表面裂纹的激光超声深度测量

吴 瑞，李海洋，王召巴，潘强华2，魏壮壮

(1.中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

金属在加工过程和服役环境中，由于受到外界载荷的作用，极易产生裂纹。若未被及时检测发现，裂纹会继续生长，使工件的力学性能受损，进而引发重大事故[1]。其中，金属表面裂纹是常见的裂纹形式。因此，针对金属表面裂纹的检测是无损检测技术研究的重要内容。

激光超声技术克服了传统检测技术检测过程中依赖耦合剂的缺点[2]，能够实现完全非接触检测，同时具有适用于高温、高压、高辐射等恶劣环境的优点[3]。NI等[4]利用扫描激光源法和有限元法，分析了铝材料表面微小裂纹的机理和激光超声表面波的传播特性。严刚等[5]利用基于光偏转法检测表面缺陷的激光超声系统，研究了表面波经过不同深度缺陷时的反射和透射特征。曾伟等[6]利用有限元方法研究了激光超声对近表面缺陷的影响，得出震荡信号中心频率与缺陷深度呈线性关系的结论。GUAN等[7]利用有限元法模拟了表面波与不同深度裂纹的作用过程。目前的研究主要还是利用仿真从理论上研究超声波与缺陷的相互作用过程[8]，而关于金属材料表面缺陷深度检测的研究很少，还存在很多值得进一步分析的地方。

笔者通过搭建激光超声检测试验平台，实现对金属表面微裂纹的检测，通过分析表面波与缺陷的作用过程，得到不同深度微裂纹反射回波的震荡时间，利用震荡时间与深度拟合的关系式，实现对金属表面微裂纹深度的定量检测。

1 检测装置

激光超声检测系统由激光器模块、信号接收模块、扫描系统模块以及软件处理模块等组成，检测装置框图如图1所示。激光器模块主要由一台高能脉冲Nd…YAG固体激光器CFR200及其相应的光路系统组成[9]，可以产生波长为1 064 nm的脉冲激光，重复频率为20 MHz；信号接收模块采用基于迈克尔逊干涉原理的QUARTET-500 mV激光超声接收仪，在被测材料表面形成的超声波传输到激光超声接收仪中，通过光纤传输到NATIONAL INSTRUMENTS信号采集卡中；PC端中的LU Scan软件可以控制采样频率、时间步长、扫描方向等参数，实现数据的采集和处理；扫描系统模块中扫查架的扫描面积为250 mm×250 mm，扫描分辨率为6 mm，可以实现被测材料的精准定位以及二维扫查。按照激光超声检测试验装置搭建如图2所示的试验平台。

图1 激光超声检测装置框图

图2 激光超声检测平台外观

2 检测原理及方法

2.1 检测原理

按照激光激发功率和被测材料熔点的不同，可以将激光超声的产生机制分为两类：热弹机制和烧蚀机制。当激光激发功率小于材料损伤阈值107W·cm-2时，被测材料吸收激光能量，局部产生热膨胀，在材料中产生纵波、剪切波、表面波和各种模式的转换波，不会对被测材料表面产生任何相变，这种激光超声检测机制称为热弹机制[10]；当激光激发功率大于材料损伤阈值时，材料表面会发生融化、汽化等现象，使被测材料表面产生一定的损伤，这种机制称为烧蚀机制，主要用于某些需要激发纵波的场合[11]。

由于试验采用的裂纹尺寸可达到微米量级，若入射的激光对被测材料产生损伤，则误差增大，而热弹机制不会对被测材料产生损伤，并且激发出来的表面波效果较好，因此采用热弹机制进行激发。

2.2 检测样品

针对含不同深度缺陷的6061铝合金样品进行检测，材料参数见表1，表面缺陷的深度分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 mm，样品外观如图3所示。样品的尺寸示意如图4所示。

表1 6061铝合金样品的参数

图3 检测样品外观

图4 检测样品尺寸示意

2.3 检测方法

针对不同深度缺陷的铝合金样品，采用超声反射法进行检测。搭建激光超声检测平台，将样品固定在扫查架上，设置激光源在距离缺陷左边缘(16±0.5)mm处，接收源在距离缺陷左边缘(5±0.5)mm处。

在热弹机制下，激发激光在材料表面产生表面波的过程如图5所示，固定激发点和接收点的位置，表面波沿着试件表面向两侧传播。一部分直接传输到接收点，形成直达表面波R；另一部分到达接收点之后继续沿着表面传播到缺陷的左侧，经过缺陷左边缘的反射，形成缺陷反射回波RR；一部分沿着缺陷底部传播到缺陷的另一侧，形成缺陷的透射波TR；另外还有部分波在缺陷底部发生模式转换，形成缺陷的模式转换波RS、RL(图中未画出)。

图5 样品的激光超声检测原理示意

3 检测结果与讨论

主要研究缺陷反射回波的特征，设置相同的激光发射能量，得到不同深度缺陷的时域信号波形，如图6所示。由于激发点、接收点与缺陷的位置固定，从图6中可以得出,当t=5.4 ms时，接收到直达表面波R，当t=8.6 ms时，接收到的信号为缺陷反射回波RR。由于缺陷反射回波的到达时间只与传播距离有关，所以不同深度缺陷接收到的直达表面波R和反射回波RR时间相同。

图6 不同深度缺陷的时域信号波形

激光辐照到样品表面，会在样品中产生双极性的表面波，通过观察直达表面波的各个峰值到达的时间，求出各个峰值之间的时间差T2-T1、T3-T1及T3-T2，如表2所示，发现不同深度缺陷样品的表面波的震荡时间相同，由于直达表面波是直接从激发点传输到接收点的，不包含缺陷信息，因此直达表面波R的震荡时间不随缺陷深度的变化而变化。

表2 激光检测样品时直达波的震荡时间

表3给出了检测时，缺陷反射回波RR各个峰值的到达时间以及时间差，由于缺陷反射回波经过缺陷左边缘反射，携带了缺陷的信息，所以不同深度缺陷的各峰值时间差是不同的，可以以此作为定量检测金属表面微裂纹深度的依据。由于声表面波中的低频成分容易通过表面缺陷继续传播，而表面缺陷的深度越大，上下表面的距离越大，表面波中的低频成分在缺陷的上表面反复反射，从而使震荡时间增加。因此，通过反射波的震荡时间差与缺陷深度的拟合关系式，可以定量检测金属表面微裂纹的深度。

表3 激光检测样品时反射波的震荡时间

将不同缺陷深度的反射波的各峰值时间差与缺陷深度进行拟合(见图7)，发现随着缺陷深度的增加，各峰值之间的时间差不断增加，其中图7(a)和7(d)中的T4-T3、T3-T2与缺陷深度的拟合程度最好，呈一次线性关系，拟合方程分别为y1=0.948 6x+0.261 3，y2=0.2x+0.1。

为验证该结论，对含不同深度缺陷的Q235钢试件进行相同方法的检测，拟合结果如图8所示，可见，随着缺陷深度的增大，反射波的震荡时间差与深度呈线性关系，与含不同深度缺陷的6061铝合金的试验结论相同。

图8 Q235钢试件震荡时间差与深度拟合结果

4 结论

通过搭建激光超声检测平台，研究了6061铝合金中不同深度微裂纹的检测，发现相同激光能量下，不同深度缺陷的直达表面波的震荡时间差相同，而缺陷反射回波的震荡时间差与缺陷深度线性相关，且含不同深度微裂纹的Q235钢的试验有相同的规律，验证了该方法的有效性。因此，可以通过震荡时间差与缺陷深度的拟合关系来实现不同深度微裂纹的定量检测。