房?；?，葉國(guó)良，呂波，張艷喜，高向東

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣州 510006;2.東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 前言

金屬增材制造是通過(guò)材料逐點(diǎn)或逐層疊加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)去除成形的減材制造方法，金屬增材制造有特殊的成形工藝，可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件[1-3]。但該工藝的特殊性也使增材制造件表現(xiàn)出孔隙性、開(kāi)裂和分層等致命的弱點(diǎn)，會(huì)降低制件的合金性能[4-6]。特別是表面裂紋的孕育擴(kuò)展而造成瞬間斷裂，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)安全。因此，需要對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行早期診斷、評(píng)估，及時(shí)修復(fù)裂紋或更換結(jié)構(gòu)件。

金屬增材制造件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求無(wú)損檢測(cè)手段能夠減小檢測(cè)盲區(qū)，并且實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，而目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在超聲、電磁、和計(jì)算機(jī)斷層掃描等檢測(cè)方法[7]。激光超聲檢測(cè)技術(shù)利用脈沖激光在材料表面激發(fā)出縱波、橫波和聲表面波等多模式超聲波來(lái)檢測(cè)缺陷，具有非接觸、靈敏度高和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]，被廣泛用于表面、亞表面和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。針對(duì)金屬材料的表面裂紋缺陷，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究。Zhou等人[10]、Guan等人[11]從試驗(yàn)和數(shù)值模擬角度，解釋了激光激發(fā)表面波與材料表面開(kāi)口缺陷的作用機(jī)理?；诓煌疃?、寬度的缺陷在時(shí)間、頻率、能量反射率和透射率上的不同，實(shí)現(xiàn)缺陷的定位和定量。王威等人[12]發(fā)現(xiàn)激光遠(yuǎn)場(chǎng)激發(fā)時(shí)有利于各種模式轉(zhuǎn)換波的分離，散射回波特征點(diǎn)到達(dá)時(shí)間差與缺陷深度、寬度有線(xiàn)性關(guān)系。Kromine等人[13]提出了移動(dòng)掃描光源技術(shù)，當(dāng)脈沖激光掃描至缺陷的近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，信號(hào)幅度不斷增大，從而確定裂紋的位置。Ni等人[14]提出了一種雙光源檢測(cè)系統(tǒng)，利用散射超聲模式傳播時(shí)間計(jì)算裂紋取向角，對(duì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了該方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)于增材制造件缺陷檢測(cè)已有許多研究，包括在線(xiàn)檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)。由增材制造過(guò)程和零件使用過(guò)程引起的表面微缺陷對(duì)傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法提出了挑戰(zhàn)。目前，利用激光超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)增材制造件質(zhì)量被證實(shí)是可行的，且具有一定的優(yōu)勢(shì)，得到研究者的廣泛關(guān)注。以316L不銹鋼增材制造件為研究對(duì)象，建立激光激發(fā)超聲波的數(shù)值模型，分析表面波與缺陷相互作用的傳播過(guò)程，研究不同探測(cè)位置、不同深度和寬度缺陷對(duì)表面波反射波信號(hào)的影響。最后結(jié)合激光超聲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)表面波與缺陷作用產(chǎn)生的RS波與RR波的到達(dá)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的位置、深度的檢測(cè)。

1 理論與數(shù)值模型

1.1 激光超聲理論

根據(jù)脈沖激光的光功率密度強(qiáng)度和材料特性的不同，激光超聲的激發(fā)機(jī)制主要包括熱彈機(jī)制和燒蝕機(jī)制。為了滿(mǎn)足對(duì)金屬材料無(wú)損檢測(cè)的要求，采用激光熱彈機(jī)制進(jìn)行仿真與試驗(yàn)。在熱彈機(jī)制下，當(dāng)較低光功率密度強(qiáng)度的脈沖激光入射到材料表面時(shí)，部分激光能量被吸收并轉(zhuǎn)換為熱能，在輻照區(qū)域附近迅速地升溫，導(dǎo)致快速地?zé)崤蛎?，從而產(chǎn)生超聲波。

激光輻照材料激發(fā)表面波的控制方程[15]為：

(1)

(2)

(3)

作用于材料上表面的激光能量為：

Q=I0A(T)f(x)g(t)

(4)

式中：I0為激光中心功率密度；A(T)為材料表面的吸收率；f(x),g(t)為激光的空間分布和時(shí)間分布，分別表示為：

f(x)=exp(-x2/r02)

(5)

g(t)=t/t0exp(-t/t0)

(6)

式中：r0,t0分別為激光光斑半徑和激光脈沖上升時(shí)間。

1.2 數(shù)值模型建立

圖1中的數(shù)值模型材料是均勻、各向同性的316L不銹鋼，其材料參數(shù)見(jiàn)表1。該簡(jiǎn)化二維模型的整體尺寸為35 mm×10 mm，表面缺陷的寬度為w，深度為h，缺陷距離模型左邊界23 mm。激光作用于距離模型左邊界10 mm處，在缺陷左側(cè)3 mm處設(shè)置信號(hào)接收點(diǎn)Det1，用于采集表面波反射信號(hào)。數(shù)值模擬過(guò)程中將材料的上表面設(shè)置為自由邊界，模型的側(cè)邊和底面設(shè)置為吸收層，具有低反射特點(diǎn)，能夠減少其它邊界反射波帶來(lái)的影響。

圖1 數(shù)值模擬模型

表1 316L不銹鋼材料參數(shù)

激光的脈沖上升時(shí)間為10 ns，激光光源的能量為1 mJ，激光光斑半徑為0.3 mm。由于激光作用在金屬材料上時(shí)，只有表面和亞表面能夠吸收激光的能量產(chǎn)生熱膨脹。為了精確模擬出激光超聲產(chǎn)生彈性波在材料中的傳播，這里選用自由四邊形網(wǎng)格，在激光輻照附近區(qū)域的網(wǎng)格大小為20 μm，其余區(qū)域網(wǎng)格大小為100 μm。另外求解器設(shè)置最重要的一個(gè)是時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置，小的時(shí)間步長(zhǎng)將提高精度，但過(guò)于小的時(shí)間步長(zhǎng)又將減緩模擬效率。這里取時(shí)間步長(zhǎng)為10 ns，計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)10 μs。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 瞬時(shí)聲場(chǎng)分布

圖2所示為激光作用在316L不銹鋼材料時(shí)，激發(fā)超聲波在不同時(shí)刻的聲場(chǎng)分布圖。從圖2a可以看出材料表面吸收激光的瞬時(shí)高能量而激發(fā)出表面波(R波)、橫波(S波)和縱波(L波)等，表面波只集中在表面附近傳播，并且在深度上存在振動(dòng)幅度的降低。圖2b和圖2c分別是在4.66 μs和5.65 μs的聲場(chǎng)分布，表面波在遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射波(RR)和透射波(Rt)，其中大部分能量被反射。

圖2 激光激發(fā)超聲波的聲場(chǎng)分布圖

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面反射波中含有大量表面缺陷相關(guān)信息，可以作為檢測(cè)表面缺陷的有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)特征有效地提取缺陷特征。由于表面波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移有2個(gè)分量：1個(gè)垂直于表面，1個(gè)沿著表面內(nèi)波的傳播方向，所以可以在模型上表面測(cè)量位移確定反射波的到達(dá)時(shí)間和振動(dòng)幅度。

2.2 不同探測(cè)位置接收的信號(hào)

在數(shù)值模型表面距離激光中心8 mm，9 mm，10 mm，11 mm和12 mm點(diǎn)處探測(cè)表面波信號(hào)，保持表面缺陷的寬度為0.2 mm，深度為1 mm，與激光中心的距離13 mm不變。獲取表面波信號(hào)，如圖3所示?？梢钥吹讲煌綔y(cè)點(diǎn)接收的表面波信號(hào)時(shí)域波形基本相似，依次出現(xiàn)掠面縱波、掠面橫波、表面波和各類(lèi)反射波，有兩個(gè)明顯的波峰，分別是直達(dá)表面波(R)和反射表面波(RR)。直達(dá)表面波就是從激光作用中心傳播到信號(hào)探測(cè)點(diǎn)處引起的，反射表面波則是表面波與缺陷相互作用后形成的反射波。進(jìn)一步觀察該圖，隨著探測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離激光作用中心而靠近缺陷時(shí)，直達(dá)表面波和反射表面波的到達(dá)時(shí)間都呈線(xiàn)性變化，容易混疊在一起，但其幅值在該范圍內(nèi)受到的影響較小。

圖3 不同探測(cè)點(diǎn)位置的表面波信號(hào)

2.3 缺陷深度、寬度對(duì)檢測(cè)的影響

上述分析只針對(duì)一種缺陷深度，為了進(jìn)一步分析表面波與不同尺寸表面缺陷的相互作用規(guī)律，在圖1模型的基礎(chǔ)上，在Det1處設(shè)置信號(hào)接收點(diǎn)，測(cè)量垂直表面位移。如圖4所示是測(cè)量深度分別為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm和2.0 mm，寬度均為0.2 mm的矩形表面缺陷的位移波形圖。圖4a中，可以看到表面波(R)的能量較強(qiáng)，RR放大圖中有2個(gè)明顯的信號(hào)RR和RS，RS波為缺陷底端向樣品表面?zhèn)鞑サ哪Ｊ睫D(zhuǎn)換橫波。RR波的振動(dòng)幅度隨著深度的增加而有顯著的增大，RS波的振動(dòng)幅度變化則相反，說(shuō)明隨著深度的增加，更多的能量沿原路徑直接反射。R波和RR波的到達(dá)時(shí)間基本相同，而RS波的到達(dá)時(shí)間則隨著深度的增加而延后，并呈線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明RR波的到達(dá)時(shí)間僅僅與缺陷的位置有關(guān)，而缺陷的深度測(cè)量則依賴(lài)于RS波的到達(dá)時(shí)間。

圖4 不同深度缺陷的表面波形

在圖1所示的模型中，保持缺陷的深度為1.0 mm不變，寬度分別為0.2 mm，0.5 mm和1.0mm時(shí)，在相同探測(cè)點(diǎn)處接收到的波形發(fā)生改變，如圖5所示。由前面的分析可知，反射表面波RR的到達(dá)時(shí)間與缺陷的尺寸無(wú)關(guān)，從圖5來(lái)看，不同寬度缺陷的RR波到達(dá)時(shí)間基本一致，而RS波的到達(dá)時(shí)間隨著寬度的增加有所延遲，但變化不明顯，說(shuō)明缺陷的寬度變化對(duì)反射波的傳播并無(wú)主導(dǎo)性的影響，RS波的到達(dá)時(shí)間只與缺陷深度有關(guān)。但隨著寬度的增大，RS波的幅值大小有輕微的下降。

圖5 不同寬度缺陷的表面波形

3 激光超聲試驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比

3.1 激光超聲試驗(yàn)平臺(tái)與樣品

如圖6所示為激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)。主要包括激光器(Nimma-400型)、激光測(cè)振儀(TWM-532型)、示波器(Tek-MDO3024型)、光電探測(cè)器、夾具和光學(xué)配件(三棱鏡、聚焦鏡)等。試驗(yàn)中主要對(duì)316L不銹鋼材料的激光選區(qū)熔化(SLM)增材制造樣品進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示的2塊100 mm×15 mm×10 mm的樣品表面切割出深度為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm和2.0 mm，寬度為0.5 mm的槽，表面經(jīng)過(guò)加工處理。316L不銹鋼粉末粒度為15～53 μm，打印參數(shù)為：激光功率250 W，掃描速度1 000 mm/s，打印線(xiàn)寬100 μm，打印層厚30 μm，打印精度0.05 mm。試驗(yàn)中激光激發(fā)點(diǎn)和信號(hào)探測(cè)點(diǎn)的位置與仿真保持一致。每個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)的采樣率設(shè)置為500 M/s，每組數(shù)據(jù)的采樣長(zhǎng)度為10 k。

圖6 激光超聲試驗(yàn)平臺(tái)

圖7 316L不銹鋼增材制造樣品

3.2 有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證激光激發(fā)表面波有限元模型的正確性，首先對(duì)無(wú)缺陷模型的仿真信號(hào)和試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，在圖1的激光激發(fā)點(diǎn)位置右側(cè)9 mm的A點(diǎn)處接收表面波信號(hào)，結(jié)果如圖8所示。2個(gè)信號(hào)中特征較明顯的是直接從激發(fā)源產(chǎn)生首達(dá)表面波，其到達(dá)時(shí)間分別為3.3 μs和3.203 μs，計(jì)算得到表面波在316L不銹鋼材料中的速度分別為2 730 m/s和2 810 m/s，兩者誤差大約為2.84%。進(jìn)一步，對(duì)有缺陷模型的仿真信號(hào)和試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比，信號(hào)接收點(diǎn)距離激光源10 mm(B點(diǎn))，結(jié)果如圖9所示。表面波遇到缺陷反射回到信號(hào)接收點(diǎn)的總路程為16 mm，測(cè)得2個(gè)信號(hào)的反射表面波到達(dá)時(shí)間分別為5.89 μs和5.68 μs，計(jì)算得到傳播速度分別為2 716 m/s和2 817 m/s，誤差為3.58%。對(duì)比無(wú)缺陷模型和有缺陷模型的表面波波形和計(jì)算得到的傳播速度，可以看到仿真模型和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明仿真模型的正確性。

圖8 無(wú)缺陷信號(hào)對(duì)比

圖9 有缺陷信號(hào)對(duì)比

3.3 信號(hào)處理與結(jié)果對(duì)比

在實(shí)際表面缺陷檢測(cè)過(guò)程中，由于外界因素，激光超聲信號(hào)中除了表現(xiàn)缺陷特征的有用信號(hào)，還摻雜著噪聲。小波閾值去噪法作為應(yīng)用最廣泛的去噪方法，其基本原理是對(duì)經(jīng)過(guò)小波分解的小波系數(shù)與選定的閾值進(jìn)行比較，去除噪聲部分的系數(shù)，并將有用信號(hào)部分的系數(shù)閾值化處理，最后重構(gòu)成降噪后的信號(hào)。這里選用小波軟閾值函數(shù)，其表達(dá)式為：

(7)

(8)

式中：median(|x|)表示取第k層分解小波系數(shù)絕對(duì)值的中值。

圖10為試驗(yàn)中檢測(cè)缺陷的表面波形。圖11為檢測(cè)0.5 mm和1.0 mm深度缺陷時(shí)經(jīng)過(guò)小波降噪的信號(hào)，這里采用db4作為小波基函數(shù)，進(jìn)行5層小波分解?？梢钥闯觯边_(dá)表面波的幅值較高，經(jīng)過(guò)表面缺陷反射作用后，接收到較為微弱的回波及各類(lèi)模態(tài)轉(zhuǎn)換后的復(fù)雜波形，經(jīng)過(guò)小波去噪的表面波信號(hào)不但去除了噪聲，并且在最大程度上保留了很多和缺陷相關(guān)的特征。經(jīng)過(guò)分析，在檢測(cè)0.5 mm深缺陷時(shí)，RR波和RS波的到達(dá)時(shí)間為5.68 μs和5.94 μs，時(shí)間差為0.26 μs，檢測(cè)1.0 mm深缺陷時(shí)，RR波和RS波的到達(dá)時(shí)間為5.56 μs和6.02 μs，時(shí)間差為0.46 μs。

圖10 試驗(yàn)采集的表面波形

圖11 經(jīng)過(guò)小波降噪的表面波形

為了避免單次試驗(yàn)的偶然性，對(duì)每個(gè)深度的缺陷進(jìn)行3次數(shù)據(jù)采集并計(jì)算RS波與RR波的到達(dá)時(shí)間差，其它試驗(yàn)條件保持一致。增材制造缺陷檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示。從對(duì)比可以看出，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致，造成一定偏差的原因主要是：①實(shí)際線(xiàn)切割樣品缺陷帶來(lái)的尺寸偏差；②每次試驗(yàn)移動(dòng)樣品位置時(shí)存在人為誤差；③表面處理導(dǎo)致樣品表面粗糙度與吸收的激光能量差異。另外，增材制造件的成形工藝表明在鋪粉方向和樣品沉積方向的表面波傳播存在一定的差異，這也是試驗(yàn)結(jié)果偏差的原因。但從擬合曲線(xiàn)看，線(xiàn)性趨勢(shì)基本一致，利用RS波與RR波的到達(dá)時(shí)間差能夠有效地檢測(cè)增材制造件表面缺陷的深度。

圖12 增材制造缺陷檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

以316L不銹鋼增材制造件為研究對(duì)象，基于激光超聲的熱彈機(jī)制，通過(guò)有限元方法建立含有表面缺陷的數(shù)值模型，利用激光激發(fā)表面波與表面缺陷作用的反射回波信號(hào)，研究表面波在不同深度、寬度缺陷的傳播特征。通過(guò)激光超聲試驗(yàn)進(jìn)行波速計(jì)算驗(yàn)證了該模型的正確性，深度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明：數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。激光激發(fā)表面波與缺陷作用產(chǎn)生的RS波和RR波的到達(dá)時(shí)間差可以檢測(cè)缺陷深度，并且到達(dá)時(shí)間差隨缺陷深度增加呈線(xiàn)性變化。缺陷的寬度變化對(duì)缺陷位置、深度的檢測(cè)幾乎無(wú)影響。同時(shí)表明激光超聲檢測(cè)增材制造件表面缺陷的有效性，為增材制造在線(xiàn)檢測(cè)提供參考。