金屬材料表面缺陷的激光超聲檢測技術*

李海洋，李巧霞，王召巴，吳其洲，陳友興

（中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

0 引言

在金屬構件的生產、加工及使用過程中，材料的表面損傷是最為常見的失效形式之一，會對生產安全造成巨大的威脅。為了確保設備的可靠運行，對表面缺陷的評價與檢測顯得十分必要。

激光超聲檢測技術是一門將激光技術與超聲學相結合的無損檢測技術，具有波型豐富、頻帶寬和非接觸的優點，可實現高輻射、高壓、高腐蝕環境下的無損檢測，已經成為近來年評價與檢測金屬材料性能的研究熱點［1-5］。錢夢騄［6-7］理論分析了熱彈機制下激光超聲脈沖在自由界面和鉗制界面的應力分布情況。Dong L M［8］采用激光超聲方法測量鋁合金試樣的三階彈性常數測量。Soltani P［9］采用有限元仿真得出了激光產生超聲時溫度和位移的計算結果，研究了激光參數對鋁板中激光產生的表面波的影響。沈中華［10］研究了激光線源在薄膜-襯底系統中的超聲產生，給出了傳播距離和薄膜厚度對聲表面波的影響。Park M C［11］利用有限元方法模擬了激光激發的超聲信號的傳播及其與彈性材料表面斷裂的相互作用。何躍娟［12-13］采用有限元方法研究了激光在不同厚度金屬材料表面激發超聲信號的溫度場與應力場的分布，以及在不同厚度材料表面激發的聲表面波。王威［14］研究了缺陷深度和寬度變化對散射回波特征的影響，得出了散射回波特征點到達時間差與缺陷深度和寬度有線性關系。關建飛［15］采用聲表面波位移信號中振蕩成分的時間間隔定量了檢測材料表面微缺陷深度。針對金屬材料表面缺陷評價與檢測的理論分析和實驗研究，尚存在研究空間。

因此，本文提出了表面缺陷透射系數實現表面缺陷深度評價的檢測方法，基于熱彈機制和激光干涉接收方式搭建了線源聚焦的激光超聲檢測實驗平臺，實現對表面缺陷處透射信號的觀測，采用透射系數法建立了透射系數-缺陷深度的擬合曲線，完成了聲表面波在不同深度表面缺陷深度的定量分析。本文的研究成果為推廣激光超聲檢測技術提供了理論依據和實驗方法。

1 表面缺陷檢測原理

熱彈機制是激光致聲的原理之一。激光照射到材料表面轉化為熱能，在材料局部區域形成熱膨脹區域，進而形成超聲波在固體介質中傳播。當激光功率密度小于105W/cm2時，不會對材料造成損傷，可實現完全無損的非接觸檢測。基于熱彈機制，激光超聲在材料表層產激發出橫波、縱波和表面波，其振動位移［7］滿足：

本文基于熱彈機制，采用線源激光在樣品表面激勵表面波在試樣表面傳播與缺陷相互作用發生透射與反射現象，其傳播過程如圖1 所示。

圖1 表面波在缺陷處傳播

圖1 中在激光激發點激勵的表面波沿著樣品表面傳播，傳播至樣品左側表面發生反射，形成反射波RL；激發點與缺陷之間的直達表面波記作R。表面波R 在傳播過程中遇到缺陷后，一部分聲波發生反射形成發射波RR；一部分聲波發生模式轉換，生成橫波RS 和縱波RL；還有一部分聲波在缺陷處發生透射繼續傳播，形成聲信號TR。缺陷深度不同，聲波信號RR，RL，RS，TR 能量也不同，從而可實現缺陷深度的表征。其中透射信號TR 對缺陷深度最為敏感，且透射接收聲信號波型單一，信噪比高，最能表征缺陷深度。本文使用缺陷處透射聲信號TR與直達波聲信號R 比值，也就是采用透射系數來表征缺陷深度，定義如下所示：

其中，AR為直達聲信號R 幅值，ATR為透射聲信號TR 的幅值。式（2）中將透射聲信號TR 使用直達聲信號R 幅值進行歸一化處理，去除了每次激勵激光時，檢測系統造成的誤差。根據激光超聲表面波與缺陷相互作用原理，本文采用式（2）可實現待測樣品表面缺陷深度的評價與檢測。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置及樣品

本文采用熱彈機制原理和線源聚焦方式，搭建了激光超聲檢測平臺。激光激勵部分采用CFR200激光發射器激發脈沖激光，經焦距為100 mm 的柱面透鏡聚焦成線源，照射到工件表面產生聲表面波。激光接收部分采用QUARTET-500 mV 接收單元，基于邁克爾遜干涉原理實現聲信號的非接觸接收，并將聲信號傳輸到處理計算機上，通過LU Scan軟件來實現數據的顯示及存儲。激光超聲實驗框圖與平臺如下頁圖2 所示。

本文采用6061 鋁合金材料作為待測材料，制作了4 塊帶有不同深度表面缺陷的試驗樣品。試驗樣品與尺寸如圖3 所示。缺陷深度如表1 所示。

圖2 激光超聲實驗框圖與平臺

圖3 實驗樣品與尺寸

表1 樣品參數

2.2 實驗方法

本文采用固定激發與接收裝置部分，移動待測工件完成表面掃查的實驗方法。掃查過程如圖4 所示。固定激發點與探測點間距離d 為15 mm，且探測點與缺陷邊沿的距離a 為5 mm，可將掃查區域分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ3 部分。Ⅰ區表示激發點和接收點同時位于表面缺陷左側時；Ⅱ區表示激發點和接收點在表面缺陷的兩側；Ⅲ區表示激發點和接收點在表面缺陷右側。實驗掃查步長為0.05 mm，掃查距離為30 mm。提取區域Ⅱ采集的透射聲波信號幅值，結合式（2）建立表面缺陷不同深度與透射系數之間關系，從而實現金屬材料表面缺陷的檢測與評價。

圖4 實驗原理圖

3 結果分析

3.1 B-Scan 圖分析

基于上述激光超聲檢測平臺，得到4 塊樣品表面的B-Scan 結果如圖5 所示。

圖5 B-Scan 圖

由2.2 知激發點與接收點距離為15 mm，則激光超聲檢測平臺接收表面波達到時間為5.6 us 時，結合圖5 可見，表面波信號幅值的變化與試樣表面缺陷深度有關。進一步對5.6 us 處信號進行分析，將聲信號幅值與掃查距離之間關系表示如圖6 所示。

圖6 掃查范圍內信號幅值分布

圖6 可見，隨著缺陷深度不同，激光超聲檢測系統的信號幅值也會發生變化。以（a）為例，將采集聲信號按照掃查距離分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ3 部分，分別對應圖4 中Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ3 部分掃查區域。圖6（a）Ⅰ區域表示的是缺陷左側處激光超聲表面波直達波；Ⅱ區域表示的是缺陷處的透射聲波信號；Ⅲ區域表示的是缺陷右側激光超聲表面波的直達波。Ⅰ和Ⅲ區域內聲信號能量與激光激發條件有關，在本次實驗中保持不變；而Ⅱ區域內缺陷透射聲信號能量與缺陷深度有關。進一步對透射聲信號進行分析，取4塊試樣缺陷位置中間部分的透射表面波幅值ATR、取缺陷右側直達表面波幅值AR，并將其代入式（2），得到透射表面波與直達表面波的透射系數η，如下頁表2 所示。隨著表面缺陷深度增加，AR基本不變，ATR逐漸減小，透射系數η 也逐漸減小。對表面缺陷深度T 與透射系數η 進行擬合得到擬合曲線，如下頁圖7 所示。

表2 信號幅值

圖7 透射系數η-深度T 曲線

圖7 中曲線是T=0.5 mm、T=0.1 mm 和T=0.08 mm的透射系數關于缺陷深度的擬合曲線。可見表明透射系數η 與缺陷深度T 呈非線性關系，擬合曲線為η=10T3-8.4T2+0.2T+1。使用圖7 所示的深度T-透射系數η 曲線，對缺陷深度T=0.3 mm 的表面缺陷進行估計。由表2 可知缺陷深度為T=0.3 mm時，采集到透射表面波與直達表面波的透射系數η 為47.42%，由圖7 透射系數η-深度T 曲線可計算缺陷深度理論值為0.35 mm，可見估計誤差為16%。由此，本文搭建了激光超聲檢測平臺，采用激光超聲表面波法實現了表面缺陷深度的非接觸檢測與估計。

4 結論

本文基于熱彈機制，結合線源聚焦和干涉接收方式搭建了激光超聲檢測平臺，采用激光超聲激發的表面波實現了表面缺陷的掃查和B-scan 成像，建立缺陷處透射現象與缺陷深度之間的關系，通過透射系數-深度曲線實現了表面缺陷深度估計。實驗結果表明，激光超聲激發的表面波可實現缺陷的非接觸檢測；采用透射系數-深度曲線可實現表面缺陷深度的精確估計。本文研究成果可為激光超聲應用于表面缺陷深度檢測提供理論基礎及實驗依據。