鋁板表面缺陷的激光超聲可視化檢測

羅朝莉,朱 冰,徐志偉,王 波

(西安石油大學 電子工程學院,西安 710065)

金屬表面缺陷的無損檢測方法主要有超聲檢測、磁粉檢測及滲透檢測等[1]。這些方法檢測時需要接觸被測體表面或進行特殊檢測工序,且對表面微小缺陷分辨率較低,檢測效率不高,在特殊環境下已無法滿足檢測需求。隨著技術的發展與無損檢測要求的不斷提高,迫切需要研究發展非接觸式檢測技術。

激光超聲檢測可實現非接觸、遠距離、高時空分辨率檢測,是近年來國內外相關表面缺陷檢測研究的熱點,并取得了一定進展[2-8]。為滿足快速、高時空分辨率的檢測需求,TAKATSUBO 等[9]提出一種基于超聲傳播的可逆性原理和可視化圖像處理技術,用脈沖激光掃描產生超聲信號,通過對接收到的信號進行處理實現超聲波三維波場傳播過程可視化,進而對被測體內部損傷情況進行評價。

與傳統的超聲檢測技術相比,激光超聲可視化檢測技術具有非接觸掃描,檢測過程無需使用耦合劑;無檢測盲區,頻帶較寬,分辨率高;可實現遠距離操作,用于高溫及腐蝕性強等惡劣條件下的檢測;適用于復雜形狀、大面積板材的檢測;快速掃描、可重復性高;能將超聲波在被測物體中的傳播過程可視化;可實時顯示檢測結果,缺陷精確定位等優點。

目前關于表面缺陷激光超聲檢測的研究主要集中于理論分析、模型仿真、一維和二維信號處理等方面,對三維信號重構研究較少[10-16]。文章采用高坪等[17-18]開發的一種激光超聲可視化檢測系統,利用脈沖激光器產生超聲信號,壓電探頭接收超聲信號;采用脈沖激光逐點掃描檢測范圍內的采樣點并得到單點超聲時域波形,再提取峰峰值以重構掃描區域內的二維超聲波場圖像及三維超聲波場圖像,由此快速識別表面裂紋缺陷的位置和大小,對接收到的信號按時間-強度方向重新排列以實時觀察超聲波場時空變化。結果表明,激光超聲可視化檢測技術可快速檢出鋁板表面的裂紋缺陷,并且能夠三維顯示表面裂紋的位置及大小信息。

1 激光超聲激發機理

激光超聲產生機理主要有熱彈效應和燒蝕效應。熱彈效應是指當入射激光的功率密度較低時,激光照射在物體表面,激光能量激發電子遷移引起晶格振動使得物體表面溫度上升且瞬間熱膨脹,從而產生超聲波,熱彈效應原理如圖1所示,熱彈效應所產生的超聲波對物體表面無損傷,可產生多種波形,應用最廣。當入射激光的功率較高時,物體表面局部熔化、汽化,材料表面有小部分物質噴發出來,產生垂直于表面的反作用力,此時仍產生超聲波,但主要是燒蝕效應產生的超聲波,燒蝕效應原理如圖2所示,燒蝕效應會對表面產生一定的微損傷,但可獲得更高強度的超聲信號。文中介紹的激光超聲主要是基于熱彈效應產生。

圖1 熱彈效應原理示意

圖2 燒蝕效應原理示意

2 激光超聲可視化檢測系統

激光超聲可視化檢測基本原理如圖3所示,檢測系統由脈沖激光發射掃描單元、數據采集單元和系統控制單元、信號接收單元等組成。檢測儀器主要包括脈沖激光器、電動小鏡、數據采集卡、濾波器、放大器及數據處理器等部件。脈沖激光掃描順序如圖4所示,激光掃描點從左下角位置①出發自下向上以設定掃描點數逐點掃描至位置②,然后移至第二列最后一點位置③,再自下向上逐點掃描,如此反復掃描直至完成設定范圍內最后一掃描點;圖中N x為x軸激光掃描點數;N y為y軸激光掃描點數;(l x,l y)為掃描點坐標。

圖3 激光超聲可視化檢測基本原理

圖4 脈沖激光掃描順序

采用波長為1 064 n m 的空冷調Q 固態二極管泵浦脈沖激光器,通過激光腔內鎖模、激光器陣的定時激發、電光調Q 技術,利用光纖相陣法控制產生脈寬為7 ns的激光束。激光能量為2 mJ,光斑直徑不大于1 mm。同步控制激光反射鏡使其按上述設定順序從上到下、從左至右偏轉±25°進行掃描。脈沖激光照射在被測體表面,試件表面會吸收光能、瞬間熱膨脹產生微小變形。壓電傳感器在鋁板表面接收超聲信號,信號經濾波、降噪及放大后通過高速A/D(模/數)采集卡轉換存入計算機。檢測結束后所記錄超聲波信號被重新整合處理后以最大振幅圖像、時域圖像、頻域圖像及三維波場傳播圖像等形式顯示。從上述圖像中可實時觀察到物體構造及其物理性能的變化對超聲信號的影響,也可動態地顯示超聲波在物體中的實際傳播過程,從而直觀地檢測出物體內部的損傷。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗設置

檢測樣件結構如圖5所示,在規格為300 mm×100 mm×3 mm(長×寬×厚)的鋁板表面制作一個尺寸(長×寬)為8 mm×0.2 mm(C1)的人工裂縫。用上述激光超聲波可視化系統對該鋁板進行檢測,檢測現場如圖6所示。

圖5 檢測樣件結構示意

設定可視化檢測范圍為58 mm×58 mm(長×寬),超聲探頭頻率為2 MHz,掃描間隔dx=dy=0.198 mm,掃描間隔設定在超聲波波長的1/2以下,可視化范圍內激光掃描總點數N為41 820。脈沖激光能量設置為60%(0.75 mJ),以確保鋁板樣件表面不被燒蝕。A/D采樣頻率為20 MHz,波形采樣點數為500,故每個波形采樣時間為25μs。信號波形峰-峰電壓值為10 V,掃描頻率為1 000 Hz,檢測時間為42 s。按上述檢測條件及掃描模式進行檢測,采集數據且同時自動存于計算機中。通過系統解析軟件將檢測結果以最大振幅圖像、超聲波動態傳播圖像顯示。

3.2 檢測結果及分析

為了檢測表面裂紋缺陷,使用激光束掃描目標區域,通過壓電傳感器接收超聲信號,同時監測表面裂紋缺陷引起的平面內入射超聲反射或傳輸振幅變化情況。激光產生的超聲波包含了很大一部分表面波信號,激光束與表面異常的相互作用可通過超聲信號振幅增加和超聲頻率的變化來表示,激光超聲時域及空域信號如圖7所示。傳感器接收到的單點超聲響應信號如圖7(a)所示,對采集到的響應信號的每個點取最大值得出圖7(b)所示的最大振幅圖像,然后將響應信號放置在三維數據中與目標區域對應的位置。利用顏色表示信號在某個位置處能量的大小,紅色區域表示超聲信號幅值較大,能量較強;藍色區域代表超聲信號幅值較小,能量較弱。圖7以超聲信號遇到缺陷時相互作用產生的能量強弱變化來表示被測體內部的損傷情況。從圖7中可以看到尺寸為8 mm×0.2 mm 的裂縫缺陷處能量幅值較高,缺陷周圍及其他位置能量幅值較低,缺陷邊緣有明顯的衍射和反射現象。圖7(c)為目標區域內三維數據重構的最大振幅圖像,x,y分別表示目標區域范圍,z為掃描點最大振幅,可以清楚顯示出激光束撞擊裂紋附近產生的超聲信號振幅變化軌跡。7(d)為通過信號差分處理后重構的三維最大振幅圖像,清楚顯示了缺陷的位置及大小。

圖7 激光超聲時域及空域信號

將檢測區域內采集到的每個激勵點的超聲信號數據整合成空間時域的三維超聲波場數據,三維聲場傳播圖像如圖8所示。超聲波場中任意時刻的截面圖用強度表示,不同時刻以同一方式排列組合實時成像,沿時間軸截取相應時域數據截面圖即可得到超聲隨時間變化的三維動態傳播圖,該原始動態傳播圖像包含超聲前進波和反射波。

圖8 三維聲場傳播圖像

圖8(a)中t=3.5μs時最先出現的波為傳播速度較快的縱波波包,經過3μs后縱波強度降低、表面波隨即出現且強度及寬度較大,如圖8(b)所示。由圖8(c)可見t=10.5μs三維超聲波場遇到缺陷后前進波場及部分缺陷波場相互疊加,因此強度大幅增加。如圖8(d)所示,t=11.5μs時缺陷處波場強度急劇降低且波包較多,可以看出超聲波場遇到缺陷后發生了模態轉換,但主要傳播包絡仍以表面波包為主。圖8(e)顯示了t=15μs時,前進波遇到邊界發生反射產生邊界反射回波,前進波場強度降低的情況。在此時刻產生與前進波場方向相反的反射波波場,反射波場返回到物體表面作為缺陷反射回波被觀察到,圖8(e)紅色箭頭所指位置即為缺陷回波。由圖8(f)可見t=19μs時邊界反射回波減弱,前進波場強度增加但傳播較為散亂。

反射波場與前進波場傳播方向相反且幅值較小,在很多情況下易被前進波場或噪聲覆蓋,難以從波場中提取有效損傷信息。為了提高檢測靈敏度及信噪比,在檢測時可對同一點多次掃描并進行信號平均。亦可在檢測完成后利用頻率濾波法、相鄰點同步差分法等可視化圖像處理方法將反射波從超聲波場中分離出來,消除有干擾的前進波場而突顯出缺陷回波,使缺陷更易于識別,提高可視化檢測的準確性。

4 結論

介紹了一種基于脈沖激光發射信號、壓電傳感器接收信號的激光超聲可視化檢測系統,該系統以各掃描點最大振幅重構三維最大振幅圖以及動態三維超聲波場圖像,來實現缺陷檢測。對鋁板中裂紋進行可視化檢測并對缺陷信號進行表征和識別,證明了該檢測技術的有效性。所提出的激光超聲可視化檢測掃描系統和三維成像方法具有以下優點。

(1) 采用脈沖激光發射、壓電傳感器接收信號,通過激光反射鏡控制激光束快速掃描檢測物體表面設定范圍能夠實現高時空分辨率檢測,可對鋁板表面長度為8 mm 的缺陷進行檢測并精確成像。

(2) 對缺陷進行二維最大振幅成像和三維超聲最大振幅成像,能夠清晰觀測到缺陷對于超聲波場的反射及衍射情況,易于分辨判別鋁板表面缺陷位置及大小。

(3) 根據時間軸截取相應時域數據截面圖得到的三維動態聲場傳播圖像,能夠實時觀測到三維超聲傳播中的前進波場、反射波場及缺陷回波。