不銹鋼增材制造件表面缺陷激光超聲檢測

房海基，葉國良，呂波，張艷喜，高向東

(1.廣東工業大學，廣東省焊接工程技術研究中心，廣州 510006;2.東莞理工學院，廣東 東莞 523000)

0 前言

金屬增材制造是通過材料逐點或逐層疊加的方法制造實體零件的技術。相較于傳統去除成形的減材制造方法，金屬增材制造有特殊的成形工藝，可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件[1-3]。但該工藝的特殊性也使增材制造件表現出孔隙性、開裂和分層等致命的弱點，會降低制件的合金性能[4-6]。特別是表面裂紋的孕育擴展而造成瞬間斷裂，嚴重影響著生產安全。因此，需要對金屬結構件進行早期診斷、評估，及時修復裂紋或更換結構件。

金屬增材制造件的結構特點要求無損檢測手段能夠減小檢測盲區，并且實現精密測量，而目前國內外的研究主要集中在超聲、電磁、和計算機斷層掃描等檢測方法[7]。激光超聲檢測技術利用脈沖激光在材料表面激發出縱波、橫波和聲表面波等多模式超聲波來檢測缺陷，具有非接觸、靈敏度高和空間分辨率高等優點[8-9]，被廣泛用于表面、亞表面和內部缺陷的檢測。針對金屬材料的表面裂紋缺陷，國內外很多學者進行了研究。Zhou等人[10]、Guan等人[11]從試驗和數值模擬角度，解釋了激光激發表面波與材料表面開口缺陷的作用機理。基于不同深度、寬度的缺陷在時間、頻率、能量反射率和透射率上的不同，實現缺陷的定位和定量。王威等人[12]發現激光遠場激發時有利于各種模式轉換波的分離，散射回波特征點到達時間差與缺陷深度、寬度有線性關系。Kromine等人[13]提出了移動掃描光源技術，當脈沖激光掃描至缺陷的近場區域時，信號幅度不斷增大，從而確定裂紋的位置。Ni等人[14]提出了一種雙光源檢測系統，利用散射超聲模式傳播時間計算裂紋取向角，對數值模擬和試驗結果進行了比較，證明了該方法的準確性。

關于增材制造件缺陷檢測已有許多研究，包括在線檢測和無損檢測。由增材制造過程和零件使用過程引起的表面微缺陷對傳統無損檢測方法提出了挑戰。目前，利用激光超聲檢測技術檢測增材制造件質量被證實是可行的，且具有一定的優勢，得到研究者的廣泛關注。以316L不銹鋼增材制造件為研究對象，建立激光激發超聲波的數值模型，分析表面波與缺陷相互作用的傳播過程，研究不同探測位置、不同深度和寬度缺陷對表面波反射波信號的影響。最后結合激光超聲試驗進行驗證，根據表面波與缺陷作用產生的RS波與RR波的到達時間，實現對缺陷的位置、深度的檢測。

1 理論與數值模型

1.1 激光超聲理論

根據脈沖激光的光功率密度強度和材料特性的不同，激光超聲的激發機制主要包括熱彈機制和燒蝕機制。為了滿足對金屬材料無損檢測的要求，采用激光熱彈機制進行仿真與試驗。在熱彈機制下，當較低光功率密度強度的脈沖激光入射到材料表面時，部分激光能量被吸收并轉換為熱能，在輻照區域附近迅速地升溫，導致快速地熱膨脹，從而產生超聲波。

激光輻照材料激發表面波的控制方程[15]為：

(1)

(2)

(3)

作用于材料上表面的激光能量為：

Q=I0A(T)f(x)g(t)

(4)

式中：I0為激光中心功率密度；A(T)為材料表面的吸收率；f(x),g(t)為激光的空間分布和時間分布，分別表示為：

f(x)=exp(-x2/r02)

(5)

g(t)=t/t0exp(-t/t0)

(6)

式中：r0,t0分別為激光光斑半徑和激光脈沖上升時間。

1.2 數值模型建立

圖1中的數值模型材料是均勻、各向同性的316L不銹鋼，其材料參數見表1。該簡化二維模型的整體尺寸為35 mm×10 mm，表面缺陷的寬度為w，深度為h，缺陷距離模型左邊界23 mm。激光作用于距離模型左邊界10 mm處，在缺陷左側3 mm處設置信號接收點Det1，用于采集表面波反射信號。數值模擬過程中將材料的上表面設置為自由邊界，模型的側邊和底面設置為吸收層，具有低反射特點，能夠減少其它邊界反射波帶來的影響。

圖1 數值模擬模型

表1 316L不銹鋼材料參數

激光的脈沖上升時間為10 ns，激光光源的能量為1 mJ，激光光斑半徑為0.3 mm。由于激光作用在金屬材料上時，只有表面和亞表面能夠吸收激光的能量產生熱膨脹。為了精確模擬出激光超聲產生彈性波在材料中的傳播，這里選用自由四邊形網格，在激光輻照附近區域的網格大小為20 μm，其余區域網格大小為100 μm。另外求解器設置最重要的一個是時間步長的設置，小的時間步長將提高精度，但過于小的時間步長又將減緩模擬效率。這里取時間步長為10 ns，計算總時長10 μs。

2 數值模擬結果

2.1 瞬時聲場分布

圖2所示為激光作用在316L不銹鋼材料時，激發超聲波在不同時刻的聲場分布圖。從圖2a可以看出材料表面吸收激光的瞬時高能量而激發出表面波(R波)、橫波(S波)和縱波(L波)等，表面波只集中在表面附近傳播，并且在深度上存在振動幅度的降低。圖2b和圖2c分別是在4.66 μs和5.65 μs的聲場分布，表面波在遇到缺陷時會發生模式轉換，產生反射波(RR)和透射波(Rt)，其中大部分能量被反射。

圖2 激光激發超聲波的聲場分布圖

試驗發現表面反射波中含有大量表面缺陷相關信息，可以作為檢測表面缺陷的有效數據，進而通過信號特征有效地提取缺陷特征。由于表面波的質點振動位移有2個分量：1個垂直于表面，1個沿著表面內波的傳播方向，所以可以在模型上表面測量位移確定反射波的到達時間和振動幅度。

2.2 不同探測位置接收的信號

在數值模型表面距離激光中心8 mm，9 mm，10 mm，11 mm和12 mm點處探測表面波信號，保持表面缺陷的寬度為0.2 mm，深度為1 mm，與激光中心的距離13 mm不變。獲取表面波信號，如圖3所示?？梢钥吹讲煌綔y點接收的表面波信號時域波形基本相似，依次出現掠面縱波、掠面橫波、表面波和各類反射波，有兩個明顯的波峰，分別是直達表面波(R)和反射表面波(RR)。直達表面波就是從激光作用中心傳播到信號探測點處引起的，反射表面波則是表面波與缺陷相互作用后形成的反射波。進一步觀察該圖，隨著探測點遠離激光作用中心而靠近缺陷時，直達表面波和反射表面波的到達時間都呈線性變化，容易混疊在一起，但其幅值在該范圍內受到的影響較小。

圖3 不同探測點位置的表面波信號

2.3 缺陷深度、寬度對檢測的影響

上述分析只針對一種缺陷深度，為了進一步分析表面波與不同尺寸表面缺陷的相互作用規律，在圖1模型的基礎上，在Det1處設置信號接收點，測量垂直表面位移。如圖4所示是測量深度分別為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm和2.0 mm，寬度均為0.2 mm的矩形表面缺陷的位移波形圖。圖4a中，可以看到表面波(R)的能量較強，RR放大圖中有2個明顯的信號RR和RS，RS波為缺陷底端向樣品表面傳播的模式轉換橫波。RR波的振動幅度隨著深度的增加而有顯著的增大，RS波的振動幅度變化則相反，說明隨著深度的增加，更多的能量沿原路徑直接反射。R波和RR波的到達時間基本相同，而RS波的到達時間則隨著深度的增加而延后，并呈線性關系，說明RR波的到達時間僅僅與缺陷的位置有關，而缺陷的深度測量則依賴于RS波的到達時間。

圖4 不同深度缺陷的表面波形

在圖1所示的模型中，保持缺陷的深度為1.0 mm不變，寬度分別為0.2 mm，0.5 mm和1.0mm時，在相同探測點處接收到的波形發生改變，如圖5所示。由前面的分析可知，反射表面波RR的到達時間與缺陷的尺寸無關，從圖5來看，不同寬度缺陷的RR波到達時間基本一致，而RS波的到達時間隨著寬度的增加有所延遲，但變化不明顯，說明缺陷的寬度變化對反射波的傳播并無主導性的影響，RS波的到達時間只與缺陷深度有關。但隨著寬度的增大，RS波的幅值大小有輕微的下降。

圖5 不同寬度缺陷的表面波形

3 激光超聲試驗與結果對比

3.1 激光超聲試驗平臺與樣品

如圖6所示為激光超聲檢測試驗平臺。主要包括激光器(Nimma-400型)、激光測振儀(TWM-532型)、示波器(Tek-MDO3024型)、光電探測器、夾具和光學配件(三棱鏡、聚焦鏡)等。試驗中主要對316L不銹鋼材料的激光選區熔化(SLM)增材制造樣品進行檢測，如圖7所示的2塊100 mm×15 mm×10 mm的樣品表面切割出深度為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm和2.0 mm，寬度為0.5 mm的槽，表面經過加工處理。316L不銹鋼粉末粒度為15～53 μm，打印參數為：激光功率250 W，掃描速度1 000 mm/s，打印線寬100 μm，打印層厚30 μm，打印精度0.05 mm。試驗中激光激發點和信號探測點的位置與仿真保持一致。每個信號采集點的采樣率設置為500 M/s，每組數據的采樣長度為10 k。

圖6 激光超聲試驗平臺

圖7 316L不銹鋼增材制造樣品

3.2 有限元模型驗證

為了驗證激光激發表面波有限元模型的正確性，首先對無缺陷模型的仿真信號和試驗信號進行了對比，在圖1的激光激發點位置右側9 mm的A點處接收表面波信號，結果如圖8所示。2個信號中特征較明顯的是直接從激發源產生首達表面波，其到達時間分別為3.3 μs和3.203 μs，計算得到表面波在316L不銹鋼材料中的速度分別為2 730 m/s和2 810 m/s，兩者誤差大約為2.84%。進一步，對有缺陷模型的仿真信號和試驗信號進行了對比，信號接收點距離激光源10 mm(B點)，結果如圖9所示。表面波遇到缺陷反射回到信號接收點的總路程為16 mm，測得2個信號的反射表面波到達時間分別為5.89 μs和5.68 μs，計算得到傳播速度分別為2 716 m/s和2 817 m/s，誤差為3.58%。對比無缺陷模型和有缺陷模型的表面波波形和計算得到的傳播速度，可以看到仿真模型和試驗結果基本一致，說明仿真模型的正確性。

圖8 無缺陷信號對比

圖9 有缺陷信號對比

3.3 信號處理與結果對比

在實際表面缺陷檢測過程中，由于外界因素，激光超聲信號中除了表現缺陷特征的有用信號，還摻雜著噪聲。小波閾值去噪法作為應用最廣泛的去噪方法，其基本原理是對經過小波分解的小波系數與選定的閾值進行比較，去除噪聲部分的系數，并將有用信號部分的系數閾值化處理，最后重構成降噪后的信號。這里選用小波軟閾值函數，其表達式為：

(7)

(8)

式中：median(|x|)表示取第k層分解小波系數絕對值的中值。

圖10為試驗中檢測缺陷的表面波形。圖11為檢測0.5 mm和1.0 mm深度缺陷時經過小波降噪的信號，這里采用db4作為小波基函數，進行5層小波分解?？梢钥闯?，直達表面波的幅值較高，經過表面缺陷反射作用后，接收到較為微弱的回波及各類模態轉換后的復雜波形，經過小波去噪的表面波信號不但去除了噪聲，并且在最大程度上保留了很多和缺陷相關的特征。經過分析，在檢測0.5 mm深缺陷時，RR波和RS波的到達時間為5.68 μs和5.94 μs，時間差為0.26 μs，檢測1.0 mm深缺陷時，RR波和RS波的到達時間為5.56 μs和6.02 μs，時間差為0.46 μs。

圖10 試驗采集的表面波形

圖11 經過小波降噪的表面波形

為了避免單次試驗的偶然性，對每個深度的缺陷進行3次數據采集并計算RS波與RR波的到達時間差，其它試驗條件保持一致。增材制造缺陷檢測試驗結果與仿真結果對比如圖12所示。從對比可以看出，試驗與仿真結果基本一致，造成一定偏差的原因主要是：①實際線切割樣品缺陷帶來的尺寸偏差；②每次試驗移動樣品位置時存在人為誤差；③表面處理導致樣品表面粗糙度與吸收的激光能量差異。另外，增材制造件的成形工藝表明在鋪粉方向和樣品沉積方向的表面波傳播存在一定的差異，這也是試驗結果偏差的原因。但從擬合曲線看，線性趨勢基本一致，利用RS波與RR波的到達時間差能夠有效地檢測增材制造件表面缺陷的深度。

圖12 增材制造缺陷檢測試驗結果與仿真結果對比

4 結論

以316L不銹鋼增材制造件為研究對象，基于激光超聲的熱彈機制，通過有限元方法建立含有表面缺陷的數值模型，利用激光激發表面波與表面缺陷作用的反射回波信號，研究表面波在不同深度、寬度缺陷的傳播特征。通過激光超聲試驗進行波速計算驗證了該模型的正確性，深度檢測試驗結果表明：數值模擬與試驗結果基本一致。激光激發表面波與缺陷作用產生的RS波和RR波的到達時間差可以檢測缺陷深度，并且到達時間差隨缺陷深度增加呈線性變化。缺陷的寬度變化對缺陷位置、深度的檢測幾乎無影響。同時表明激光超聲檢測增材制造件表面缺陷的有效性，為增材制造在線檢測提供參考。