劉 彬，董世運(yùn)

(1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

0 引言

激光熔覆技術(shù)具有能量集中、熔覆速度快、熱影響區(qū)小及與基體形成可靠冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，目前在汽車、船舶等重工業(yè)中關(guān)鍵機(jī)械零部件的表面修復(fù)及立體成型修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用［1－3］。研究表明，影響激光熔覆層質(zhì)量的因素眾多，缺陷(宏觀缺陷)是其中重要因素之一。目前，缺陷評價(jià)方法可分為無損法和有損法2大類［4－6］，雖然上述兩類方法可在一定程度上實(shí)現(xiàn)缺陷的評價(jià)，但均存在一定問題，如不便于現(xiàn)場檢測、危害操作人員身體健康、設(shè)備價(jià)格昂貴等;因此，尋找一種使用方便、安全、價(jià)格便宜且便于現(xiàn)場檢測的無損評價(jià)方法就顯得極為重要。

當(dāng)量法是基于超聲波無損評價(jià)理論而實(shí)現(xiàn)缺陷定量評價(jià)的一種方法，具有無損、快速、可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測或檢測等優(yōu)點(diǎn)［7］，因而在無損檢測領(lǐng)域得到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，也是目前實(shí)現(xiàn)缺陷定量評價(jià)的常規(guī)技術(shù)手段。由當(dāng)量法實(shí)現(xiàn)缺陷定量評價(jià)技術(shù)原理可知，傳播距離是影響當(dāng)量法評價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素(尤其對于高衰減介質(zhì)而言)，并且傳播距離在實(shí)際檢測過程中很難保證精確一致，但目前對傳播距離影響當(dāng)量法評價(jià)結(jié)果的研究非常少。針對這一問題，本研究以激光熔覆層表層缺陷為研究對象，采用超聲表面波對其深度進(jìn)行定量評價(jià)，并在聲波能量衰減研究基礎(chǔ)上對缺陷深度評價(jià)提出修正方法。

1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用XZU－1型數(shù)字超聲波檢測系統(tǒng)對激光熔覆層表層缺陷進(jìn)行評價(jià)，該檢測系統(tǒng)主要包括信號采集系統(tǒng)、信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和超聲波探頭(圖1)。其中，信號采集系統(tǒng)和信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要參數(shù)為:頻率為0.5～15MHz，增益為0～110 dB，衰減誤差為每2 dB誤差不大于±0.1 dB，重復(fù)頻率為20～500 Hz;超聲波探頭中心頻率為5MHz，入射角為 62°。

圖1 缺陷檢測的超聲波設(shè)備Fig.1 Ultrasonic wave device for flaw detection

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

采用多道搭接多層堆積方式，在45鋼表面制備厚度為3.0mm的Fe314激光熔覆層，結(jié)合機(jī)加工方法在其表面制備深度 h分別為 0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.8、2.0、2.4mm 的表層裂紋，檢測方式及試樣示意圖見圖2。

圖2 不同深度表層裂紋及檢測示意圖Fig.2 Schematic illustration of surface crack with different depth and detection

調(diào)節(jié)并固定超聲波檢測系統(tǒng)檢測參數(shù)不變，選擇超聲表面波在激光熔覆層表面?zhèn)鞑ブ帘韺恿鸭y距離分別為25、45、55、60mm，依據(jù)圖2中方法采集各種深度的表層裂紋超聲表面波信號。超聲波傳播距離為45mm。

裂紋深度分別為 0、0.2、0.6、1.0mm 時(shí)表層裂紋超聲表面波信號如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)表層裂紋深度為0mm時(shí)，接收信號中只出現(xiàn)激光熔覆層試樣末端棱邊信號(上、下2個(gè)棱邊)，隨表層裂紋深度的增大，裂紋信號幅值逐漸變大，棱邊信號幅值逐漸減小;當(dāng)表層裂紋深度達(dá)到1.0mm時(shí)，棱邊信號幅值非常小，基本淹沒在噪聲信號中，此時(shí)認(rèn)為接收信號中只存在裂紋信號，因而再隨裂紋深度的增大，裂紋信號幅值保持不變，棱邊信號消失。重復(fù)上述步驟，采集不同傳播距離時(shí)激光熔覆層表層裂紋超聲表面波信號。對比圖3a～圖3d中信號可知，各深度表層裂紋超聲表面波信號中噪聲能量較高(信噪比低)，從而影響裂紋深度評價(jià)精度。分析認(rèn)為，這主要是由激光熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)引起的，結(jié)合激光熔覆層制備工藝及微觀組織結(jié)構(gòu)分析可知，本研究中激光熔覆層是采用多道搭接多層堆積方式制備而得，因而由單道間的搭接和層間堆積導(dǎo)致激光熔覆層中存在較多數(shù)量的層間界面，且激光熔覆層組織為快速凝固組織，呈典型樹枝晶結(jié)構(gòu)，這也導(dǎo)致組織中存在較多晶間界面。文獻(xiàn)［8］表明，超聲波在異質(zhì)界面處會發(fā)生多種模式轉(zhuǎn)換，并與初始信號相互作用進(jìn)而形成噪聲，相互作用界面面積越大，噪聲能量越高，因而本研究中激光熔覆層表層裂紋超聲表面波信號信噪比較低。

圖3 不同深度表層裂紋超聲表面波信號Fig.3 Ultrasonic surface wave signals of surface crack with difference depths

噪聲能量越高、信噪比越低，對缺陷定量評價(jià)結(jié)果影響越大。針對這一問題，本研究基于matlab軟件，借助小波分析理論對各深度裂紋超聲表面波信號進(jìn)行降噪處理(母小波為dbN系小波)，提取降噪后各深度裂紋超聲表面波信號幅值，建立裂紋超聲表面波信號幅值與深度關(guān)系曲線(圖4)。

對比圖4中各曲線可知，隨裂紋深度增大，裂紋信號幅值與裂紋深度間曲線變化規(guī)律基本相同，只是裂紋信號幅值略有不同，即表層裂紋深度相同時(shí)，裂紋信號幅值隨傳播距離增大而逐漸降低。結(jié)合超聲表面波與缺陷相互作用原理可知，超聲表面波與缺陷相互作用會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖4 表層裂紋信號幅值與深度關(guān)系曲線Fig.4 Curves of signal amplitude and crack depth

圖5 超聲表面波與表層裂紋相互作用示意圖Fig.5 Schematic illustration of interaction of ultrasonic surface wave with surface crack

由圖5可知，當(dāng)超聲表面波沿激光熔覆層表面?zhèn)鞑ブ亮鸭yAB面時(shí)，部分聲波發(fā)生反射并沿原路徑返回，形成裂紋信號，另一部分聲波繼續(xù)沿BC－CD面向前傳播，其中一部分聲波在B點(diǎn)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換并向介質(zhì)內(nèi)部傳播消散，剩余的聲波繼續(xù)沿BC－CD－DE面向前傳播并到達(dá)棱邊EF，從而在E和F點(diǎn)形成棱邊信號［9］。由裂紋超聲表面波信號幅值隨裂紋深度變化規(guī)律(圖3)可知，裂紋超聲表面波信號幅值隨裂紋深度變化并不呈線性規(guī)律，分析認(rèn)為這主要是由超聲表面波能量在介質(zhì)中的分布規(guī)律決定的。由超聲表面波在固體介質(zhì)中的波動方程可知，其沿滲透方向上能量分布可表示為

式中:K為與介質(zhì)聲速、頻率和激勵(lì)強(qiáng)度等有關(guān)的常數(shù);λ為介質(zhì)中的超聲表面波波長;x為沿介質(zhì)表面的傳播距離;z為滲透方向上傳播距離。

由式(1)可知，隨超聲表面波在介質(zhì)中滲透深度z的增大，聲波能量以指數(shù)形式急劇降低，直至完全消失(一般認(rèn)為，當(dāng)滲透深度＞2λ時(shí)，聲波能量衰減為零)。因而，隨表層裂紋深度的增大，與其相互作用的超聲表面波能量逐漸增大，但其增大速率逐漸變小，因而裂紋超聲表面波信號幅值隨裂紋深度的增大呈增大趨勢，但其增加速率逐漸減小。當(dāng)滲透深度約為1.0mm時(shí)，超聲表面波在裂紋處幾乎被全反射或由于模式轉(zhuǎn)換、能量衰減等原因沿裂紋面繼續(xù)向前傳播并到達(dá)棱邊EF的比例幾乎為0，因而，再隨裂紋深度的增大，裂紋超聲表面波信號幅值基本不變，棱邊信號消失。

為實(shí)現(xiàn)激光熔覆層表層裂紋深度的無損評價(jià)，采用多項(xiàng)式對傳播距離為45mm時(shí)表層裂紋信號幅值－深度結(jié)果(圖3)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到可用于評價(jià)激光熔覆層表層裂紋深度的表達(dá)式:

式中，A為信號幅值，h為表層裂紋深度。

對比圖3中不同傳播距離時(shí)表層裂紋超聲表面波信號幅值與裂紋深度關(guān)系曲線可知，隨傳播距離的增大，相同深度表層裂紋信號幅值逐漸降低，其差別非常明顯。這也就表明，對傳播距離不同導(dǎo)致的聲波能量衰減進(jìn)行補(bǔ)償對保證裂紋深度評價(jià)精度顯得極為必要。針對這一問題，本研究在無缺陷激光熔覆層試樣表面每間隔15mm采集1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(超聲波信號)，直至超聲波接收信號基本為0(最大傳播距離約為95mm)，得到超聲波信號幅值與傳播距離間關(guān)系(圖6)。

圖6 不同傳播距離的激光熔覆層超聲波信號Fig.6 Ultrasonic wave signal of laser cladding coating corresponding to different propagation distances

由圖6可知，隨超聲波沿激光熔覆層傳播距離的增大，接收信號幅值急劇減小，即聲波能量急劇降低，當(dāng)傳播距離為95mm時(shí)，接收信號基本淹沒在噪聲信號中，認(rèn)為該傳播距離對應(yīng)的聲波能量衰減近似為0?；诔暡ㄔ跐B透方向上能量分布規(guī)律(式(1))，采用指數(shù)函數(shù)y=aebx對超聲波能量衰減結(jié)果進(jìn)行擬合，得

式中，M為信號幅值，x為超聲波傳播距離。

假設(shè)當(dāng)量法標(biāo)定傳播距離為x1，在傳播距離為x2處存在1處表層缺陷，采用相同檢測參數(shù)對該位置缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行降噪處理提取信號幅值為F，考慮聲波能量由于傳播距離不同引起的衰減，對信號幅值進(jìn)行修正，可表示為

式中，F(xiàn)'為修正后裂紋超聲表面波信號幅值。

將F'代入式(2)中即可得到該表層裂紋深度值。為對本研究中聲波能量衰減修正方法及結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選擇相同檢測參數(shù)，固定超聲表面波在激光熔覆層的入射點(diǎn)距表層裂紋間距為55mm(通過調(diào)節(jié)聲程實(shí)現(xiàn))，對由靜載拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的激光熔覆層表層裂紋(金相法測量該裂紋深度約為0.28mm)進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7所示。

圖7 激光熔覆層表層缺陷超聲表面波信號Fig.7 Ultrasonic surface wave signal of surface flaw of laser cladding coating

由圖7可知，在聲程分別為55、82mm處各出現(xiàn)一峰值信號。結(jié)合激光熔覆層試樣尺寸(超聲波入射點(diǎn)距試樣棱邊約為83mm)及裂紋位置與超聲波入射點(diǎn)間距，認(rèn)為55mm處信號為裂紋超聲表面波信號，82mm處信號為棱邊信號。為實(shí)現(xiàn)該裂紋深度的定量評價(jià)，在小波降噪基礎(chǔ)上提取裂紋信號幅值并帶入式(2)和式(4)中得裂紋深度分別約為0.198、0.26mm，與裂紋實(shí)際深度相對誤差分別約為29%、7%。因而，本研究認(rèn)為激光熔覆層組織導(dǎo)致的超聲波能量衰減對當(dāng)量法評價(jià)其表層裂紋深度影響明顯，基于本研究提出的修正方法可提高裂紋深度評價(jià)精度。

3 結(jié)論

1)隨表層裂紋深度的增大，裂紋超聲表面波信號幅值逐漸增大，增加速率逐漸減小;當(dāng)裂紋深度達(dá)到1.0mm時(shí)，再隨深度的增大，裂紋超聲表面波信號幅值基本保持不變。

2)聲波能量衰減是導(dǎo)致傳播距離影響激光熔覆層表層裂紋深度當(dāng)量評價(jià)結(jié)果精度的根本原因，隨傳播距離的增大，相同尺寸表層裂紋超聲表面波信號幅值逐漸減小。

3)驗(yàn)證試驗(yàn)表明，本研究中超聲波能量衰減補(bǔ)償方法可提高激光熔覆層表層裂紋深度當(dāng)量評價(jià)結(jié)果精度。

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