表面裂紋的激光超聲深度測量

吳 瑞，李海洋，王召巴，潘強華2，魏壯壯

(1.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

金屬在加工過程和服役環境中，由于受到外界載荷的作用，極易產生裂紋。若未被及時檢測發現，裂紋會繼續生長，使工件的力學性能受損，進而引發重大事故[1]。其中，金屬表面裂紋是常見的裂紋形式。因此，針對金屬表面裂紋的檢測是無損檢測技術研究的重要內容。

激光超聲技術克服了傳統檢測技術檢測過程中依賴耦合劑的缺點[2]，能夠實現完全非接觸檢測，同時具有適用于高溫、高壓、高輻射等惡劣環境的優點[3]。NI等[4]利用掃描激光源法和有限元法，分析了鋁材料表面微小裂紋的機理和激光超聲表面波的傳播特性。嚴剛等[5]利用基于光偏轉法檢測表面缺陷的激光超聲系統，研究了表面波經過不同深度缺陷時的反射和透射特征。曾偉等[6]利用有限元方法研究了激光超聲對近表面缺陷的影響，得出震蕩信號中心頻率與缺陷深度呈線性關系的結論。GUAN等[7]利用有限元法模擬了表面波與不同深度裂紋的作用過程。目前的研究主要還是利用仿真從理論上研究超聲波與缺陷的相互作用過程[8]，而關于金屬材料表面缺陷深度檢測的研究很少，還存在很多值得進一步分析的地方。

筆者通過搭建激光超聲檢測試驗平臺，實現對金屬表面微裂紋的檢測，通過分析表面波與缺陷的作用過程，得到不同深度微裂紋反射回波的震蕩時間，利用震蕩時間與深度擬合的關系式，實現對金屬表面微裂紋深度的定量檢測。

1 檢測裝置

激光超聲檢測系統由激光器模塊、信號接收模塊、掃描系統模塊以及軟件處理模塊等組成，檢測裝置框圖如圖1所示。激光器模塊主要由一臺高能脈沖Nd…YAG固體激光器CFR200及其相應的光路系統組成[9]，可以產生波長為1 064 nm的脈沖激光，重復頻率為20 MHz；信號接收模塊采用基于邁克爾遜干涉原理的QUARTET-500 mV激光超聲接收儀，在被測材料表面形成的超聲波傳輸到激光超聲接收儀中，通過光纖傳輸到NATIONAL INSTRUMENTS信號采集卡中；PC端中的LU Scan軟件可以控制采樣頻率、時間步長、掃描方向等參數，實現數據的采集和處理；掃描系統模塊中掃查架的掃描面積為250 mm×250 mm，掃描分辨率為6 mm，可以實現被測材料的精準定位以及二維掃查。按照激光超聲檢測試驗裝置搭建如圖2所示的試驗平臺。

圖1 激光超聲檢測裝置框圖

圖2 激光超聲檢測平臺外觀

2 檢測原理及方法

2.1 檢測原理

按照激光激發功率和被測材料熔點的不同，可以將激光超聲的產生機制分為兩類：熱彈機制和燒蝕機制。當激光激發功率小于材料損傷閾值107W·cm-2時，被測材料吸收激光能量，局部產生熱膨脹，在材料中產生縱波、剪切波、表面波和各種模式的轉換波，不會對被測材料表面產生任何相變，這種激光超聲檢測機制稱為熱彈機制[10]；當激光激發功率大于材料損傷閾值時，材料表面會發生融化、汽化等現象，使被測材料表面產生一定的損傷，這種機制稱為燒蝕機制，主要用于某些需要激發縱波的場合[11]。

由于試驗采用的裂紋尺寸可達到微米量級，若入射的激光對被測材料產生損傷，則誤差增大，而熱彈機制不會對被測材料產生損傷，并且激發出來的表面波效果較好，因此采用熱彈機制進行激發。

2.2 檢測樣品

針對含不同深度缺陷的6061鋁合金樣品進行檢測，材料參數見表1，表面缺陷的深度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 mm，樣品外觀如圖3所示。樣品的尺寸示意如圖4所示。

表1 6061鋁合金樣品的參數

圖3 檢測樣品外觀

圖4 檢測樣品尺寸示意

2.3 檢測方法

針對不同深度缺陷的鋁合金樣品，采用超聲反射法進行檢測。搭建激光超聲檢測平臺，將樣品固定在掃查架上，設置激光源在距離缺陷左邊緣(16±0.5)mm處，接收源在距離缺陷左邊緣(5±0.5)mm處。

在熱彈機制下，激發激光在材料表面產生表面波的過程如圖5所示，固定激發點和接收點的位置，表面波沿著試件表面向兩側傳播。一部分直接傳輸到接收點，形成直達表面波R；另一部分到達接收點之后繼續沿著表面傳播到缺陷的左側，經過缺陷左邊緣的反射，形成缺陷反射回波RR；一部分沿著缺陷底部傳播到缺陷的另一側，形成缺陷的透射波TR；另外還有部分波在缺陷底部發生模式轉換，形成缺陷的模式轉換波RS、RL(圖中未畫出)。

圖5 樣品的激光超聲檢測原理示意

3 檢測結果與討論

主要研究缺陷反射回波的特征，設置相同的激光發射能量，得到不同深度缺陷的時域信號波形，如圖6所示。由于激發點、接收點與缺陷的位置固定，從圖6中可以得出,當t=5.4 ms時，接收到直達表面波R，當t=8.6 ms時，接收到的信號為缺陷反射回波RR。由于缺陷反射回波的到達時間只與傳播距離有關，所以不同深度缺陷接收到的直達表面波R和反射回波RR時間相同。

圖6 不同深度缺陷的時域信號波形

激光輻照到樣品表面，會在樣品中產生雙極性的表面波，通過觀察直達表面波的各個峰值到達的時間，求出各個峰值之間的時間差T2-T1、T3-T1及T3-T2，如表2所示，發現不同深度缺陷樣品的表面波的震蕩時間相同，由于直達表面波是直接從激發點傳輸到接收點的，不包含缺陷信息，因此直達表面波R的震蕩時間不隨缺陷深度的變化而變化。

表2 激光檢測樣品時直達波的震蕩時間

表3給出了檢測時，缺陷反射回波RR各個峰值的到達時間以及時間差，由于缺陷反射回波經過缺陷左邊緣反射，攜帶了缺陷的信息，所以不同深度缺陷的各峰值時間差是不同的，可以以此作為定量檢測金屬表面微裂紋深度的依據。由于聲表面波中的低頻成分容易通過表面缺陷繼續傳播，而表面缺陷的深度越大，上下表面的距離越大，表面波中的低頻成分在缺陷的上表面反復反射，從而使震蕩時間增加。因此，通過反射波的震蕩時間差與缺陷深度的擬合關系式，可以定量檢測金屬表面微裂紋的深度。

表3 激光檢測樣品時反射波的震蕩時間

將不同缺陷深度的反射波的各峰值時間差與缺陷深度進行擬合(見圖7)，發現隨著缺陷深度的增加，各峰值之間的時間差不斷增加，其中圖7(a)和7(d)中的T4-T3、T3-T2與缺陷深度的擬合程度最好，呈一次線性關系，擬合方程分別為y1=0.948 6x+0.261 3，y2=0.2x+0.1。

為驗證該結論，對含不同深度缺陷的Q235鋼試件進行相同方法的檢測，擬合結果如圖8所示，可見，隨著缺陷深度的增大，反射波的震蕩時間差與深度呈線性關系，與含不同深度缺陷的6061鋁合金的試驗結論相同。

圖8 Q235鋼試件震蕩時間差與深度擬合結果

4 結論

通過搭建激光超聲檢測平臺，研究了6061鋁合金中不同深度微裂紋的檢測，發現相同激光能量下，不同深度缺陷的直達表面波的震蕩時間差相同，而缺陷反射回波的震蕩時間差與缺陷深度線性相關，且含不同深度微裂紋的Q235鋼的試驗有相同的規律，驗證了該方法的有效性。因此，可以通過震蕩時間差與缺陷深度的擬合關系來實現不同深度微裂紋的定量檢測。