表面裂紋深度檢測的非接觸光聲檢測技術研究

鄧 進,姜文鑫,李海洋,李 兵,潘強華,張曉彤,那雪璐

(1.中國特種設備檢測研究院,北京 100029;2.中北大學 先進制造技術山西省重點實驗室,山西 太原 030051)

1 引 言

金屬構件在加工及服役過程中,受高溫、高壓、高速和高負荷的外界載荷影響,其表面極易產生疲勞裂隙。統計表明,由疲勞裂紋引發的構件失效事故約占所有事故總額的90 %以上[1],一般認為,疲勞裂紋在構件的表面萌生[2]。表面裂紋會顯著降低材料的機械性能和壽命,若不能及時對其進行監測,會給設備的安全運行帶來嚴重隱患。例如,2002年,華航一架波音747-200型客機由于表面裂紋擴展導致結構解體,致機上225人全部罹難的重大安全事故[3]。因此,為確保金屬構件在生活生產的安全使用,對其進行表面裂紋檢測就顯得尤為重要。但實際檢測過程中,由于待測結構的表面不規則且待測環境復雜,增加了對表面裂紋定量檢測的難度。因此,本文提出了基于激光超聲的一種非接觸檢測技術,可實現金屬構件表面缺陷的定量檢測與分析。

激光超聲檢測技術具有非接觸、空間分辨率高、頻帶寬等優點,可在高輻射、高壓、高腐蝕等復雜環境下實現對不規則待測結構的無損檢測,近年來已發展成超聲學中的重要分支,并成為無損檢測領域的研究熱點。國內,Li[4]等人通過激光超聲技術分析了復合材料中縱向和橫向聲波速度與增強體尺寸及其體積分數的關系,并根據超聲波速度計算出了復合材料的有效彈性常數。南京理工大學董利明團隊[5]從數值模擬和實驗兩方面研究了金屬焊接的殘余應力分布,并通過精確測量多種模態的超聲波波速測定了金屬材料的二階和三階彈性常數,為金屬焊接殘余應力的激光超聲檢測提供了理論和實驗依據。南昌航空大學占惠星等人[6]將激光照射到片劑上,測定了反射的聲表面波速度,通過對實驗數據進行分析,得到了片劑硬度與聲表面波速度之間的關系曲線。大連理工大學郭海洋[7]等人依托兩套不同的檢測系統對帶涂層金屬板件的缺陷進行檢測,利用實驗產生的數據以及圖像分析了涂層影響下缺陷波形并對缺陷波進行理論分析,然后對波形參數進行了實時計算最終得到了50 μm涂層影響下缺陷的形狀和尺寸特征。國外，Cavuto[8]等人實現了激光超聲技術在高速列車空心軸與車輪的表面裂紋檢測領域的應用,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測中的有效適用性。Karabutov[9]等人開發了一種基于激光熱彈機制和寬帶聲脈沖壓電檢測的超聲光譜方法,通過微觀分散空隙和夾層分層對超聲波衰減系數的影響定量評估了CFRP復合層壓板的結構。

激光超聲表面波檢測技術可以在待測工件表面激勵表面波,由于聲表面波的能量集中在待測工件表面一個波長范圍內,十分適合用于表面缺陷的定量檢測。國內,倪曉武[10]等人考慮到激光作用過程中材料熱物理參數受溫度影響的特性,建立了熱彈機制下超聲導波的產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提供了定量的基礎。周正干[11]等人證明了未經過濾波的Rayleigh波的透射系數與裂紋深度之間的關系可以應用于表面裂紋的定量表征。中北大學李海洋[12]等人提出了表面缺陷透射系數實現表面缺陷深度評價的檢測方法,搭建了線源聚焦的激光超聲檢測實驗平臺,并建立了透射系數與缺陷深度的擬合曲線。國外,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現了對尺寸明顯小于超聲波長的表面裂紋的檢測,探索了該技術對于深度小于亞波長的表面破裂裂紋檢測的應用。Michaels[15]等人通過安裝在掃描臺上的空氣耦合換能器和掃描激光測振儀進行了全波場測量,并進行了有效的信號和成像處理算法處理,實現了對導波的表征以及結構損傷的定位和量化檢測。上述學者在激光超聲測厚、裂紋與超聲作用機理等方面做了大量工作,但關于金屬材料表面缺陷定量無損檢測的研究,仍存在一定的研究空間。

本文使用激光超聲寬帶透射系數和作為表征參數實現了裂紋深度的定量檢測。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聲表面波的物理過程,分析了瑞利波在缺陷處反射與透射的聲波信號。實驗部分采用熱彈機制和干涉法搭建了激光超聲實驗平臺,對不同深度的試驗樣本進行了裂紋深度檢測。研究表明,脈沖激光產生的瑞利波對金屬表面裂紋十分敏感,隨著裂紋深度的增加,透射系數和近似線性減小,所提出的計算方法準確度良好,可用于精確檢測裂紋深度。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提供有效的理論方法與技術手段。

2 有限元分析與測量原理

2.1 構建模型

有限元方法能夠靈活處理復雜的幾何模型并得到全場數值解,并且能夠考慮到材料參數隨溫度變化的實際情況,已經被廣泛用于計算激光超聲波在材料中的產生和傳播[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聲表面波的物理過程。由于位移場對溫度場影響極小,熱彈雙向耦合可簡化為順序耦合。先根據熱傳導方程得出材料模型的瞬態溫度場分布,而后將瞬態溫度場作為體載荷進行位移場的求解。仿真過程中,熱傳導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是形函數矩陣導數的轉置矩陣;D是材料的特性矩陣;ε0是熱應變矢量。

由于表面裂紋與激光線源相互平行,可將本文研究內容近似看作二維問題。基于式(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 物理參數設置Tab.1 Physical parameter settings

2.2 測量原理

激光超聲在待測樣品表面激勵表面波,在傳播過程中與表面缺陷相互作用產生反射、透射與散射聲波信號并被接受端接收,這些聲波信號包含了大量的缺陷尺寸信息。本文采用透射聲波信號頻域特征實現缺陷深度的定量檢測。我們定義有裂紋結構透射聲波信號的幅值為A1,完整結構直達波信號幅值為A2,則透射系數如下式所示:

(4)

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

(5)

圖2給出了采用透射系數和作為檢測特征參數的表征流程示意圖。

圖2 測量方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement method

由圖2可見,透射系數和是一定頻率范圍內激光超聲透射系數之和,該參數表征了該頻率范圍內表面裂紋對激光超聲透射的調制作用。激光超聲表面波具有寬頻帶的特點,也就說在表面裂紋處多個頻率分量的聲波同時作用在裂紋處。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與入射頻率之間的關系,在表面裂紋深度敏感頻率范圍內對透射系數求和,進而表征待測表面裂紋的深度。

3.實驗方法

3.1 實驗裝置

基于熱彈機制原理和線源聚焦方式,搭建了激光超聲檢測平臺。激光激勵部分采用CFR200激光發射器,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。激光激勵部分發射脈沖激光后,經由焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源,輻照到樣品表面產生聲表面波,隨后由激光接收部分實現對聲信號的非接觸接收,并將聲信號傳輸到計算機上通過LU Scan軟件進行顯示及存儲。實驗流程示意框圖與實驗平臺如圖3所示。

圖3 實驗系統示意圖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 實驗樣品Fig.4 Experimental sample

3.3 檢測方案

本文采用固定激光激勵與信號接收裝置的距離,通過移動待測樣品實現表面掃查。待測樣品表面掃查區域可劃分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ 3 個部分,Ⅰ區表示激發點和接收點同時位于表面缺陷左側時,Ⅱ區表示激發點和接收點在表面缺陷的兩側,Ⅲ區表示激發點和接收點在表面缺陷右側。通過分析不同表面缺陷裂紋深度下區域Ⅱ采集的超聲波信號,可建立表面缺陷裂紋深度與透射系數之間的關系,從而實現對金屬材料表面缺陷裂紋的定量檢測。檢測方案及掃查區域劃分如圖5所示,其中d為固定激光激勵與信號接收裝置部分距離,a為探測點與缺陷邊沿的距離,最小掃描步長為0.006 mm,掃查距離為15 mm。

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

4 仿真與實驗結果討論

4.1 仿真結果

為了清楚地表示激光產生的瑞利波與表面裂紋的相互作用機制,利用3.1小節中建立的物理模型進行了數值分析,得到了同時刻下瑞利波在完整結構和有裂紋結構的傳播特性,并將二者進行了比較。圖6(a)為激光超聲超聲波在完整結構中的位移場,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點向結構的底部和表面兩側方向傳播,遇到表面裂紋缺陷發生了反射、透射與散射現象,且這些聲波信號攜帶了表面裂紋的深度信息。因此,通過分析瑞利波在特定頻率范圍內的透射波特性變化規律,可以達到識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的時域波形如圖7(a)和圖7(b)所示。此時檢測探針與激光入射點的距離分別設置為7 mm和9.5 mm。

圖7 時域波形Fig.7 Time domain waveform

圖7(a)和圖7(b)分別給出了完整結構和有裂紋結構的同側和異側信號時域波形。從圖7(a)中可以清晰地看出時域波形中裂紋處發生了反射現象。圖7(b)中,實線為有裂紋結構透射波時域波形,點劃線為完整結構相同位置處的時域波形,顯示了透射波信號經過裂紋后的幅值衰減。

4.2 實驗結果

采用上文所述的實驗裝置及檢測方案,獲得了表面裂紋深度為0.3 mm樣品的B-SACN圖形及超聲波信號時域波形。圖8給出了上述掃查過程中的B-SCAN圖形,圖9(a)為激發點與探測點位于圖5中區域Ⅱ時所獲得的直達瑞利波及反射波時域波形,圖9(b)為激發點與探測點位于區域Ⅲ時得到的透射波時域波形。

B-SCAN圖中對應于圖5標示了區域劃分,可以清晰地分辨圖(a)、(b)中箭頭所示的直達波,反射波和透射波時域波形。對比仿真波形圖9與實驗波形圖7驗證了有限元方法的準確性。

圖8 B-SCAN圖Fig.8 B-SCAN diagram

圖9 實驗時域波形Fig.9 Experimental time-domain waveform

4.3 檢測結果

利用第3.3小節中的所述的測量方法,分別計算了表面裂紋深度為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm時的透射系數,以實現對表面裂紋尺寸的定量表征,結果如圖10所示。

圖10 透射系數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的關系,從圖10(a)中可以看出:采用有限元方法時,當頻率處于0.4～1.6 MHz范圍時,四個深度下的透射系數呈近似線性負相關關系,可以很好地實現裂紋深度的定量表征。從圖10(b)中可以看出:在實驗方法中,當頻率處于1 MHz～2.2 MHz范圍時,裂紋深度與透射系數同樣呈負相關關系。為了減小實驗和仿真過程中的測量誤差影響,我們使用一定頻率范圍下的透射系數和作為參數來測算裂紋深度。同時,可以看出投射系數隨著頻率增高降低,也就說明了頻率越高,波長越小,透射能力越小。采用公式(5)定義的投射系數和作為表征裂紋深度的特征參數,如圖11所示。

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

圖11中實線、虛線分別是實驗數據和仿真數據。結果表明,隨著裂紋深度增加,透射系數和減小,且仿真結果與實驗結果具有相同的趨勢。將透射系數和記為t,表面裂紋缺陷深度記為D,根據式(4)、式(5),利用多項式擬合得出實驗數據擬合方程為D1=-1.28466t2-0.69515t+1.20427,仿真數據擬合方程為D2=0.62184t2-1.26355t+1.22321。上述二式具有良好的準確性,實驗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 實驗擬合公式誤差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 論

本文采用有限元仿真法和實驗法研究了脈沖激光線源在含有表面缺陷的鋁板中激發瑞利波的物理過程,發現脈沖激光產生的瑞利波對結構表面裂紋缺陷十分敏感,利用0.5 MHz～2 MHz頻率范圍內的透射系數和作為參數可以實現表面裂紋缺陷的定量表征,并對估計結果進行了誤差分析。研究成果表明:基于透射系數和的激光超聲檢測技術,可為金屬工件表面裂紋缺陷非接觸定量檢測提供一種有效的方法。