表面裂纹深度检测的非接触光声检测技术研究

邓 进,姜文鑫,李海洋,李 兵,潘强华,张晓彤,那雪璐

(1.中国特种设备检测研究院,北京 100029;2.中北大学 先进制造技术山西省重点实验室,山西 太原 030051)

1 引 言

金属构件在加工及服役过程中,受高温、高压、高速和高负荷的外界载荷影响,其表面极易产生疲劳裂隙。统计表明,由疲劳裂纹引发的构件失效事故约占所有事故总额的90 %以上[1],一般认为,疲劳裂纹在构件的表面萌生[2]。表面裂纹会显著降低材料的机械性能和寿命,若不能及时对其进行监测,会给设备的安全运行带来严重隐患。例如,2002年,华航一架波音747-200型客机由于表面裂纹扩展导致结构解体,致机上225人全部罹难的重大安全事故[3]。因此,为确保金属构件在生活生产的安全使用,对其进行表面裂纹检测就显得尤为重要。但实际检测过程中,由于待测结构的表面不规则且待测环境复杂,增加了对表面裂纹定量检测的难度。因此,本文提出了基于激光超声的一种非接触检测技术,可实现金属构件表面缺陷的定量检测与分析。

激光超声检测技术具有非接触、空间分辨率高、频带宽等优点,可在高辐射、高压、高腐蚀等复杂环境下实现对不规则待测结构的无损检测,近年来已发展成超声学中的重要分支,并成为无损检测领域的研究热点。国内,Li[4]等人通过激光超声技术分析了复合材料中纵向和横向声波速度与增强体尺寸及其体积分数的关系,并根据超声波速度计算出了复合材料的有效弹性常数。南京理工大学董利明团队[5]从数值模拟和实验两方面研究了金属焊接的残余应力分布,并通过精确测量多种模态的超声波波速测定了金属材料的二阶和三阶弹性常数,为金属焊接残余应力的激光超声检测提供了理论和实验依据。南昌航空大学占惠星等人[6]将激光照射到片剂上,测定了反射的声表面波速度,通过对实验数据进行分析,得到了片剂硬度与声表面波速度之间的关系曲线。大连理工大学郭海洋[7]等人依托两套不同的检测系统对带涂层金属板件的缺陷进行检测,利用实验产生的数据以及图像分析了涂层影响下缺陷波形并对缺陷波进行理论分析,然后对波形参数进行了实时计算最终得到了50 μm涂层影响下缺陷的形状和尺寸特征。国外，Cavuto[8]等人实现了激光超声技术在高速列车空心轴与车轮的表面裂纹检测领域的应用,利用有限元方法研究了激光超声在变截面列车空心轴裂纹监测中的有效适用性。Karabutov[9]等人开发了一种基于激光热弹机制和宽带声脉冲压电检测的超声光谱方法,通过微观分散空隙和夹层分层对超声波衰减系数的影响定量评估了CFRP复合层压板的结构。

激光超声表面波检测技术可以在待测工件表面激励表面波,由于声表面波的能量集中在待测工件表面一个波长范围内,十分适合用于表面缺陷的定量检测。国内,倪晓武[10]等人考虑到激光作用过程中材料热物理参数受温度影响的特性,建立了热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型,为热弹条件下材料性能的激光超声检测提供了定量的基础。周正干[11]等人证明了未经过滤波的Rayleigh波的透射系数与裂纹深度之间的关系可以应用于表面裂纹的定量表征。中北大学李海洋[12]等人提出了表面缺陷透射系数实现表面缺陷深度评价的检测方法,搭建了线源聚焦的激光超声检测实验平台,并建立了透射系数与缺陷深度的拟合曲线。国外,A.K.Kromine[13]和 Y.Sohn[14]等人提出了一种基于激光超声的扫描激光源方法实现了对尺寸明显小于超声波长的表面裂纹的检测,探索了该技术对于深度小于亚波长的表面破裂裂纹检测的应用。Michaels[15]等人通过安装在扫描台上的空气耦合换能器和扫描激光测振仪进行了全波场测量,并进行了有效的信号和成像处理算法处理,实现了对导波的表征以及结构损伤的定位和量化检测。上述学者在激光超声测厚、裂纹与超声作用机理等方面做了大量工作,但关于金属材料表面缺陷定量无损检测的研究,仍存在一定的研究空间。

本文使用激光超声宽带透射系数和作为表征参数实现了裂纹深度的定量检测。理论部分采用有限元法模拟了脉冲激光线源在铝板表面激发声表面波的物理过程,分析了瑞利波在缺陷处反射与透射的声波信号。实验部分采用热弹机制和干涉法搭建了激光超声实验平台,对不同深度的试验样本进行了裂纹深度检测。研究表明,脉冲激光产生的瑞利波对金属表面裂纹十分敏感,随着裂纹深度的增加,透射系数和近似线性减小,所提出的计算方法准确度良好,可用于精确检测裂纹深度。本文研究成果可为航空航天金属工件表面裂纹的非接触定量检测提供有效的理论方法与技术手段。

2 有限元分析与测量原理

2.1 构建模型

有限元方法能够灵活处理复杂的几何模型并得到全场数值解,并且能够考虑到材料参数随温度变化的实际情况,已经被广泛用于计算激光超声波在材料中的产生和传播[16]。本文采用有限元方法在COMSOL Multiphysics 5.5软件上模拟了脉冲激光线源在含有表面裂纹的铝板表面激发声表面波的物理过程。由于位移场对温度场影响极小,热弹双向耦合可简化为顺序耦合。先根据热传导方程得出材料模型的瞬态温度场分布,而后将瞬态温度场作为体载荷进行位移场的求解。仿真过程中,热传导方程和有限元控制方程可表示为:

(1)

(2)

(3)

式中,Ve是元素的体积;BT是形函数矩阵导数的转置矩阵;D是材料的特性矩阵;ε0是热应变矢量。

由于表面裂纹与激光线源相互平行,可将本文研究内容近似看作二维问题。基于式(1)～(3),建立如图1所示的铝合金材料有限元模型,材料物理如参数表1所示。

图1 含有0.5mm深度裂纹铝板的有限元模型Fig.1 The finite element model of an aluminum plate with 0.5mm deep cracks

表1 物理参数设置Tab.1 Physical parameter settings

2.2 测量原理

激光超声在待测样品表面激励表面波,在传播过程中与表面缺陷相互作用产生反射、透射与散射声波信号并被接受端接收,这些声波信号包含了大量的缺陷尺寸信息。本文采用透射声波信号频域特征实现缺陷深度的定量检测。我们定义有裂纹结构透射声波信号的幅值为A1,完整结构直达波信号幅值为A2,则透射系数如下式所示:

(4)

由于不同波长的瑞利波具有不同反射与透射能力,因此T是关于频率f的函数,为了减小误差,采用透射系数之和作为裂纹深度表征参数,透射系数和可以表示为:

(5)

图2给出了采用透射系数和作为检测特征参数的表征流程示意图。

图2 测量方法示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement method

由图2可见,透射系数和是一定频率范围内激光超声透射系数之和,该参数表征了该频率范围内表面裂纹对激光超声透射的调制作用。激光超声表面波具有宽频带的特点,也就说在表面裂纹处多个频率分量的声波同时作用在裂纹处。由于不同频率分量的表面波具有不同的透射能力,必然存在一段对表面裂纹深度敏感的频率范围。本文将建立不同深度表面裂纹透射系数与入射频率之间的关系,在表面裂纹深度敏感频率范围内对透射系数求和,进而表征待测表面裂纹的深度。

3.实验方法

3.1 实验装置

基于热弹机制原理和线源聚焦方式,搭建了激光超声检测平台。激光激励部分采用CFR200激光发射器,激光接收部分采用基于迈克尔逊干涉原理的QUARTET-500 mV接收单元。激光激励部分发射脉冲激光后,经由焦距为100 mm的柱面透镜聚焦成线源,辐照到样品表面产生声表面波,随后由激光接收部分实现对声信号的非接触接收,并将声信号传输到计算机上通过LU Scan软件进行显示及存储。实验流程示意框图与实验平台如图3所示。

图3 实验系统示意图Fig.3 The schematic diagram of the experimental system

3.2 样 品

本文制作了4块带有不同深度表面裂纹的6061铝合金材料待测样品,如图4所示,表面缺陷裂纹深度如表2所示。

表2 表面裂纹深度Tab.2 Surface crack depth

图4 实验样品Fig.4 Experimental sample

3.3 检测方案

本文采用固定激光激励与信号接收装置的距离,通过移动待测样品实现表面扫查。待测样品表面扫查区域可划分为Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ 3 个部分,Ⅰ区表示激发点和接收点同时位于表面缺陷左侧时,Ⅱ区表示激发点和接收点在表面缺陷的两侧,Ⅲ区表示激发点和接收点在表面缺陷右侧。通过分析不同表面缺陷裂纹深度下区域Ⅱ采集的超声波信号,可建立表面缺陷裂纹深度与透射系数之间的关系,从而实现对金属材料表面缺陷裂纹的定量检测。检测方案及扫查区域划分如图5所示,其中d为固定激光激励与信号接收装置部分距离,a为探测点与缺陷边沿的距离,最小扫描步长为0.006 mm,扫查距离为15 mm。

图5 扫描激光源技术装置示意图Fig.5 Schematic diagram of scanning laser source technology device

4 仿真与实验结果讨论

4.1 仿真结果

为了清楚地表示激光产生的瑞利波与表面裂纹的相互作用机制,利用3.1小节中建立的物理模型进行了数值分析,得到了同时刻下瑞利波在完整结构和有裂纹结构的传播特性,并将二者进行了比较。图6(a)为激光超声超声波在完整结构中的位移场,其中瑞利波速度为2989.5 m/s,纵波波速为6310 m/s。

图6 位移场波形Fig.6 Displacement field waveform

从图6(b)可以看出:激光超声瑞利波从激发点向结构的底部和表面两侧方向传播,遇到表面裂纹缺陷发生了反射、透射与散射现象,且这些声波信号携带了表面裂纹的深度信息。因此,通过分析瑞利波在特定频率范围内的透射波特性变化规律,可以达到识别材料表面裂纹深度的目的。

有限元方法得到反射波和透射波信号的时域波形如图7(a)和图7(b)所示。此时检测探针与激光入射点的距离分别设置为7 mm和9.5 mm。

图7 时域波形Fig.7 Time domain waveform

图7(a)和图7(b)分别给出了完整结构和有裂纹结构的同侧和异侧信号时域波形。从图7(a)中可以清晰地看出时域波形中裂纹处发生了反射现象。图7(b)中,实线为有裂纹结构透射波时域波形,点划线为完整结构相同位置处的时域波形,显示了透射波信号经过裂纹后的幅值衰减。

4.2 实验结果

采用上文所述的实验装置及检测方案,获得了表面裂纹深度为0.3 mm样品的B-SACN图形及超声波信号时域波形。图8给出了上述扫查过程中的B-SCAN图形,图9(a)为激发点与探测点位于图5中区域Ⅱ时所获得的直达瑞利波及反射波时域波形,图9(b)为激发点与探测点位于区域Ⅲ时得到的透射波时域波形。

B-SCAN图中对应于图5标示了区域划分,可以清晰地分辨图(a)、(b)中箭头所示的直达波,反射波和透射波时域波形。对比仿真波形图9与实验波形图7验证了有限元方法的准确性。

图8 B-SCAN图Fig.8 B-SCAN diagram

图9 实验时域波形Fig.9 Experimental time-domain waveform

4.3 检测结果

利用第3.3小节中的所述的测量方法,分别计算了表面裂纹深度为0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm时的透射系数,以实现对表面裂纹尺寸的定量表征,结果如图10所示。

图10 透射系数Fig.10 Transmission coefficients

图10(a)和图10(b)分别给出了不同频率范围下裂纹深度与透射系数的关系,从图10(a)中可以看出:采用有限元方法时,当频率处于0.4～1.6 MHz范围时,四个深度下的透射系数呈近似线性负相关关系,可以很好地实现裂纹深度的定量表征。从图10(b)中可以看出:在实验方法中,当频率处于1 MHz～2.2 MHz范围时,裂纹深度与透射系数同样呈负相关关系。为了减小实验和仿真过程中的测量误差影响,我们使用一定频率范围下的透射系数和作为参数来测算裂纹深度。同时,可以看出投射系数随着频率增高降低,也就说明了频率越高,波长越小,透射能力越小。采用公式(5)定义的投射系数和作为表征裂纹深度的特征参数,如图11所示。

图11 裂纹深度—透射系数Fig.11 Crack depth-transmission coefficients

图11中实线、虚线分别是实验数据和仿真数据。结果表明,随着裂纹深度增加,透射系数和减小,且仿真结果与实验结果具有相同的趋势。将透射系数和记为t,表面裂纹缺陷深度记为D,根据式(4)、式(5),利用多项式拟合得出实验数据拟合方程为D1=-1.28466t2-0.69515t+1.20427,仿真数据拟合方程为D2=0.62184t2-1.26355t+1.22321。上述二式具有良好的准确性,实验拟合公式和仿真拟合公式的误差分别如表3、表4所示。

表3 实验拟合公式误差Tab.3 Error of experimental fitting formula

表4 仿真拟合公式误差Tab.4 Error of simulation fitting formula

5 结 论

本文采用有限元仿真法和实验法研究了脉冲激光线源在含有表面缺陷的铝板中激发瑞利波的物理过程,发现脉冲激光产生的瑞利波对结构表面裂纹缺陷十分敏感,利用0.5 MHz～2 MHz频率范围内的透射系数和作为参数可以实现表面裂纹缺陷的定量表征,并对估计结果进行了误差分析。研究成果表明:基于透射系数和的激光超声检测技术,可为金属工件表面裂纹缺陷非接触定量检测提供一种有效的方法。