1 引言

表层裂纹一旦出现,裂纹底部的集中应力将会使缺口处的疲劳强度降低并最终导致构件失效^[1]。因此,表面缺陷的无损检测在工业生产中具有很重要的意义。而超声表面波因具有传播距离远、灵敏度高的优点,在表面缺陷的无损检测应用中占有重要地位。传统的超声检测主要通过压电超声探头实现信号的激励和接收,由于耦合因素的影响,压电探头在复杂曲面、高温构件等领域的应用受到一定的限制。激光超声检测采用脉冲激光作为激励源,可以实现非接触激发,能一次性激发纵波、横波、表面波等不同模式的超声波,且各种声波都具有较宽的频带,这使得激光超声在无损检测和材料评价领域的应用越来越广泛^[2-4],并成为目前无损检测技术中的研究热点^[5-6]。

表面波也被称之为瑞利波,具有衰减小、激发效率高和易于检测等优点,可以快速实现对表面缺陷的检测和定位。1978年,Domarkas等^[7]根据激光表面波在缺陷附近的回波声场来判定缺陷的长度和深度,但是并未对透射声场进行说明。美国西北大学的Kromine 等^[8]提出了利用移动激光源扫描(SLS)探测表面微小缺陷的新技术,并且成功在实验中对近场进行探测。Cho等^[9]利用混合边界元法模拟了不同模态和频率的弹性波在经过不同形状的表面缺陷时所产生的散射声波场,为根据声波特征进行缺陷检测提供了丰富的数据储备,但未能通过实验反映出表面波在不同缺陷的表面上的传播特性。激光超声技术的发展使超声波声场传播过程的可视化成为了可能,李立兵等^[10]提出了超声波的激光可视化检测方法,可用于材料和结构件的快速无损检测。日本的Yashiro 等^[11]展示了一种激光超声成像技术,对接收到的信号进行可视化成像处理,利用所得到的传播图像、最大振幅图等多种图像实现了缺陷可视化检测。睢晓乐等^[12]在理想理论模型中引入了包含残余应力的等效弹性常数,研究了残余应力对激光激发超声表面波检测二氧化硅体材料杨氏模量的影响。朱洪玲等^[13]利用二阶微分算子对降噪后的图像进行图像增强,提出阈函数的图像处理方法,改善了激光超声可视化质量,凸显了缺陷信息。

虽然表面缺陷的激光超声检测已有诸多研究,但这些研究大多侧重于有限元数值模拟,关于表面波在裂纹上传播特性的实验论证较少。本文利用激光超声可视化检测(LUVI)系统,研究了表面波不同深度裂纹上的传播特性,观察不同裂纹深度时的反射波声场和透射波声场,探讨了缺陷尺寸与表面波反射系数和透射系数的对应关系,为激光超声定量检测缺陷尺寸奠定了一定的实验基础。

2 实验装置及方法

2.1 实验装置

激光超声设备采用西安金波检测仪器有限责任公司研制的LUVI-LL2系统,实验装置如图1所示。为了得到更大的带宽信号,提高脉冲信号对深度变化的敏感性,激发光源选择Wedge HB系列的短脉冲调Q激光器,激光器波长为1064 nm,单脉冲输出能量为2 mJ,脉冲宽度为2 ns。当脉冲激光由激发源激发并进入电动小镜后,会通过柱面镜聚焦,

图 1. 实验装置

Fig. 1. Experimental equipment

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调节激光源焦距,使其焦点位于样品表面。通过调节电动小镜的偏转角度实现脉冲激光的扫查。超声波接收器采用Quartet-FH系列激光超声干涉仪,其参数为:波长532 nm,检测频率1 ~20 MHz,光斑直径100 ~500 μm,焦点距离100 mm,激光能量1 W。实验时,调节光纤头和样品表面的相对距离,使样品上光斑直径最小,并调节激光束垂直于样品表面。激光超声检测设备通过激励和接收超声波信号,根据声波互易性原理,实现超声波点源激励并可得表面波随时间传播的动态图像。

2.2 实验试样及方法

实验试样选用型号为6061的铝合金块,试样规格为100 mm×50 mm×15 mm,在试样长度为60 mm处,线切割预制宽度为0.2 mm的裂纹,深度(D)经超景深三维显微镜测量分别为485,930,1482,1865,2517,3125,4905,7094 μm。

实验时,调整激光接收点与缺陷的相对距离为10 mm,设定激光扫描区域为40 mm×40 mm,扫描间隔为0.15 mm,并保证扫描范围覆盖预制人工裂纹和激光接收点,激光点源扫描缺陷样品三维检测过程如图2(a)所示。固定激发点和接收点(点M和点N)的相对距离,获得典型A扫信号,A扫描二维检测如图2(b)所示,其中M、N距缺陷边缘的距离均为5 mm,激光接收点位于N点右边5 mm处。

3 实验结果与讨论

3.1 可视化图像

通过如图2(a)所示的扫查方式,利用激光超声设备可得到表面波在不同缺陷深度试样上随时间传播的动态图像,这里选取缺陷深度为:485,1482,1865,3125 μm,第6.08 μs超声波在不同深度裂纹的可视化动态图像如图3所示。

图 2. 检测过程示意图。(a)激光点源扫描缺陷样品三维检测过程;(b) A扫描二维检测

Fig. 2. Schematic of detection process. (a) Three-dimensional detection process of defect samples by laser point source scanning; (b) two-dimensional detection by A-scan

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图 3. 第6.08 μs超声波在不同深度裂纹的可视化动态图像。(a) 485 μm;(b) 1482 μm;(c) 1865 μm;(d) 3125 μm

Fig. 3. Visualized dynamic images of ultrasonic wave at 6.08 μs in cracks with different depths. (a) 485 μm; (b) 1482 μm; (c) 1865 μm; (d) 3125 μm

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图3(a)中,能量最强的波动(acoustic)是激光照射在试样上产生的空气振动,在空气中传播后被激光干涉仪接收。由于波动在空气中传播,因此其传播速度较慢。R表示脉冲激光在样品表面激励出的表面波;RR表示由于表面波遇到缺陷后,经缺陷反射后形成的反射波;TR表示表面波经缺陷后的透射波。伴随表面波的产生常会出现一些掠面纵波、表面横波^[14],但是其幅度都比较小,因此在超声波动态传播图中很难被观察到。比较图3(a) (485 μm深缺陷)和图3(b) (1482 μm深缺陷)可知,当表面波传播至缺陷时,随着缺陷深度的增加,反射表面波的能量越来越强,而透射表面波的能量越来越弱。比较图3(c) (1865 μm深缺陷)和图3(d) (3125 μm深缺陷)可知,当缺陷深度达到一定程度时,表面波反射和透射的能量不再随深度而变化,透射波几乎不可见。这是由于当缺陷深度大于表面波的传播深度时,表面波能量几乎全部被反射而无透射波。

3.2 典型A扫信号分析

提取485 μm深裂纹产生的位移-时间响应曲线,得到信号分析结果如图4所示。图4(a)为距离激发点5 mm处,也即M点(靠近激发源)接收到的反射波信号波形。从图中可以看出,激光源激发的声表面波包括掠面纵波(sP)、表面横波(sS)及表面波(R)3种模式,这一结果与文献[ 14]所报道的仿真结果一致;声表面波经过缺陷反射后会在M点再次收到超声波,该信号在时间上滞后表面波R信号3.45 μs,行程为10 mm,计算出该超声波速度为2898.5 m·s^-1,大致等于表面波速度,从而可证明该超声波为反射表面波。对表面波进行傅里叶变换得到其频谱图,如图4(b)所示。由图4(b)可知,脉冲激光激励出的表面波为一个宽频信号,中心频率为3 MHz。根据-6 dB原理,信号的带宽为1~7.1 MHz,则表面波波长所对应的范围为2.9~0.41 mm,表明表面波的传播深度约为一个波长,即2.9~0.41 mm。N点的透射波信号如图4(c)所示,该图给出了距离激发源15 mm处(远离激发源)提取到的经过缺陷后的波形,从图中可看出,表面波经过485 μm深的裂纹后,透射波TR信号幅值大幅度降低。

图 4. 信号分析结果。(a) M点处接收到的反射波信号;(b)对应图4(a)的频谱图;(c) N点的透射波信号

Fig. 4. Results of signal analysis. (a) Reflected wave signal received at point M; (b) spectrogram corresponding to (a); (c) transmitted wave signal at point N

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反射系数和透射系数可定义为:反射波或透射波的峰峰值除以入射波的峰峰值^[15]。因此,通过M点的A扫数据可得到表面波的反射系数;通过N点的A扫数据可得到表面波的透射系数。表面波的反射系数、透射系数随表面缺陷深度之间的关系如图5所示。

图 5. 表面波参数与缺陷深度之间的关系。(a)反射系数;(b)透射系数

Fig. 5. Relationship between surface wave coefficients and defect depth. (a) Reflection coefficient; (b) transmission coefficient

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由图5(a)可见,当缺陷深度为0.5~2 mm时,表面波的反射系数随着表面缺陷深度的增大而单调递增,而当缺陷深度大于2 mm时,随缺陷深度的增加,反射系数无固定的变化趋势。由图5(b)可见,当缺陷深度为0.5~2 mm时,表面波的透射系数会随着表面缺陷深度的增大而递减,而当缺陷的深度大于2 mm时,透射系数会维持在一个极低的水平而不发生明显的变化,此时缺陷的深度已经超过中心频率表面波的传播深度,因此缺陷深度的进一步增大将不会对表面波的传播造成显著的影响。对于一定深度的裂纹,可以通过比较反射和透射系数与缺陷深度之间的关系达到在线监测的目的。

3.3 典型B扫信号分析

为了更清楚地看出表面波传播至裂纹的反射和透射特性,在X=10 mm处[图3(b)的虚线]取Y方向上的B扫描图像。不同裂纹深度的Y方向的B扫描图像如图6所示。

由图6可知,点激励的表面波在X=10 mm处的Y方向上接收到的波前呈双曲线分布,并在Y=19 mm处的缺陷发生反射和透射,反射波和透射波呈对称分布。由于传播过程的能量损失,反射波和透射波能量相对于入射波能量较小,清晰度相对较低。从图6(a)、(b)可知,当缺陷深度小于1482 μm时,随着缺陷深度增大,反射波能量越来越强,透射波能量越来越弱。从图6(c)、(d)可知,当缺陷深度大于1865 μm时,随着缺陷深度增大,反射波和透射波能量没有明显的变化,这是由于缺陷深度已经超过了中心频率表面波的传播深度,大部分能量都被反射,透射波基本不存在,与可视化动态图像的结果相同。

图 6. 在X=10 mm处,不同裂纹深度的Y方向的B扫描图像。(a) 485 μm;(b) 1482 μm;(c) 1865 μm;(d) 3125 μm

Fig. 6. B-scanning images of cracks with different depths in Y direction and at X=10 mm. (a) 485 μm; (b) 1482 μm; (c) 1865 μm; (d) 3125 μm

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4 结论

通过激光超声可视化技术研究了表面波在裂纹上的反射和透射特性,实验结果表明,激光超声可视化技术可动态显示表面波在裂纹上的传播过程,裂纹上的反射波和透射波关于裂纹呈对称分布;在一定的缺陷深度范围内,反射系数和透射系数与缺陷深度呈近似的线性关系;当缺陷深度大于表面波的传播深度时,反射系数和透射系数将不再变化。最后,根据建立的缺陷深度与反射和透射系数的关系,采用激光超声可视化设备实现了裂纹深度的无损测量。