鄧 進(jìn),姜文鑫,李海洋,李 兵,潘強(qiáng)華,張曉彤,那雪璐

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;2.中北大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

1 引 言

金屬構(gòu)件在加工及服役過程中,受高溫、高壓、高速和高負(fù)荷的外界載荷影響,其表面極易產(chǎn)生疲勞裂隙。統(tǒng)計(jì)表明,由疲勞裂紋引發(fā)的構(gòu)件失效事故約占所有事故總額的90 %以上[1],一般認(rèn)為,疲勞裂紋在構(gòu)件的表面萌生[2]。表面裂紋會顯著降低材料的機(jī)械性能和壽命,若不能及時(shí)對其進(jìn)行監(jiān)測,會給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。例如,2002年,華航一架波音747-200型客機(jī)由于表面裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體,致機(jī)上225人全部罹難的重大安全事故[3]。因此,為確保金屬構(gòu)件在生活生產(chǎn)的安全使用,對其進(jìn)行表面裂紋檢測就顯得尤為重要。但實(shí)際檢測過程中,由于待測結(jié)構(gòu)的表面不規(guī)則且待測環(huán)境復(fù)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(shù),可實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面缺陷的定量檢測與分析。

激光超聲檢測技術(shù)具有非接觸、空間分辨率高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn),可在高輻射、高壓、高腐蝕等復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則待測結(jié)構(gòu)的無損檢測,近年來已發(fā)展成超聲學(xué)中的重要分支,并成為無損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國內(nèi),Li[4]等人通過激光超聲技術(shù)分析了復(fù)合材料中縱向和橫向聲波速度與增強(qiáng)體尺寸及其體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系,并根據(jù)超聲波速度計(jì)算出了復(fù)合材料的有效彈性常數(shù)。南京理工大學(xué)董利明團(tuán)隊(duì)[5]從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面研究了金屬焊接的殘余應(yīng)力分布,并通過精確測量多種模態(tài)的超聲波波速測定了金屬材料的二階和三階彈性常數(shù),為金屬焊接殘余應(yīng)力的激光超聲檢測提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。南昌航空大學(xué)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了片劑硬度與聲表面波速度之間的關(guān)系曲線。大連理工大學(xué)郭海洋[7]等人依托兩套不同的檢測系統(tǒng)對帶涂層金屬板件的缺陷進(jìn)行檢測,利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及圖像分析了涂層影響下缺陷波形并對缺陷波進(jìn)行理論分析,然后對波形參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)了激光超聲技術(shù)在高速列車空心軸與車輪的表面裂紋檢測領(lǐng)域的應(yīng)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(jiān)測中的有效適用性。Karabutov[9]等人開發(fā)了一種基于激光熱彈機(jī)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(shù)的影響定量評估了CFRP復(fù)合層壓板的結(jié)構(gòu)。

激光超聲表面波檢測技術(shù)可以在待測工件表面激勵(lì)表面波,由于聲表面波的能量集中在待測工件表面一個(gè)波長范圍內(nèi),十分適合用于表面缺陷的定量檢測。國內(nèi),倪曉武[10]等人考慮到激光作用過程中材料熱物理參數(shù)受溫度影響的特性,建立了熱彈機(jī)制下超聲導(dǎo)波的產(chǎn)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(chǔ)。周正干[11]等人證明了未經(jīng)過濾波的Rayleigh波的透射系數(shù)與裂紋深度之間的關(guān)系可以應(yīng)用于表面裂紋的定量表征。中北大學(xué)李海洋[12]等人提出了表面缺陷透射系數(shù)實(shí)現(xiàn)表面缺陷深度評價(jià)的檢測方法,搭建了線源聚焦的激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)平臺,并建立了透射系數(shù)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(shí)現(xiàn)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(shù)對于深度小于亞波長的表面破裂裂紋檢測的應(yīng)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(jìn)行了全波場測量,并進(jìn)行了有效的信號和成像處理算法處理,實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)波的表征以及結(jié)構(gòu)損傷的定位和量化檢測。上述學(xué)者在激光超聲測厚、裂紋與超聲作用機(jī)理等方面做了大量工作,但關(guān)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(shù)和作為表征參數(shù)實(shí)現(xiàn)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(fā)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(shí)驗(yàn)部分采用熱彈機(jī)制和干涉法搭建了激光超聲實(shí)驗(yàn)平臺,對不同深度的試驗(yàn)樣本進(jìn)行了裂紋深度檢測。研究表明,脈沖激光產(chǎn)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(shù)和近似線性減小,所提出的計(jì)算方法準(zhǔn)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(shù)手段。

2 有限元分析與測量原理

2.1 構(gòu)建模型

有限元方法能夠靈活處理復(fù)雜的幾何模型并得到全場數(shù)值解,并且能夠考慮到材料參數(shù)隨溫度變化的實(shí)際情況,已經(jīng)被廣泛用于計(jì)算激光超聲波在材料中的產(chǎn)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(fā)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(jù)熱傳導(dǎo)方程得出材料模型的瞬態(tài)溫度場分布,而后將瞬態(tài)溫度場作為體載荷進(jìn)行位移場的求解。仿真過程中,熱傳導(dǎo)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(shù)矩陣導(dǎo)數(shù)的轉(zhuǎn)置矩陣;D是材料的特性矩陣;ε0是熱應(yīng)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(nèi)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(shù)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(shù)設(shè)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(lì)表面波,在傳播過程中與表面缺陷相互作用產(chǎn)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(shí)現(xiàn)缺陷深度的定量檢測。我們定義有裂紋結(jié)構(gòu)透射聲波信號的幅值為A1,完整結(jié)構(gòu)直達(dá)波信號幅值為A2,則透射系數(shù)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(guān)于頻率f的函數(shù),為了減小誤差,采用透射系數(shù)之和作為裂紋深度表征參數(shù),透射系數(shù)和可以表示為:

(5)

圖2給出了采用透射系數(shù)和作為檢測特征參數(shù)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(shù)和是一定頻率范圍內(nèi)激光超聲透射系數(shù)之和,該參數(shù)表征了該頻率范圍內(nèi)表面裂紋對激光超聲透射的調(diào)制作用。激光超聲表面波具有寬頻帶的特點(diǎn),也就說在表面裂紋處多個(gè)頻率分量的聲波同時(shí)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(shù)與入射頻率之間的關(guān)系,在表面裂紋深度敏感頻率范圍內(nèi)對透射系數(shù)求和,進(jìn)而表征待測表面裂紋的深度。

3.實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于熱彈機(jī)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(lì)部分采用CFR200激光發(fā)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(lì)部分發(fā)射脈沖激光后,經(jīng)由焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源,輻照到樣品表面產(chǎn)生聲表面波,隨后由激光接收部分實(shí)現(xiàn)對聲信號的非接觸接收,并將聲信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上通過LU Scan軟件進(jìn)行顯示及存儲。實(shí)驗(yàn)流程示意框圖與實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)樣品Fig.4 Experimental sample

3.3 檢測方案

本文采用固定激光激勵(lì)與信號接收裝置的距離,通過移動(dòng)待測樣品實(shí)現(xiàn)表面掃查。待測樣品表面掃查區(qū)域可劃分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ 3 個(gè)部分,Ⅰ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)位于表面缺陷左側(cè)時(shí),Ⅱ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在表面缺陷的兩側(cè),Ⅲ區(qū)表示激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)在表面缺陷右側(cè)。通過分析不同表面缺陷裂紋深度下區(qū)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(shù)之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對金屬材料表面缺陷裂紋的定量檢測。檢測方案及掃查區(qū)域劃分如圖5所示,其中d為固定激光激勵(lì)與信號接收裝置部分距離,a為探測點(diǎn)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(shù)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of scanning laser source technology device

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 仿真結(jié)果

為了清楚地表示激光產(chǎn)生的瑞利波與表面裂紋的相互作用機(jī)制,利用3.1小節(jié)中建立的物理模型進(jìn)行了數(shù)值分析,得到了同時(shí)刻下瑞利波在完整結(jié)構(gòu)和有裂紋結(jié)構(gòu)的傳播特性,并將二者進(jìn)行了比較。圖6(a)為激光超聲超聲波在完整結(jié)構(gòu)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(fā)點(diǎn)向結(jié)構(gòu)的底部和表面兩側(cè)方向傳播,遇到表面裂紋缺陷發(fā)生了反射、透射與散射現(xiàn)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(nèi)的透射波特性變化規(guī)律,可以達(dá)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(shí)域波形如圖7(a)和圖7(b)所示。此時(shí)檢測探針與激光入射點(diǎn)的距離分別設(shè)置為7 mm和9.5 mm。

圖7 時(shí)域波形Fig.7 Time domain waveform

圖7(a)和圖7(b)分別給出了完整結(jié)構(gòu)和有裂紋結(jié)構(gòu)的同側(cè)和異側(cè)信號時(shí)域波形。從圖7(a)中可以清晰地看出時(shí)域波形中裂紋處發(fā)生了反射現(xiàn)象。圖7(b)中,實(shí)線為有裂紋結(jié)構(gòu)透射波時(shí)域波形,點(diǎn)劃線為完整結(jié)構(gòu)相同位置處的時(shí)域波形,顯示了透射波信號經(jīng)過裂紋后的幅值衰減。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上文所述的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(fā)點(diǎn)與探測點(diǎn)位于圖5中區(qū)域Ⅱ時(shí)所獲得的直達(dá)瑞利波及反射波時(shí)域波形,圖9(b)為激發(fā)點(diǎn)與探測點(diǎn)位于區(qū)域Ⅲ時(shí)得到的透射波時(shí)域波形。

B-SCAN圖中對應(yīng)于圖5標(biāo)示了區(qū)域劃分,可以清晰地分辨圖(a)、(b)中箭頭所示的直達(dá)波,反射波和透射波時(shí)域波形。對比仿真波形圖9與實(shí)驗(yàn)波形圖7驗(yàn)證了有限元方法的準(zhǔn)確性。

圖8 B-SCAN圖Fig.8 B-SCAN diagram

圖9 實(shí)驗(yàn)時(shí)域波形Fig.9 Experimental time-domain waveform

4.3 檢測結(jié)果

利用第3.3小節(jié)中的所述的測量方法,分別計(jì)算了表面裂紋深度為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm時(shí)的透射系數(shù),以實(shí)現(xiàn)對表面裂紋尺寸的定量表征,結(jié)果如圖10所示。

圖10 透射系數(shù)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(shù)的關(guān)系,從圖10(a)中可以看出:采用有限元方法時(shí),當(dāng)頻率處于0.4～1.6 MHz范圍時(shí),四個(gè)深度下的透射系數(shù)呈近似線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,可以很好地實(shí)現(xiàn)裂紋深度的定量表征。從圖10(b)中可以看出:在實(shí)驗(yàn)方法中,當(dāng)頻率處于1 MHz～2.2 MHz范圍時(shí),裂紋深度與透射系數(shù)同樣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。為了減小實(shí)驗(yàn)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(shù)和作為參數(shù)來測算裂紋深度。同時(shí),可以看出投射系數(shù)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(shù)和作為表征裂紋深度的特征參數(shù),如圖11所示。

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

圖11中實(shí)線、虛線分別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,隨著裂紋深度增加,透射系數(shù)和減小,且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的趨勢。將透射系數(shù)和記為t,表面裂紋缺陷深度記為D,根據(jù)式(4)、式(5),利用多項(xiàng)式擬合得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合方程為D1=-1.28466t2-0.69515t+1.20427,仿真數(shù)據(jù)擬合方程為D2=0.62184t2-1.26355t+1.22321。上述二式具有良好的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jié) 論

本文采用有限元仿真法和實(shí)驗(yàn)法研究了脈沖激光線源在含有表面缺陷的鋁板中激發(fā)瑞利波的物理過程,發(fā)現(xiàn)脈沖激光產(chǎn)生的瑞利波對結(jié)構(gòu)表面裂紋缺陷十分敏感,利用0.5 MHz～2 MHz頻率范圍內(nèi)的透射系數(shù)和作為參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)表面裂紋缺陷的定量表征,并對估計(jì)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。研究成果表明:基于透射系數(shù)和的激光超聲檢測技術(shù),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。