李海洋， 王召巴， 潘強華

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

高溫、 高壓和腐蝕等惡劣環(huán)境會對長期服役的金屬構件造成不可逆轉的損傷， 尤其金屬材料表面微損傷， 不易檢測但危害極大. 因此， 實現(xiàn)構件表面性能完好的安全監(jiān)測是工業(yè)生產過程中必不可少的環(huán)節(jié).

激光超聲技術具有遠距離、 非接觸、 高靈敏度和寬頻帶等優(yōu)點， 近年來得到了無損檢測行業(yè)的廣泛關注. 錢夢騄[1-2]分析了熱彈機制下激光超聲脈沖在自由界面和鉗制界面的應力分布情況； 沈中華[3]研究了激光線源超聲在薄膜-襯底系統(tǒng)中的產生， 給出了傳播距離和薄膜厚度對聲表面波的影響； 石一飛[4]研究了掃描激光源法檢測板狀和柱狀金屬材料表面微小微損傷的機理； 張建炎[5]分析了不同深度微損傷對激光超聲表面波傳播速度的影響； Dong[6]采用激光超聲方法測量了鋁合金試樣的三階彈性常數； Soltani[7]通過有限元仿真得到了激光產生超聲時樣品表面溫度和位移分布， 分析了激光參數對聲波激勵的影響； Domarkas[8]根據裂紋共振效應實現(xiàn)微裂紋的寬度與深度測量； 李海洋[9-11]采用反射系數法實現(xiàn)了微裂深度與角度測量.

本文采用激光線源聚焦方式在待測樣品中激發(fā)表面波， 并結合干涉接收方式實現(xiàn)聲波信號的采集與接收， 進而實現(xiàn)了待測樣品表面微損傷的寬度與深度測量. 主要內容包括： 搭建激光超聲檢測平臺， 采用移動樣品法， 完成待測樣品表面微損傷處的透射與反射聲信號以及B-scan成像采集； 根據微損傷處的聲信號時域特征實現(xiàn)樣品表面微損傷的寬度測量， 并結合微損傷處的臨界頻率現(xiàn)象， 進一步實現(xiàn)微損傷的深度檢測.

1 光彈原理

激光照射到材料表面轉化為熱能， 導致材料局部區(qū)域溫度升高形成熱膨脹區(qū)域， 進而產生超聲波在固體介質中傳播. 當激光功率密度小于材料表面能量閾值107W/cm2時， 不會對材料造成損傷， 可實現(xiàn)完全無損的檢測. 這種激光激發(fā)機制稱為光彈原理， 可在材料表層激發(fā)出橫波、 縱波和表面波， 其振動位移滿足

μ2U(x,y,z,t)+(λ+μ)(T(x,y,z,t),

式中：U(x,y,z,t)代表t時刻的瞬態(tài)位移量；λ與μ是拉梅常數；β是熱彈耦合系數；βT(x,y,z,t)是基于熱梯度而形成的瞬態(tài)體力源；T(x,y,z,t)是樣品內部t時刻的溫度. 激光照射一次激發(fā)會產生表面波、 縱波和橫波等多種波型聲信號， 本文采用激光超聲產生表面波完成試樣表面微損傷的檢測.

2 實驗平臺及樣品

2.1 激光超聲檢測平臺

本文采用熱彈機制原理和線源聚焦方式， 搭建了激光超聲檢測平臺. 該實驗平臺分為激發(fā)部分和信號采集部分， 其中激發(fā)部分采用CFR200激光發(fā)生器， 經焦距為100 mm的柱面透鏡聚焦成線源， 照射到樣品表面產生聲表面波； 采集部分采用基于邁克爾遜干涉儀原理的QUARTET-500 mV激光超聲探測儀實現(xiàn)樣品表面聲信號的非接觸探測. 該激光超聲檢測平臺配有掃查行程為250 mm*250 mm， 掃查分辨率為6 μm的自動掃查架， 并結合移動樣品法完成待測樣品的A掃信號與B-scan信號采集， 進而實現(xiàn)表面微損傷的寬度和深度測量. 實驗框圖和實驗平臺如圖 1 所示.

圖 1 激光超聲實驗框圖與平臺Fig.1 Experimental setup

2.2 實驗樣品

待測樣品表面具有不同深度矩形槽形狀的微損傷， 樣品材質為A6061鋁合金. 待測樣品及損傷尺寸如圖 2 所示， 對應樣品微損傷深度如表 1 所示.

圖 2 實驗樣品及尺寸Fig.2 Samples and their size

樣品名稱微損傷深度/mmA0.3B0.1C0.08

3 結果分析

3.1 B-Scan圖分析

基于圖 1 激光超聲檢測平臺， 完成3塊樣品表面的B-Scan成像檢測， 結果如圖 3 所示.

圖 3 B-Scan圖Fig.3 B-Scan image

圖 3 中①表示探測點位于微損傷處； ②表示激發(fā)點位于微損傷處； ①和②之間表示透射聲信號. 對比(a)(b)(c)可看出在①②處發(fā)生散射現(xiàn)象， 并且透射聲波幅值會隨著表面微損傷深度變小而減小. 由圖 3 的3塊樣品B-Scan圖像可以很明顯地確定微損傷位置， 但是無法測量微損傷幾何尺寸， 需要對聲信號進一步分析.

圖 4 表面微損傷寬度測量Fig.4 Width measurement for micro-damage

3.2 表面微損傷寬度測量

隨著樣品的移動， 激光激發(fā)點與探測點在樣品表面的位置會發(fā)生變化， 具體如圖 4 所示. 當激發(fā)位于表面微損傷處時， 無法探測到激光激勵的表面聲波， 同理當接收點運動到表面微損傷處也會發(fā)生此現(xiàn)象. 根據探測到聲波信號的幅值變化就可以測量表面微損傷的寬度.

本文激發(fā)點與探測點距離為15 mm， 探測表面直達波達到時間為5.6 μs， 此時聲信號幅值與掃查距離之間的關系如圖 5 所示.

圖 5 掃查范圍內信號幅值分布Fig.5 Amplitude distribution of scanning range

以圖5(a)為例進行說明： ①是探測點位于表面微損傷處位置， ②是激發(fā)點位于表面微損傷處位置. 當激發(fā)點位于微損傷處時， ①②處聲信號幅值會出現(xiàn)一個很大的衰減， 而這個衰減與微損傷的寬度有關. 由圖5中數據讀取3塊樣品表面微損傷寬度， 如表 2.

表 2 表面微損傷寬度

由圖2(b)可知表面微損傷實際寬度為0.2 mm， 可見實驗測量表面微損傷寬度與實際值相近， 采用激光超聲檢測技術可實現(xiàn)表面微損傷寬度的檢測.

3.3 表面微損傷深度測量

表面波傳播過程中與微損傷相互作用會發(fā)生反射、 透射現(xiàn)象， 如圖 6 所示. 由文獻[8]可知， 透射聲波與發(fā)射聲波的能量大小與表面損傷的深度有關， 因此， 可通過測量透射與反射聲波能量的大小實現(xiàn)表面微損傷深度的測量.

圖 6 透射與反射現(xiàn)象Fig.6 Transmission and reflection

本文對表面微損傷深度T=0.3 mm,T=0.1 mm以及T=0.08 mm樣塊的微損傷反射聲表面波及透射聲表面波進行閾值為db10的小波變換， 進行6層分解， 對每一層信號進行頻譜變換， 再結合帕塞瓦爾定理， 得到不同頻段信號隨頻率變化的能量曲線圖， 如圖 7 所示.a實線表示透射聲表面波曲線，b實線表示微損傷反射聲表面波曲線； 橫坐標為頻率(單位： MHz)， 縱坐標為能量值(單位： mJ).

圖 7 透射/反射信號能量譜分布Fig.7 Energy distribution of transmission and reflection signal

圖 7 中S表示原始信號頻譜能量，d1的頻率范圍是8.34～16.67 MHz；d2的頻率范圍是4.17～8.34 MHz；d3的頻率范圍是2.08～4.17 MHz；d4的頻率范圍是1.04～2.08 MHz；d5的頻率范圍是0.52～1.04 MHz；d6的頻率范圍是0.26～0.52 MHz. (a)中S以d6層信號能量分布， 透射信號能量大于反射信號能量； 而在d1到d2層信號頻譜能量的分布是反射信號能量大于透射信號能量， 發(fā)生這種變化

圖 8 表面微損傷深度與對應波長關系圖Fig.8 A relationship between depth and wavelength

的臨界頻率為2.60 MHz； 同理可求得(b)發(fā)生透射聲信號與發(fā)射聲信號能量變化的臨界頻率為7.60 MHz； (c)發(fā)生透射聲信號與發(fā)射聲信號能量發(fā)生變化的臨界頻率為9.50 MHz. 根據公式C=λε可計算臨界頻率對應的臨界波長， 微損傷深度與波長如圖 8 所示.

由圖 8 可知表面微損傷深度與臨界波長近似成線性關系， 且該近似直線斜率為4， 根據這一關系判斷表面微損傷深度及誤差， 如表 3 所示.

由此可知， 激光超聲表面波遇到微損傷會造成透射聲信號與反射聲信號能量發(fā)生轉換的現(xiàn)象， 采用發(fā)生轉換現(xiàn)象的臨界頻率實現(xiàn)了表面微損傷的深度檢測， 測量誤差為6.33%.

表 3 實際測量微損傷深度及誤差

4 結 論

本文根據熱彈機制和干涉接收方式搭建了激光超聲檢測平臺， 結合移動樣品方法， 完成了待測樣品的表面檢測， 根據微損傷處的聲信號時域與頻域特征完成了樣品表面微損傷的尺寸測量. 本文研究結果真實可靠， 可為激光超聲檢測技術的應用推廣提供理論基礎和試驗方法.