1 引言

人类文明的发展和社会的进步与金属材料的使用密切相关。火车钢轨、航空航天、汽车制造等领域对生产加工的机械零件的厚度精准度有较高要求,同时随着长时间的反复循环使用,零件上也会产生细小裂痕甚至断裂,造成一定的经济损失甚至危害人身安全,因此需要对金属材料加工及使用过程中的厚度及裂痕损伤进行实时检测^[1-2]。激光超声技术是利用脉冲激光在样品中激励出较好方向性的超声波,再通过样品内部激光超声的检测实现对样品材料的无损检测及特性评价^[3-4]。相比于空气耦合超声、电磁超声,激光超声技术可以实现超声波的非接触产生和非接触接收,以及快速、实时、高精度探测分析^[5-6]。

传统激光超声技术采用激光干涉仪接收激光超声波信号,可实现金属样品的厚度测量及裂痕缺陷检测^[7-8]。但激光干涉仪内部结构复杂,对检测环境稳定性要求较高,一定程度上限制了激光超声技术的应用^[9]。采用电磁超声换能器(EMAT)的超声信号接收部分接收脉冲激光激励样品产生的超声波,可降低激光超声技术光路的复杂性,降低检测费用^[10-11]。目前,电磁超声技术已被较为广泛地应用于多种金属材料的质量检测中^[12-14]。Finkel等^[15]利用激光超声技术对薄金属板进行了裂痕缺陷检测,验证了电磁超声对金属薄板缺陷的检测能力。Ribichini等^[16]利用多种电磁超声换能器分析了超声波在钢材中的传输方式,建立了不同换能器的有限元传输模型,并利用仿真结果验证了模型的准确性。杨理践等^[17]研究了电磁超声在铝板裂痕缺陷检测中的应用,为超声波接收的优化提供了理论依据。

本文采用脉冲激光激励铝板样品产生激光超声波,再采用激光干涉仪和EMAT两种信号接收方式搭建铝板样品激光超声接收系统,优化激光超声接收参数,对比分析激光干涉仪和EMAT两种信号接收方式下的铝板厚度及表面损伤的检测精度,探索在复杂环境下基于激光超声的样品厚度及损伤等性能在线检测的最佳方法。

2 实验系统

高功率的脉冲激光垂直入射至样品表面,部分脉冲激光能量被样品材料表面吸收并转化为其内部热能,样品表面的温度迅速升高,受到热膨胀的影响样品中会产生对应的应变场和应力场,进而激发产生超声波,通过分析超声波波速与传播时间来反演超声波传播距离,反演测量样品厚度及表面损伤位置。本文实验采用的激光超声激励源为1064 nm脉冲激光,能量为80 mJ,脉冲宽度为15 ns,聚焦透镜焦距为100 mm,聚焦光斑直径约为1 mm。当脉冲激光入射至待测样品表面时,样品中将产生激光超声表面波及纵波信号,实验对比分析激光干涉仪和EMAT两种激光超声信号接收方式下,激光超声对铝板厚度及表面损伤的检测精度。

图1为两种不同超声信号接收方式下,铝板表面损伤超声波信号探测装置示意图。图中:为了减小激光脉冲对待测铝板样品的损伤,铝板样品放置于步进电机平台上,由数字延迟脉冲发生器(DG535)控制步进电机与激光脉冲的运动;EMAT是由电磁铁、高频线圈组成的集成信号接收器,当待测样品表面质点因超声波传输而产生振动时,EMAT产生感应电压,进而将接收信号转化成对应的激光超声信号;激光干涉仪内部的连续光纤激光器产生的激光波长为1550 nm,经由分束镜平分为探测光和参考光,分别入射至样品表面和光折变晶体内部。探测光经由样品表面反射后成为物光,在光折变晶体内部与参考光发生相干叠加,形成折射率光栅。当折射率光栅接收到超声波信号时,物光相位发生变化从而与参考光发生干涉,干涉信号经激光超声检测探头探测后传输至示波器。

3 结果与讨论

3.1 激光干涉仪接收激光超声信号

为了提高激光超声信号的稳定性和信噪比,本文实验测量的激光超声信号数据为64次激光脉冲信号的平均数据。图2所示为激光干涉仪接收的铝板样品激光超声测厚信号。由图2可以看出,0~4 μs内的信号是激发脉冲电磁信号,4 μs之后的第一个峰值信号是激光干涉仪接收的样品表面波传输信号,第二个峰值信号则是激光干涉仪接收的样品纵波反射信号。

激光干涉仪物光聚焦点的位置会影响表面波信号的幅值大小,图3为表面波幅值大小随着物光聚焦点位置(LTSD)的变化,其中,聚焦透镜平面位置被设置为0。由图3可以看出,当聚焦透镜距离样品88 mm时,表面波信号幅值最大,因此在实验探测样品厚度和损伤位置时聚焦透镜距离样品的位置被固定为88 mm。

实验采用激光干涉仪探测了厚度分别为16,20,23,25,30 mm的5种铝板样品的激光超声信号。测量得表面波在铝板中的传播速度v₁相对固定为3000 m/s,纵波在铝板中的传播速度v₂为6460 m/s。通过第一个表面波峰值信号的探测时间t₁可以计算出激光干涉仪与脉冲激光的间隔l₀,纵波信号在底部界面反射后被接收为第二个峰值信号,对应时间t₂,铝板厚度d的计算式为

d=12×(v2×t2)2-(v1×t1)2。(1)

图 1. 两种不同激光超声信号接收方式的实验装置示意图

Fig. 1. Schematic of experimental setup with two different laser ultrasonic receiving methods

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图 2. 激光干涉仪接收到的典型铝板测厚激光超声信号

Fig. 2. Typical laser ultrasonic signal of aluminum plate thickness measurement by laser interferometer

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图 3. 表面波幅值与物光聚焦点位置的关系曲线

Fig. 3. Relation curve between surface wave amplitude and LTSD

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表1为5种铝板样品的厚度测量结果及相对误差。由表1可知,利用激光干涉仪接收激光超声信号可实现铝板厚度的准确测量,测量相对误差随着铝板厚度的增加而逐渐减小,即铝板越厚,厚度测量的精度越高。

为了研究激光超声在样品损伤探测中的应用,实验探测了具有3个人工缺陷铝板样品的激光超声信号,其中铝板样品为100 mm×100 mm×36 mm的立方体,人工缺陷均位于铝板样品表面,分别距离左边缘22 mm、50 mm和88 mm,三个人工缺陷分别是16 mm×16 mm×6 mm、12 mm×12 mm×4 mm及6 mm×6 mm×2 mm的立方空心槽,缺陷实际位置如图4所示。

图 4. 人工缺陷铝板样品示意图

Fig. 4. Schematic of artificial defective aluminum plate sample

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为了更直观探测人工缺陷的激光超声信号,采用激光干涉仪背面探测铝板激光超声纵波信号。图5为在16 mm×16 mm×6 mm人工缺陷背面探测到的激光超声纵波信号,由图5可知,激光超声纵波信号将在铝板样品中来回反射直至强度衰减为0。由于相邻激光超声纵波信号的传播路程相同,因此相邻激光超声纵波信号的时间差相同,但纵波信号在铝板样品中的衰减率较高,一般只能探测到1个激光超声纵波信号。人工缺陷预测值d_r满足的关系式为

dr=d-vt,(2)

式中:d表示待测样品厚度;v表示激光超声纵波传播速度;t表示纵波信号探测时间。根据所测得的激光超声纵波信号,采用(2)式计算得到人工缺陷深度,结果如表2所示。由表2可知,随着人工缺陷深度的逐渐增加,计算深度的相对误差迅速降低,这可能与纵波的传输衰减及铝板的不均匀性有关。

图 5. 16 mm×16 mm×6 mm人工缺陷的激光超声纵波信号

Fig. 5. Laser ultrasonic longitudinal wave signal of 16 mm×16 mm×6 mm artificial defect

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3.2 EMAT接收激光超声信号

由于激光干涉仪对光路稳定性以及检测环境的稳定性要求较高,因此在实际工业生产环境应用中具有局限性。EMAT由高频线圈、永磁铁等较为稳固的器件组成,高频线圈被置于永磁体磁场中,区别于EMAT自发自收的小范围区域信号检测方式,本文利用脉冲激光作为激发源,待测样品表面质点在有超声信号传送时发生振动,高频线圈感应出与超声波信号对应的电压,通过探测激光超声纵波信号检测待测样品的厚度,通过探测激光超声表面波信号检测待测样品的缺陷。

对于25 mm厚的铝板样品,由EMAT接收的典型测厚激光超声纵波信号及纵波信号幅值随着EMAT与样品提离距离(EMAT探测模块与样品之间的距离)变化的趋势图如图6所示。由图6(a)可以看出,EMAT可以较明显地测量出多个激光超声纵波信号,纵波信号在铝板样品中的传播时间越长,测量误差越小,因此可以利用多个测量信号相互检验和验证待测铝板厚度。由图6(b)可知,随着提离距离的增加,纵波信号振幅最大值逐渐减小并呈现负值,且幅值(纵波信号最大值与最小值之差)的变化呈指数减小,因此在保证信号检测的可行性的同时,需使EMAT与待测样品间的提离距离最小,因此确定最佳提离距离为1.5 mm。

图 6. EMAT探测方式的结果。(a)典型铝板测厚激光超声信号;(b)纵波幅值与提离距离的关系曲线

Fig. 6. Results of EMAT detection method. (a) Typical laser ultrasonic signal of aluminum plate thickness measurement; (b) longitudinal wave amplitude versus stand-off distance

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采用EMAT接收激光超声纵波信号测量待测样品厚度时,待测铝板样品厚度的计算式为

d=12(vt)2-Ds2,(3)

式中:d表示待测铝板的厚度;v表示激光超声纵波在铝板中的传播速度;D_s表示EMAT与激发脉冲激光的距离;t表示纵波信号探测时间。

激光超声在待测样品中的传播距离随着D_s的增加而增加,传播距离的远近影响样品厚度测量的精度。为了提高样品厚度测量的精度,图7给出了25 mm铝板样品厚度测量精度的相对标准偏差(RSD)随EMAT与激发脉冲激光距离的变化。由图7可知,随着EMAT与激发脉冲激光距离的增加,铝板厚度测量的精度逐渐减小并趋于稳定,因此确定最佳的探测距离为100 mm。

图 7. 铝板厚度测量精度与EMAT探测距离的关系曲线

Fig. 7. Measurement accuracy for aluminum plate thickness versus EMAT measurement distance

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实验采用EMAT探测了厚度为16,20,23,25,30 mm的5种铝板样品的激光超声纵波信号,提取2个纵波峰值信号时间,利用(3)式计算出的5种铝板样品的厚度如表3所示。由表3可知,EMAT结合激光超声对铝板厚度测量的平均相对标准偏差几乎均在4%以下,有效地提高了铝板厚度测量的准确性,且利用第一个纵波信号得到的铝板厚度的测量精度更准确,这可能与EMAT和激发脉冲激光之间的距离有关,纵波信号在铝板中的传播时间较长(相对激光干涉仪测量),时间探测误差减小,从而EMAT测厚的精度得到了提高。因此,在利用EMAT测量待测样品厚度时,应该根据待测样品的整体厚度调整EMAT与激发脉冲激光之间的探测距离。

同样,实验采用EMAT正面探测了人工缺陷铝板样品的激光超声表面波信号,其中触发激光光源距离铝板边缘1 mm。图8为6 mm×6 mm×2 mm缺陷槽的激光超声表面波信号,基于缺陷信号的时间信息(t_di,i=1、2、3)利用声速传输公式即可计算出缺陷与激光光源的间距L_di。

图 8. EMAT测得的人工缺陷激光超声表面波信号

Fig. 8. Laser ultrasonic surface wave signal of artificial defect detected by EMAT

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由(2)式可得:

Ld1=c×td1=3000m/s×6.91μs=20.73mm,(4)

Ld2=c×td2=3000m/s×16.83μs=50.49mm,(5)

Ld3=c×td3=3000m/s×28.11μs=84.33mm。(6)

3个缺陷距离铝板边缘的预测值分别为21.73,51.49,85.33 mm,测量相对误差分别为3.32%、2.98%、3.03%,EMAT测量误差产生的主要原因是EMAT测量一定范围区间内的超声波信号时产生了一定的误差,但误差在测量误差允许范围内,因此该方式可用于铝板缺陷位置检测,当缺陷较小时也可以实现缺陷位置较为准确的预估。

4 结论

本文采用脉冲激光作为激光超声信号激励源,对比分析了激光干涉仪和EMAT两种超声波信号探测方式在铝板无损检测中的准确度和实用性。通过优化实验确定了不同信号接收方式下的最佳探测参数,在最佳实验参数条件下:激光干涉仪对铝板厚度测量的预测相对误差均小于4.31%,在对铝板表面裂痕缺陷深度进行预测时,预测结果的相对误差随着铝板表面裂痕缺陷深度的减小而增大;采用EMAT预测铝板样品厚度时,预测相对误差均小于3.1%,采用EMAT预测铝板裂痕缺陷位置时,预测相对误差均小于3.4%。由结果可知,在铝板样品的无损检测中,采用激光超声与电磁超声相结合的方法可以提高铝板测厚及表面裂痕检测的精度,同时EMAT检测方式的系统结构简单,对检测条件的稳定性要求较低,可作为金属在线无损检测的备选方法。