鈦合金薄板Lamb波相控陣超聲檢測工藝研究

摘" 要：Lamb波適于板型結構的缺陷檢測。為探究適合鈦合金薄板缺陷超聲檢測工藝，以某海洋工程結構件用板材為研究對象，通過相控陣技術激發不同角度的lamb波聲束，研究表明以40°聲束入射時，能夠得到最佳化檢測結果，其聲波傳播規律符合常規超聲檢測規律，且缺陷識別距離長；對條形缺陷檢測，以5°步進對探頭進行移動旋轉，當旋轉角度大于15°時缺陷不可識別，同時基于相控陣技術激發多模態混合lamb波檢測能力優于常規超聲。實驗證明，采用40°入射的lamb波混合模態相控陣檢測工藝，去除前置單模態lamb波提取工作，可有效應用于實際工程應用中的薄板小缺陷檢測。

關鍵詞：Lamb波；鈦合金薄板；超聲檢測工藝；相控陣技術；混合模態

中圖分類號：TP212" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0094-05

Abstract： Lamb wave is suitable for defect detection of plate structure. In order to explore the ultrasonic testing technology suitable for defects of titanium alloy thin plate， this paper takes the plate used in an offshore engineering structure as the research object， and uses the phased array technology to excite Lamb beams at different angles. The results show that the optimal testing results can be obtained when the incident beam is 40°， the sound propagation law accords with the conventional ultrasonic testing law， and the defect identification distance is long. For bar defect detection， the probe is rotated in 5° steps， and the defect cannot be identified when the rotation angle is greater than 15°， and the detection ability of multi-modal mixed Lamb wave based on phased array technology is better than that of conventional ultrasound. Experiments show that the 40° incidence Lamb wave mixed modal phased array detection process is used to remove the pre-single-mode Lamb wave extraction work， which can be effectively applied to the detection of thin plate small defects in practical engineering applications.

Keywords： Lamb wave; titanium alloy sheet; ultrasonic testing process; phased array technology; mixed mode

鈦合金因具有良好的耐熱、抗腐蝕、高強綜合性能而廣泛應用于航空航天、船舶、核工業等領域，鈦合金薄板（厚度為0.5～6.0 mm）的應用占比逐漸增大。某海洋工程用結構件采用4 mm厚TC4鈦合金薄板，承受著腐蝕等苛刻的服役環境，同時鈦的工藝性能較差，在薄板加工過程中容易吸收雜質或產生劃痕、氣孔、夾層等缺陷，因此需制定一種有效的檢測工藝保證鈦合金薄板的制件質量。

目前鈦合金薄板缺陷檢測手段通常采用C掃描成像，但對于大尺寸板材的掃查速度較慢，效率較低。Lamb波是新興的板材超聲檢測方法，Lamb波是激勵聲波波長與板材厚度為相同數量級時，由縱波和橫波合成的特殊形式的聲波可以在介質中實現長距離傳播，其在板材中橫波與縱波多次干涉與疊加的振動特殊性使得Lamb波缺陷檢測技術在板材的探傷中效果極好，是研究人員和應用方關注的重點方向[1-4]。

Lamb波在不同入射角度的傳播過程中經過橫縱波疊加形成了多種模態，不同規格板材檢測時需要選擇相應的模態[5-6]，回波信號受到缺陷性質和Lamb波模態的影響，因此首先需要探究檢測對象的相速度、群速度與頻厚積的關系選擇檢測模態。盡管Lamb波檢測方法能夠取得良好效果，但模態選擇與提取較為復雜，制約了實際檢測工作的效率。本文以相控陣檢測技術為研究手段，通過激發不同角度入射波形成多模態Lamb波進行鈦合金薄板缺陷檢測，開發一種適用于實際工程薄板檢測應用的便捷Lamb波檢測工藝。

1" Lamb波檢測原理

對于不同的檢測對象，需要對Lamb波的頻散特性進行分析來選擇合適的模態進行檢測。超聲縱波經斜入射進入工件后，在薄板的邊界不斷反射導致橫波與縱波不斷轉換疊加，重復多次形成覆蓋整個薄板內部的Lamb波，當遇到界面、孔型缺陷等，會產生不同的缺陷回波。檢測原理如圖1所示。

其Rayleigh-Lamb頻散方程如下[7]。

對稱模式

■=-■；

反對稱模式

■=-■，

p2=（？棕/CL）2-k2，

q2=（？棕/CT）2-k2，

k=？棕/Cp ，

式中：ω為角頻率，CL為縱波聲速，CT為橫波聲速，Cp為Lamb波的相速度，k為Lamb波的波數，h為板厚的一半。

研究對象為TC4鈦合金，厚度4 mm，縱波的傳播聲速6 170 m/s，橫波的傳播聲速3 150 m/s，求解其Rayleigh-Lamb頻散方程[8]，得到頻散曲線如圖2所示。

由圖2可知，在任意頻率下，板中的Lamb波至少存在2種模態，隨頻率增加，Lamb波的模態數量也隨之增加，并且各模態傳播速度也會發生變化。為減小Lamb波多模態特性給缺陷檢測帶來的不利影響，通常采用技術手段激發單一模態的Lamb進行檢測，實際工程應用中實施較為困難。本文旨在探索多模態混疊情況下適用于工程應用的檢測狀態。

2" 鈦合金薄板蘭姆波檢測工藝研究

2.1" 缺陷回波與聲束入射角關系研究

Lamb波具有頻散、多模式特性，通過分析群速度頻散曲線，激勵角度不同，其模式和板波振動形態也發生變化，相控陣探頭通過調整激發陣元延時，實現變角度聲束入射，進而激勵出不同模式板波。激發原理如圖3所示。

檢測對象缺陷為Φ2通孔，從任何方向檢測時都可保證接收到的缺陷回波一致，控制聲束入射角度為唯一變量，試驗系統如圖4所示。設備選用ISONIC 2009DUET相控陣超聲檢測儀，探頭規格為2.25 MHz 16×0.5。

以距離板端L=50 mm處的回波信號幅值作為參考值，入射角從10°開始，以5°的步進增加至75°，對通孔缺陷進行掃查檢測。其檢測結果見表1。

其中斜線部分是在此入射角度下，儀器無法接收到缺陷回波信號。統計其變化規律，得到結果如圖5所示。

由圖5可知，在入射角度為40°及55°時，對于4 mm厚鈦板中缺陷的識別距離較大，有利于缺陷的識別檢出。當入射角度為25°、35°、40°時，在相同波高狀態下其增益處于較低水平，保證了良好的信噪比。綜上，可以采用40°左右入射角的探頭（例如K1斜探頭）對鈦合金薄板進行檢測。

入射角度不同，其混合模態也不同，記錄各個角度下缺陷隨入射距離的變化情況，如圖6所示。

Lamb波傳播過程中存在衰減不與距離成比例，或不隨距離單調變化的情況，觀察圖6中波幅隨入射距離的變化趨勢，由于縱波、橫波的相互干涉，多數入射角度不符合常規超聲傳播趨勢，沒有明顯的波峰與波谷形態，或移動過程中存在多個波峰現象，僅在40°、45°、50°入射角度下，波幅隨距離的變化符合聲波傳播規律。綜合其信噪比表現及聲波傳播規律，采用40°探頭對鈦合金薄板進行檢測所獲取的結果較為可靠有效。

2.2" 條形缺陷識別能力研究

當波束軸線垂直于缺陷時，檢測能力達到最高，缺陷回波信號最強；當聲束與缺陷延伸方向平行時，回波信號最弱甚至無回波信號，造成缺陷漏檢。以條形缺陷作為研究對象，研究掃查方向與缺陷的相互作用規律，保證板中各種缺陷的檢出率達到最高。

圖7是條形缺陷對比試塊，矩形區域中人工槽的規格為6 mm×0.35 mm×2 mm，按照圖8掃查方案，依照2.1節研究將聲束入射角調整為40°，從探頭與缺陷互相垂直開始，向單側以5°的步進角度旋轉移動探頭，采用線掃描方式進行檢測。

為研究缺陷與聲束作用規律以及相控陣激發Lamb波特點，增加常規超聲對槽型缺陷進行探頭旋轉檢測作為對比實驗，探頭選用2.25 MHz可變角度斜探頭，總結每個角度下得到的缺陷回波高度，圖9為相控陣檢測參數設置界面。

按照對比試塊的實際尺寸，在調節激發脈沖信號時設置板厚為5 mm，聚焦深度設置為4 mm，結果如表2與圖10所示。

觀察圖10結果，2種檢測方式的變化規律是一致的，隨著入射偏轉，所接收到的回波大幅度下降，當旋轉角度大于20°時，2種檢測方式均接收不到缺陷回波。相較于常規超聲，采用相控陣激發混合Lamb波檢測模式相較于常規超聲，去除了變角度楔塊與探頭之間的耦合過程，減小了聲波傳播過程的衰減，在相同角度下接收到的回波幅度更高。且相控陣技術相較于常規變角度探頭人工調整角度更加精確，可以實現板材的更有效、便捷檢測。

3" 結論

本文采用相控陣技術精準控制聲束入射角度，分析了在不同入射角度下不同模態lamb波對直徑為2 mm的通孔型缺陷的敏感程度，在聲束入射角為40°時能夠得到最佳化檢測結果，同時檢測結果及方式符合超聲檢測規律；增加常規超聲可變角度超聲檢測，通過旋轉移動探頭，改變聲束與缺陷夾角，2種檢測方式比較，缺陷檢出角均為15°，基于相控陣技術激發混合模態Lamb波檢測的聲束衰減小，缺陷回波信號更高。本文研究得出采用40°入射角斜探頭的Lamb波混合模態相控陣檢測工藝，能夠有效實現鈦合金板材的便捷有效檢測。

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