式將發射與接收換能器分別置于被測材料LY12 鋁合金板的同側。LY12 鋁合金板的尺寸為600 mm×600 mm×1 mm，在板的中心線處加工了直徑依次為1 mm、2 mm、…、9 mm的9個圓通孔，圓通孔間隔為40 mm。換能器中心線間距過大導致接收信號衰減增大，不利于信號的提取與分析，所以將換能器中心間距L分別設置為70 mm、100 mm進行超聲檢測實驗。

圖5 非接觸空氣耦合超聲波檢測系統Fig.5 Non-contact air coupling ultrasonic testing system

3.2結果與分析

選取超聲換能器中心頻率f=0.4 MHz，發射與接收換能器中心的間距L=70 mm，被測板材缺陷直徑分別為1 mm、2 mm、…、10 mm及無缺陷。由于篇幅的原因，本文只給出了缺陷直徑分別為1 mm、3 mm、6 mm、8 mm、10 mm及無缺陷的檢測時域波形，具體見圖6。從圖6中可以看出，接收到的時域信號中存在通過被測介質的透射波，透射波的幅值隨缺陷孔徑的增大而逐漸減小。這是由于聲波經過缺陷時，聲波信號將發生反射、透射及模態轉換，同時，聲波在缺陷處產生更大的衰減。因此，在無缺陷或缺陷較小時， LY12鋁板中傳播的透射波幅值反而更大。

(a)無缺陷 (b)1 mm缺陷 (c)3 mm缺陷

(d)6 mm缺陷 (e)8 mm缺陷 (f)10 mm缺陷圖6 不同缺陷的時域波形(f=0.4 MHz，L=70 mm)Fig.6 Time domain waveform of the different defects(f=0.4 MHz，L=70 mm)

圖7給出了中心頻率為0.4 MHz，換能器中心間距L=100 mm，缺陷直徑分別為1 mm、3 mm、6 mm、8 mm、10 mm及無缺陷的時域波形。由圖7可以看出，缺陷直徑增大時，透射波的幅值均逐漸減小。這與換能器中心的間距L=70 mm時，缺陷與幅值的關系相似，即透射波的幅值隨缺陷孔徑的增大而逐漸減小。圖8給出了超聲換能器間距分別為70 mm和100 mm時幅值與缺陷直徑關系。通過對比可以發現，當換能器間距從70 mm增加到100 mm時，在相同缺陷條件下，透射波的幅值均明顯減小。這主要是由于換能器中心距離增大后導致了聲波更大程度的衰減。

(a)無缺陷 (b)1 mm缺陷 (c)3 mm缺陷

(d)6 mm缺陷 (e)8 mm缺陷 (f)10 mm缺陷圖 7 不同缺陷的時域波形(f=0.4 MHz，L=100 mm)Fig.7 Time domain waveform of the different defects(f=0.4 MHz，L=100 mm)

4 結論

(1)空氣耦合超聲在LY12硬鋁合金中傳播的頻散特性曲線與傳統存在耦合劑的頻散曲線有較大差別：空氣耦合下頻散曲線的各個模態整體向右移動；頻率大于5 MHz時，S0、A0兩種模態消失。存在耦合劑的聲波在單層LY12 鋁合金板中的相速度頻散曲線出現較多模態。

圖8 幅值-缺陷直徑關系(f=0.4 MHz)Fig.8 Relationship between signal amplitude and defect diameter(f=0.4 MHz)

(2)空氣耦合超聲圓孔缺陷檢測中，透射波的幅值隨著缺陷直徑變大均逐漸減小，當距離L更小時，接收到的透射波能量更大。可以根據超聲換能器距離變化量與接收到的信號在時間橫軸上變化量的比值，計算信號的群速度，根據群速度曲線可以推算信號的模態。

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Air-couplingUltrasonicTestingofDefectsinLY12DuraluminAlloys

WANG Xingguo WU Wenlin CHEN Zhenglin WU Nanxing

School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen,Jiangxi,333403

To deal with problems of traditional ultrasonic testing by liquid or semi-solid couplant caused corrosions of tested materials, a method of air coupling ultrasonic testing for duralumin LY12 defects was proposed. An air coupling ultrasonic control equation for the duralumin LY12 was established by transfer matrix method. Dispersion characteristic curves of ultrasonic wave propagation were obtained due to solve this equation. These results show that all the models shift toward right by comparison with that of existing conventional couplant. The results provide suitable parameters for the air coupling ultrasonic testing. Through analyzing time domain signals of different defects in the LY12 duralumin alloys, it may be obtained that transmission wave amplitude decreases with the increases of defect diameters.

LY12 duralumin alloy; ultrasonic testing; air coupling; dispersion curve

TB553

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.012

2016-11-30

國家自然科學基金資助項目(51565020，51305184)；江西省自然科學基金資助項目(20171BAB206032)；江西省教育廳科技項目(GJJ150925)

(編輯張洋)

王興國，男，1980年生。景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院副教授。主要研究方向為材料性能的檢測與評價。發表論文20余篇。E-mail: xgwang@yeah.net。吳文林，男，1985年生。景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院碩士研究生。陳正林，男，1988年生。景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院碩士研究生。吳南星，男，1968年生。景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院教授。