微小層片型缺陷的超聲非線性區(qū)域檢測技術(shù)?

陳振華 肖 峰 陸銘慧 盧 超

(1 南昌航空大學 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室 南昌 330063)

(2 中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室 北京 100190)

0 引言

在鋼的冶煉軋制加工后，夾雜物會因受力形變形成點狀、體積型、條形、層片型等缺陷。由非金屬夾雜引起的微小缺陷可使材料的塑性、斷裂韌性、沖擊韌性和抗疲勞能力等變?nèi)?，嚴重影響材料疲勞壽命和失效行為[1?4]。此外，透聲性好、尺寸小的薄層夾雜缺陷在無損檢測中還具有更大的隱蔽性，在疲勞服役過程中容易在周圍萌生裂紋，具有更高的危害性。因此，對軋制材料內(nèi)部的層片型微小缺陷進行無損檢測顯得尤為重要。常規(guī)超聲檢測的檢測能力受波長的限制，需采用高頻檢測系統(tǒng)并配合細致的機械掃查檢測微小層片型缺陷，導致檢測成本高、效率低、檢測能力有限[5?6]。非線性超聲檢測技術(shù)可通過低頻探頭檢測微納米級的缺陷，分析微小缺陷的非線性超聲響應(yīng)是非線性超聲檢測的主要研究方向。焦敬品等[7]基于蘭姆波的二次諧波幅度測量鋼板中微裂紋長度，實現(xiàn)對寬度為6.38 μm 的微小裂紋的非線性超聲檢測。敦怡等[8]搭建了非線性超聲檢測系統(tǒng)對45#鋼的微納米級裂紋進行檢測，結(jié)果表明非線性超聲檢測靈敏度比常規(guī)超聲提高30%且具有更高的檢測分辨率。陳振華等[9]采用水浸脈沖反射法實現(xiàn)了對1 mm 厚薄板焊核內(nèi)部微小缺陷的三次諧波成像，大大提高了圖像分辨率。非線性超聲檢測技術(shù)在實際工程應(yīng)用中還存在檢測信號易受干擾、檢測條件要求高以及非線性超聲特征不明顯等問題。

彈簧扁鋼是一種典型的特種鋼軋制構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于鐵道車輛、汽車和拖拉機等運輸工具上，其內(nèi)部存在典型的由軋制加工形成的薄層型缺陷。本文提出將非線性超聲區(qū)域檢測技術(shù)用于檢測彈簧扁鋼中的微小層片型夾雜，提高對該類缺陷的檢測能力和檢測效率。以非線性超聲檢測專用設(shè)備為基礎(chǔ)，優(yōu)化檢測裝置以減少檢測信號的干擾因素，提高提取信號的穩(wěn)定性；基于非線性超聲的區(qū)域檢測方法提取檢測信號并計算相對非線性系數(shù)均值及其波動系數(shù)，分析了非線性系數(shù)均值與缺陷類型的相關(guān)性，據(jù)此確定非線性超聲對薄層型缺陷的表征能力。本研究提出的層片型缺陷非線性超聲區(qū)域檢測方法對于提高微小薄層型缺陷檢測能力、工程檢測的實用性及檢測效率具有重要作用。

1 非線性超聲檢測基本原理

材料的非線性超聲響應(yīng)是由介質(zhì)內(nèi)部的位錯、滑移帶和微裂紋等微觀缺陷引起的，所以非線性超聲檢測技術(shù)對微小裂紋的敏感程度更大。單一頻率正弦超聲波在材料中傳播時與這些微觀缺陷產(chǎn)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生二次諧波[10]。Cantrell[11]和Breazeale 等[12]建立了固體介質(zhì)內(nèi)的一維非線性波動方程：

其中：ρ0為介質(zhì)密度，K2為二階彈性常數(shù)，K3為三階彈性常數(shù)。

定義非線性系數(shù)β為?(3K2+K3)/K2，且設(shè)初始條件為A0sin0(ωt)，則可求得波動方程的近似解為[13]

其中，k為波數(shù)，x為聲波傳播距離。

由式(2)可知：基波幅度記為A1=A0，二次波幅度A2= (A20k2βx)/8。則材料的非線性系數(shù)β可表示為[14]

其中：

由于檢測過程中聲波傳播距離x和波數(shù)k均基本保持不變，因此常用相對非線性系數(shù)β′代替β表示材料非線性系數(shù)。本研究通過測量基波幅度A1和二次諧波幅度A2得出的β′表征由缺陷引起的材料非線性響應(yīng)。

2 試樣制備及實驗方法

2.1 彈簧扁鋼C掃描成像及缺陷類型分析

尺寸為260 mm×100 mm×16 mm 的60Si2Mn彈簧扁鋼軋制板材試樣，實測縱波聲速5959 m/s。對試樣進行水浸超聲波C 掃描成像檢測，圖像按幅度-顏色標尺的紅— 藍—綠漸變?nèi)旧?。圖1的C 掃描圖顯示扁鋼中存在大量的軋制缺陷，絕大部分缺陷均分布于6～10 mm深度，聚焦聲束的焦區(qū)可以相同的檢測靈敏度一次覆蓋該區(qū)域(4 mm深度范圍)。圖1顯示：為開展非線性超聲區(qū)域檢測法研究，在檢測試樣上劃分51 個邊長為20 mm 的正方形檢測區(qū)域(以下簡稱檢測區(qū)域)提取非線性超聲檢測信號，分別編號為1#～51#。

圖1 檢測試樣的C 掃描圖及檢測區(qū)域劃分Fig.1 C-scan image of test sample and division of detection area

按反射波幅度及C 掃描圖像特征將扁鋼中缺陷分為三類，并通過金相方法分析這三類缺陷的結(jié)構(gòu)特征。缺陷分類方法如下：一類缺陷反射波幅度為73%～100%，紅色C 掃描圖特征；二類缺陷反射波幅度為45%～73%，深藍色C 掃描圖特征；三類缺陷反射波幅度為30%～45%，淺藍色C 掃描圖特征。按圖1白色切割線切割試樣進行金相觀察，試樣C掃描圖如圖2(a)所示。圖2(a)中f1、f2和f3分別為一類、二類和三類缺陷。圖2(b)～圖2(d)截面金相圖顯示：一類缺陷f1為大尺寸、大間隙層片型缺陷，長度為845.381 μm，最大間隙可達73.594 μm；二類缺陷f2和三類缺陷f3為小尺寸、小間隙層片型缺陷，長度分別為294.575 μm 和298.606 μm，最大間隙分別可達4.085 μm與3.513 μm。因此，可判斷一類缺陷由于間隙和尺寸較大，使得反射波幅度較高，C 掃圖像中顯示為紅色特征圖像；二類和三類缺陷的尺寸及間隙較小，透射較強，反射波幅度較弱，C掃描圖像顯示為藍色特征圖像。

圖2 超聲C 掃描圖像及截面金相Fig.2 Ultrasonic C-scan image and the metallography of cross-section

2.2 檢測設(shè)備及專用探頭夾具

采用SNAP-RAM-5000 高能超聲檢測系統(tǒng)開展實驗工作，系統(tǒng)工作頻率250 kHz～30 MHz，可激發(fā)高達5 kW 且周期、波形可調(diào)的高能射頻脈沖信號。圖3為超聲非線性檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)通過阻抗匹配、衰減器和低通濾波器將大幅度、周期及頻譜可控的激勵信號施加在發(fā)射探頭，針對較高的基波幅度及較低的諧波幅度分別接收基波和諧波信號。實驗采用電壓幅度35 V、頻率2.5 MHz、5 周期的激勵信號，發(fā)射換能器采用?20 mm、中心頻率2.5 MHz 的鈮酸鋰晶片；輸入端NO2的帶通濾波器設(shè)置為5 MHz，并采用?15 mm、中心頻率5.0 MHz的超聲探頭接收二次非線性諧波信號。

手動調(diào)整探頭接收檢測信號易受晶片耦合狀態(tài)及人為因素的干擾，相同位置測得的非線性檢測系數(shù)出現(xiàn)明顯波動。為提高檢測信號的穩(wěn)定性和準確性，設(shè)計了專用探頭夾具。圖4為探頭夾具示意圖，檢測試樣平放于空心試樣臺上并固定，夾片夾持探頭并置于檢測試樣的上下表面；通過調(diào)整夾片及其附加彈簧可調(diào)整探頭位置并施加一恒定耦合力以保證穩(wěn)定的聲耦合；夾片固定在三維移動支架上，攜帶探頭在檢測試樣上平穩(wěn)移動提取試樣各區(qū)域的檢測信號。

圖3 非線性超聲檢測系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of nonlinear ultrasound detection system

圖4 專用探頭夾具Fig.4 Special probe fixture

2.3 檢測系統(tǒng)測試

由于非線性超聲檢測信號非常微弱，檢測實驗前對系統(tǒng)的抗干擾性進行了測試。公式(3) 表明，在理想情況下，二次諧波幅值與基波幅值的平方成正比[15]。因此，通過測量無缺陷試樣二次諧波信號隨基波信號的變化即可確定系統(tǒng)測量材料非線性超聲檢測信號的可靠性。實驗采用雙探頭收發(fā)方式接收無缺陷檢測試樣的透射超聲波，測量不同激勵信號電壓(電壓范圍35 V～70 V，間隔5 V)下的二次諧波幅度隨基波幅度平方的變化。圖5顯示，在不同激發(fā)電壓下二次諧波有少量波動，但二次諧波幅值與基波幅值的平方成正比，據(jù)此證明系統(tǒng)具有很高的抗干擾性能，接收的非線性超聲波主要來源于檢測對象中超聲波的非線性傳播。

圖5 二次諧波幅值與基波幅值平方的關(guān)系Fig.5 The relationship between the second harmonic amplitude and the square of the fundamental amplitude

2.4 非線性超聲區(qū)域檢測法

實驗通過如圖6所示的某一區(qū)域的非線性系數(shù)的波動情況評價區(qū)域內(nèi)微小缺陷情況。直徑20 mm的壓電晶片置于邊長20 mm 的正方形檢測區(qū)域中并正好與區(qū)域邊界相切(圖6(a))；直徑15 mm 的窄帶接收探頭輪換布置于檢測區(qū)域的四個角(與兩鄰邊相切)及區(qū)域中心采集信號，各位置按綠、紅、黃、藍、黑圓環(huán)標示為N1～N5 (圖6(b))。為進一步避免偶然因素對實驗的影響，按上述方法重復檢測一次，共采集10個檢測信號。

圖6 區(qū)域檢測法示意圖Fig.6 Schematic diagram of regional detection method

設(shè)第一次區(qū)域檢測從上述5 個位置提取的非線性超聲檢測系數(shù)依次標示為k1～k5，第二次區(qū)域檢測提取的非線性超聲檢測系數(shù)標示為k6～k10(分別對應(yīng)綠、紅、黃、藍、黑位置)，則可計算出以上10個檢測信號的非線性系數(shù)的算術(shù)平均值μ以及其波動系數(shù)σ作為非線性超聲檢測特征參數(shù)，其中波動系數(shù)σ采用10 個數(shù)據(jù)的標準差來定義，表示非線性超聲檢測系數(shù)在各個檢測位置的波動情況。

區(qū)域檢測法中的接收探頭輪換接收位置具有以下三個作用：(1)避免試樣表面狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部差異對非線性超聲檢測信號的影響；(2)可測量該區(qū)域非線性系數(shù)的波動情況，豐富了檢測特征值；(3)區(qū)域檢測較之逐點掃描檢測具有更高的檢測效率。

3 缺陷的檢測信號與特征參數(shù)分析

3.1 檢測信號及其特征分析

圖7為接收探頭布置于檢測區(qū)域中心提取的12#無缺陷區(qū)域和35#有缺陷區(qū)域的非線性超聲檢測信號及頻譜分布。圖7(a)、圖7(b)顯示兩區(qū)域檢測信號呈現(xiàn)連續(xù)波包結(jié)構(gòu)，根據(jù)波包起始波時間間隔5.4 μs 可判定兩波包分別為發(fā)射探頭的直入射和試塊的二次反射波信號，只需截取直入射信號做非線性系數(shù)分析。圖7(c)、圖7(d)的檢測信號頻譜分析顯示基波和二次諧波的最大幅值分別位于2.5 MHz 和5 MHz 附近，兩區(qū)域提取的基波信號幅度基本相同，而35#區(qū)域的二次諧波幅度是12#區(qū)域的1.53倍，缺陷區(qū)域的相對非線性超聲系數(shù)更大。

按區(qū)域檢測法提取各檢測區(qū)域10 個非線性超聲檢測信號，并據(jù)式(4)求解相對非線性系數(shù)β′。圖8(a)為在12#檢測區(qū)域和35#檢測區(qū)域測得的非線性系數(shù)隨檢測位置的變化趨勢圖，35#檢測區(qū)域測得的非線性系數(shù)及其波動整體比12#檢測區(qū)域大；圖8(b)為兩檢測區(qū)域的非線性系數(shù)平均值及非線性波動系數(shù)對比，35#檢測區(qū)域的非線性系數(shù)平均值和非線性波動系數(shù)分別是12#檢測區(qū)域的1.82倍和11.68 倍。分析原因，缺陷破壞了材料結(jié)構(gòu)均勻性，導致探頭在區(qū)域內(nèi)N1～N5 位置處接收到的相對非線性超聲系數(shù)的波動更大；相對而言，無缺陷區(qū)域的材料結(jié)構(gòu)較為均勻，相對非線性超聲響應(yīng)主要來自于材料組織結(jié)構(gòu)本身，非線性系數(shù)較小且各位置測得的非線性系數(shù)波動不大。

圖7 非線性超聲檢測信號分析Fig.7 Analysis of nonlinear ultrasonic detection signal

圖8 12#和35#檢測區(qū)域的非線性超聲特征值Fig.8 Nonlinear ultrasonic eigenvalues of 12# and 35# detection areas

按C 掃描分區(qū)圖選取無缺陷檢測區(qū)域12#、16#、20#、24#、25#和31#以及有缺陷檢測區(qū)域6#、10#、18#、22#、23#、26#、27#、30#、34#、35#和38#共17 個檢測區(qū)域進行非線性超聲檢測實驗，提取歸一化的相對非線性系數(shù)均值及其波動系數(shù)。圖9顯示相對非線性系數(shù)平均值和波動值的變化趨勢基本一致，無缺陷檢測區(qū)域的非線性超聲特征值均小于有缺陷檢測區(qū)域；有缺陷檢測區(qū)域的平均相對非線性系數(shù)均值和波動系數(shù)分別是無缺陷的1.68倍和1625 倍。因此，波動系數(shù)對缺陷區(qū)域的敏感程度比相對非線性系數(shù)均值更大。

圖9 所有檢測區(qū)域的非線性系數(shù)平均值和波動系數(shù)Fig.9 Mean coefficient of nonlinear coefficient and fluctuation coefficient of all detection areas

3.2 非線性超聲檢測特征與缺陷類型的相關(guān)性分析

由2.1 節(jié)可知，彈簧扁鋼內(nèi)部主要為層片型缺陷，按缺陷的C掃描圖像及A掃描信號，可將缺陷分為三類；其中，一類缺陷的尺寸和間隙最大，二類和三類缺陷的尺寸和間隙較小。由于裂紋的邊界處間隙最小，更容易形成“閉合-張開”的非線性超聲響應(yīng)特征[16]，因此層片型缺陷周長與相對非線性系數(shù)均值應(yīng)具有較強的相關(guān)性。本研究采用斯皮爾曼次序相關(guān)系數(shù)(Spearman’s correlation coefficient for ranked data)分析了各類缺陷周長與非線性系數(shù)的關(guān)聯(lián)。斯皮爾曼次序相關(guān)系數(shù)可用于衡量兩列變量之間單調(diào)相關(guān)關(guān)系，它與變量的具體數(shù)值大小無關(guān)，只與兩列變量的相對大小(大小排序)有關(guān)。程海進等[17]利用斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)檢驗單個評委與其他評委評價結(jié)果的相關(guān)性，舍棄相關(guān)性較低的評價結(jié)果以提高總評可靠性。本研究將斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)應(yīng)用于揭示非線性系數(shù)與缺陷類型的相關(guān)性上依然有效，表達式如式(7)所示：

其中：ρ為斯皮爾曼等級相關(guān)數(shù)，d為兩列成對變量的等級差數(shù)，n為等級個數(shù)。

根據(jù)斯皮爾曼等級相關(guān)數(shù)的計算要求，各類缺陷分別按周長在最大、最小值區(qū)間內(nèi)等分為16 等級，相應(yīng)區(qū)域的相對非線性系數(shù)均值同樣等間隔分為16 等級。圖10(a)～(c)的缺陷等級與非線性系數(shù)均值等級分布顯示：一類缺陷與非線性系數(shù)均值的相關(guān)性明顯最差，二類和三類缺陷周長與非線性系數(shù)均值的相關(guān)性更大。據(jù)式(7)計算斯皮爾曼等級相關(guān)數(shù)顯示：相對非線性系數(shù)均值與一類、二類、三類缺陷的斯皮爾曼等級相關(guān)數(shù)分別為0.2、0.49、0.58，缺陷尺寸和間隙越小，相關(guān)程度越高，如圖10(d)所示。據(jù)此，可推斷非線性系數(shù)均值無法檢測具有宏觀結(jié)構(gòu)特征的一類缺陷，而對二類、三類微小的薄層型缺陷更加敏感，非線性超聲檢測技術(shù)特別適用于檢測微小的薄層型缺陷。

圖10 非線性系數(shù)與缺陷類型的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis between nonlinear coefficient and defect type

圖11 34#檢測區(qū)域的C 掃描圖及相對非線性系數(shù)波動情況Fig.11 C-scan image of 34# detection area and fluctuation of relative nonlinear coefficient

由相關(guān)性分析可知：非線性系數(shù)的波動系數(shù)也應(yīng)只與檢測區(qū)域內(nèi)微小薄層缺陷(二類和三類缺陷)的分布相關(guān)。圖11為34#區(qū)域的相對非線性系數(shù)均值分布及C掃描圖像。圖11(a)的C掃描圖顯示：含二類、三類缺陷的N3、N4、N5 以及二次檢測的N8、N9、N10 檢測位置的非線性超聲檢測系數(shù)更大，而包含一類缺陷的N1、N2 以及二次檢測的N6、N7 檢測位置測得的相對非線性系數(shù)較小，如圖11(b)所示。由此可知，相對非線性系數(shù)均值的波動情況與相關(guān)性分析一致。

4 結(jié)論

(1)基于非線性超聲檢測系統(tǒng)并結(jié)合自主設(shè)計的探頭夾持裝置可提取穩(wěn)定、準確的非線性超聲檢測信號；提出的區(qū)域檢測方法較之常規(guī)C 掃描成像及一般非線性超聲檢測法具有檢測效率高、可靠性強、信息豐富的優(yōu)勢。

(2)基于區(qū)域檢測技術(shù)提出相對非線性系數(shù)均值及波動系數(shù)可檢測扁鋼中微小的層片型或點狀缺陷。其中，非線性波動系數(shù)比非線性系數(shù)均值對缺陷區(qū)域更敏感，可優(yōu)先選擇非線性波動系數(shù)檢測微小薄層缺陷。

(3)相關(guān)性分析可知，非線性超聲檢測系數(shù)無法檢測間隙較大的層片型缺陷，但對微小的薄層型缺陷非常敏感，結(jié)合相對非線性系數(shù)均值及波動系數(shù)可檢測微小薄層型缺陷在檢測區(qū)域的分布狀況。