裂紋深度的激光超聲透射瑞利波定量檢測

關鍵詞： 激光超聲; 變分模態分解; 透射瑞利波; 定量檢測

中圖分類號： TB9; TG115.285; TH878 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0140–08

0引言

增材制造（additive manufacturing，AM）是一種利用材料的逐層累積把數字化設計轉為三維實體零件的先進制造技術[1-2]，激光超聲檢測技術是一種利用激光激勵并接收超聲的先進的無損檢測技術[3-6]，具有非接觸、可遠程檢測和高空間分辨率的優點。由金屬增材制造獲得的材料通常不具備較優的塑性和韌性，較易出現裂紋缺陷[7]，且金屬增材件的表面裂紋深度小，對其檢測需避免破壞表面質量，故激光超聲檢測技術是對金屬增材件進行高精度的無損檢測的優質選擇。

目前眾多國內外學者對激光超聲缺陷定量檢測開展了研究工作，通常采用反射法進行缺陷檢測[8]，研究表面波與缺陷相互作用后激光超聲信號的特征信息與缺陷的變化關系，通過變化趨勢或擬合公式對缺陷進行定量表征。Cerniglia等[9] 采用激光超聲技術檢測鎳基合金的近表面缺陷，可檢出深度0.8mm的孔缺陷，但是其可檢深度受限于孔缺陷尺寸引起的反射波能量大小。Guo等[10]通過仿真和實驗探究裂紋反射表面波最大振幅和中心頻率與缺陷深度的關系，張思思等[11] 推算鋁板激光超聲信號的實際能量值和缺陷深度的關系式，反演誤差在20% 以下，但這兩者的研究中接收源采用表面波探頭與試件耦合，并非真正意義上的激光超聲非接觸檢測，且未考慮收發異側時缺陷深度的可檢能力。唐又紅等[12] 在裂紋深度1～5 mm 的20#鋼上驗證所提的裂紋深度定量公式的精確性，誤差不超過7%，但是在低信噪比的信號中較難準確提取定量公式中的底面反射橫波分量及其時間。前人研究為了獲取高品質信號而采用接觸式探頭接收信號，其仍是接觸式檢測，將受限于無法放置探頭的檢測場合，同時對缺陷的檢測采用反射法獲得缺陷反射信號，對于透射模式下的檢測研究尚處在仿真階段，劉輝等[13] 和鄧進等[14] 仿真結果可作為理想情況下的參考，相應實驗研究不足。

本文在前人研究基礎上，利用非接觸檢測手段，以透射瑞利波為主要研究對象，因為透射瑞利波途經裂紋深度區域，所以會攜帶裂紋深度的信息，裂紋深度的細微變化會導致信號特征的明顯差別，再由接收源檢測到透射瑞利波信號，后續可以實現裂紋深度特征的提取分析。通過建立TR1 透射瑞利波峰峰時間差值與裂紋深度之間的函數模型，對金屬增材件的表面裂紋深度進行定量檢測。首先將變分模態分解這一信號處理方法與激光超聲檢測相結合，從不同裂紋深度的激光超聲信號中提取攜帶裂紋信息的透射瑞利波。然后在透射瑞利波中提取三個維度的特征信息，探究三個維度特征信息與裂紋深度之間的變化規律。最后利用TR1 透射瑞利波峰峰時間差值與裂紋深度之間的函數模型實現裂紋深度0.2～0.4 mm 的定量檢測。本文相較于前人的研究，實現真正意義上的非接觸檢測，實現復雜多模態激光超聲信號的單一模態提取，彌補了激光超聲技術在透射模式下檢測研究的欠缺，可為激光超聲技術服務于金屬增材件的定量檢測提供新思路。

1實驗系統與實驗方案

1.1激光超聲檢測系統和試塊

激光超聲檢測系統主要集成了激勵源、接收源、移動掃查機構和信號數據采集卡，系統原理圖如圖1所示。其中，激勵源核心器件包括激勵脈沖激光器和激光控制器，激勵脈沖激光器采用Quantel的固體Nd：YAG脈沖激光器，波長1064nm，脈寬8ns，重復頻率20Hz。接收源核心器件包括接收光纖激光器、分光器和雙波混合干涉儀。接收光纖激光器波長532nm，最大功率10W。移動掃查機構包括機械臂和探頭組機構，探頭組機構固定有激勵探頭和接收探頭，通過機械臂的移動帶動探頭組機構實現范圍掃查。帶寬125MHz 的PXI-5114數據采集卡用以收集攜帶表面振動信息的信號。

實驗試塊采用Fronius VR 1550送絲機搭配CMT Advanced 4000R焊接電源加工的增材制造鋁合金2319試塊，表面經打磨處理，表面粗糙度輪廓算術平均偏差為0.4μm。在實驗試塊上人工預設按梯度變化的不同深度的裂紋，實驗試塊如圖2 所示， A、B、C裂紋的尺寸（ 長×寬×深） 分別為20mm×0.1mm×0.2mm、10mm×0.1mm×0.3mm、10mm×0.1mm×0.4 mm。

1.2實驗方案

使用激光超聲檢測系統采集激光超聲信號，對圖2中的3種不同裂紋深度的增材制件鋁試塊的激光超聲信號特性進行研究，實驗方案見圖3。采用激勵源和接收源在裂紋異側的方式進行掃查，激勵點和接收點之間的收發距離保持不變，沿掃查方向進行多點激勵接收。實驗參數如表1 所示。

2結果與分析

2.1原始信號分析

獲取裂紋深度0.2mm，0.3mm 和0.4mm 的增材制件鋁試塊信號B掃三維圖，如圖4 所示。

從圖4可以看出，裂紋深度的不同導致激光超聲信號中呈現紅色的波峰值和藍色的波谷值有不同的變化。下面對激光超聲信號的模態進行分析，分析各模態波的分布和到達時間。裂紋處各模態波的傳播路徑如圖5（a）所示[15]，當激勵源激發出表面波，有透射瑞利波信號TR 直達接收源。表面波沿試塊表面傳播至裂紋處時，部分能量被反射，還有一部分能量沿著裂紋內壁繼續傳播，在裂紋底部尖端處發生模式轉換，模式轉換波繼續沿裂紋內壁和試塊表面傳播至接收源，此情況下有透射瑞利波信號TR1，表面波轉換為縱波TL1、表面波轉換為橫波TS1。還有模式轉換波從試塊內部傳播至接收源，此情況下有表面波轉換為縱波TL2、表面波轉換為橫波TS2。同時激勵源會激發出縱波在試塊內部傳播，經底面反射后傳至接收源，此情況下有底面一次反射縱波2L 以及底面多次反射縱波4L、6L 等。底面反射縱波的傳播路徑如圖5（b）所示。

結合圖5，對裂紋深度0.3mm的信號進行研究。根據以下各式計算各模態波的到達時間：

從圖4看出，裂紋深度不同，B掃圖中4.4μs附近的波峰值和波谷值變化趨勢不同。選取不同深度的一組無裂紋處信號和裂紋處信號進行時域和頻域分析，如圖7 所示。從圖7（a）、（c）、（e） 的時域信號看出，與無裂紋處信號的波形相比，裂紋處信號的透射瑞利波形成分有明顯的變化，原因是：當掃查連線經過裂紋區域時，表面波的一部分被裂紋反射，一部分透過裂紋區域抵達接收點，TR 透射瑞利波由于損失了能量導致幅值衰減，從而TR 透射瑞利波峰峰值降低，且深度越大，損失的能量越多，峰峰值降低幅度越大。注意到有裂紋存在時，在5.01 μs附近新出現了第二個波峰，根據上文各模態波的到達時間公式以及不同裂紋深度產生的波谷時延，推斷此為TR1 透射瑞利波的波峰。從圖7（b）、（d）、（f）的時域信號頻譜看出，裂紋處信號相比于無裂紋處信號的高頻成分有所減少，且深度越大，減少的高頻成分越多。原因是：當裂紋深度增加時，原本能途經裂紋內壁繼續向前傳播的波長較短的透射瑞利波轉換為反射回波，即高頻的透射瑞利波成分無法被接收源探測到，導致頻譜圖中高頻成分有所減少。

上述對信號的時域和頻域變化的分析，為后文多維特征信息的選取類型提供了理論參考。

2.2裂紋深度與多維特征變化規律分析

激光超聲信號中各模態波的頻率分布存在差異性，可將其作為可分性依據，而變分模態分解算法能夠利用信號的頻域特征自適應分離，將原信號分解成一組中心頻率不同的模態分量，故將變分模態分解應用于激光超聲的多模態信號，能夠有效地提取攜帶裂紋信息的透射瑞利波模態。對圖7（a）、（c）、（e） 的不同深度的時域信號進行變分模態分解。原始時域信號包含縱波、透射瑞利波、模式轉換波多種模態，在變分模態分解的模態數量K取4時，所得IMF4分量能夠最佳地表征表面波，故將IMF4選取為后續探究所需的透射瑞利波，不同裂紋深度變分模態分解后所得透射瑞利波如圖8 所示。

對圖8的不同裂紋深度信號VMD后得到的透射瑞利波進行傅里葉變換得到歸一化頻譜，如圖9所示。可以看出，與無裂紋信號的透射瑞利波頻譜相比，有裂紋信號的透射瑞利波的高頻成分明顯減少。隨著裂紋深度的增加，透射瑞利波的頻譜主體向低頻處搬移，頻帶寬度逐漸減小。在透射瑞利波頻譜中設定處于頻率最大幅值的0.707倍且在最大幅值對應頻率右側的頻率為高頻截止頻率，無裂紋、裂紋深度0.2、0.3、0.4mm 對應的高頻截止頻率分別為2.638、2.504、1.897、1.509MHz，隨著裂紋深度的增加，高頻截止頻率逐漸降低。分析原因是：當裂紋深度增加時，原本可以途經裂紋內壁繼續向前傳播的波長較短的透射瑞利波被裂紋阻礙，在裂紋處轉換為反射回波，透射瑞利波中頻率較高即波長較短的成分無法被接收源探測到，裂紋對透射瑞利波產生低通濾波的效果。

由于掃查的始末長度比裂紋長度更長，故所得的大量時域信號包含了裂紋信號和無裂紋信號。對裂紋深度0.2mm 的240組時域信號、深度0.3 mm的140組時域信號、深度0.4mm的140組時域信號進行變分模態分解，均取IMF4 為透射瑞利波，得到裂紋深度0.2mm的240組透射瑞利波、深度0.3mm 的140組透射瑞利波、深度0.4mm的140組透射瑞利波，探究透射瑞利波的多維特征信息與裂紋深度之間的變化規律。

首先是TR透射瑞利波谷衰減系數分析。每種裂紋深度下，各取80組裂紋處的透射瑞利波和30組無裂紋處的透射瑞利波，計算80組裂紋處的透射瑞利波中TR 透射瑞利波谷絕對值的均值為b1，30組無裂紋處的透射瑞利波中TR 透射瑞利波谷絕對值的均值為b2，并定義b1與b2的比值為波谷衰減系數，獲取的數值信息見圖10。可以直觀看出，隨著裂紋深度的增加，TR 波谷絕對值均值呈現非線性單調遞減變化，波谷衰減系數也呈非線性單調遞減變化。

其次是透射系數分析。本文使用裂紋處TR1透射瑞利波峰峰值均值與無裂紋處TR 透射瑞利波峰峰值均值的比值作為透射系數。由于裂紋處TR1透射瑞利波攜帶了裂紋深度的信息，而無裂紋處TR 透射瑞利波是從激勵源直達接收源，故只與激勵接收的實驗參數和試塊表面質量相關，本文實驗均在相同條件下進行，故TR 透射瑞利波基本不變。利用TR1峰峰值均值與TR 峰峰值均值的比值，使之在歸一化標準下處理數據，可以避免試塊表面質量的差異引起的數值偏差。統計每種裂紋深度下，80組裂紋處的TR1透射瑞利波峰峰值的均值和30組無裂紋處TR 透射瑞利波峰峰值的均值，兩者的比值記為透射系數。圖11所示為裂紋深度與透射系數之間的變化關系。可以看出，隨著裂紋深度增加，裂紋處TR1透射瑞利波峰峰值均值減小，透射系數呈非線性單調下降趨勢。

最后是TR1 透射瑞利波峰峰時間差值分析。

統計每種裂紋深度下，80組裂紋處的TR1透射瑞利波峰對應時間與TR1透射瑞利波谷對應時間的差值，圖12所示為裂紋深度與TR1透射瑞利波峰峰時間差值之間的變化關系。隨著裂紋深度增加，TR1 透射瑞利波峰峰時間差值在增加，并且TR1透射瑞利波在波峰波谷轉折處斜率放緩，推知TR1 透射瑞利波主體向低頻變化。

2.3 表面裂紋深度定量檢測

由2.2節知，在遇到裂紋時，TR1透射瑞利波主體向低頻變化，TR1透射瑞利波峰峰時間差值呈增大趨勢，要實現裂紋深度的定量檢測，可以建立裂紋深度與TR1透射瑞利波峰峰時間差值之間的函數關系模型。

據此函數模型可以對裂紋深度進行定量檢測，僅需從超聲波信號獲取TR1 透射瑞利波峰峰時間差值t_d的數值，代入函數模型中即可求出裂紋深度值。利用實驗數據對函數模型的準確性進行驗證。對不同裂紋深度分別進行兩組實驗，對實驗信號變分模態分解所得透射瑞利波中獲取TR1 透射瑞利波峰峰時間差值t_d的信息，代入式（7）求得對應的裂紋深度值記為定量檢測結果，與實際裂紋深度比較誤差大小匯于表2，表中的絕對誤差和相對誤差均是取絕對值的結果。

從表中可以看出，裂紋深度定量檢測結果有較好的精度，絕對誤差在35μm以內，最小絕對誤差為2μm，相對誤差不高于11%，驗證了利用該函數模型進行裂紋深度定量檢測的有效性和準確性。

3結束語

本文通過激光超聲檢測系統實現非接觸的金屬增材件裂紋深度檢測。首先探究了不同裂紋深度的透射瑞利波時域與頻域的變化規律，然后采用變分模態分解提取不同裂紋深度的激光超聲信號的透射瑞利波IMF4，從中提取“TR 透射瑞利波谷衰減系數”、“透射系數”和“TR1 透射瑞利波峰峰時間差值”三個維度的特征信息，研究了其與裂紋深度之間的變化規律，最后建立TR1透射瑞利波峰峰時間差值與裂紋深度之間的函數模型，實現裂紋深度0.2～0.4mm 的定量檢測，絕對誤差在35μm以內，最小絕對誤差為2μm，相對誤差不高于11%，驗證了該函數模型的準確性，對增材制件表面裂紋深度的定量檢測精度高。本文相較于已有研究，進行了真正意義上的非接觸檢測，解決了復雜多模態激光超聲信號的單一透射瑞利波模態提取問題，完善了激光超聲技術在透射模式下的檢測應用研究。由于本文是對具有一定板厚的試件進行檢測，其板厚遠大于激發的超聲波波長，所以下一步的研究方向是探究在金屬增材件厚度與激發波長相近情形下透射信號用于裂紋深度檢測的可行性。