王 錚 劉 驍
金屬小直徑棒材可用于制造航空發(fā)動機(jī)中的緊固件、葉片等關(guān)鍵制件[1?2],材料質(zhì)量關(guān)系到發(fā)動機(jī)使用安全。然而,小棒材生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生裂紋、夾雜、孔洞等缺陷[3?5],嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用壽命,威脅發(fā)動機(jī)運(yùn)行安全。因此,有必要對其進(jìn)行高可靠性無損檢測。
超聲水浸聚焦檢測技術(shù),以其聲束寬度小、聲場能量集中以及入射聲波角度可調(diào)等優(yōu)勢,被認(rèn)為是能夠滿足新一代航空發(fā)動機(jī)用小棒材缺陷檢測的先進(jìn)技術(shù)[6?9]。一般采用縱波直入射檢測棒材內(nèi)部缺陷,采用縱波斜入射檢測表面及近表面缺陷。當(dāng)進(jìn)行縱波斜入射檢測時,聲波穿過小棒材的大曲率表面,遇缺陷后返回探頭的過程,通常會發(fā)生聲波反射、折射、散射、衍射以及波型轉(zhuǎn)換等一系列物理變換,探頭最終接收到的信號為一種或幾種信號的合成信號。在這一復(fù)雜的傳播過程中,缺陷與聲波聚焦區(qū)域的相對位置,決定了探頭接收到缺陷信號幅值的強(qiáng)弱,而這一相對位置主要受聲波入射角度和檢測水距的制約。實(shí)際檢測中,經(jīng)常出現(xiàn)由于檢測條件設(shè)置不當(dāng)、對聲束傳播路徑判斷錯誤等原因,而導(dǎo)致缺陷漏檢、誤檢的情況[10?11]。
缺陷超聲檢測仿真技術(shù)[12?15],是通過缺陷建模、檢測條件虛擬構(gòu)建及數(shù)字化計算等手段,為零件檢測中不可見的、復(fù)雜聲波傳播行為提供的一種可視化聲場分析技術(shù)。仿真結(jié)果可用于了解材料表面和內(nèi)部聲場分布規(guī)律,比較不同部位缺陷響應(yīng)能力,以及量化分析檢測參數(shù)對檢測結(jié)果的影響,對零件檢測工藝制定具有指導(dǎo)意義。
本文針對小棒材縱波斜入射檢測中的主要參數(shù)--入射縱波角度和檢測水距,開展聲場及缺陷聲響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。
根據(jù)波動中質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向的不同關(guān)系,可將波動分為多種波型,在超聲檢測中主要應(yīng)用的波型有縱波、橫波、表面波(瑞利波)和蘭姆波??v波斜入射檢測是指縱波以一定角度入射到被檢件表面,采用透射聲波對被檢件中缺陷進(jìn)行檢測。當(dāng)被檢件是固體時,透射聲波會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換和聲波傳播方向的變化。斜入射縱波在固體被檢件中可能存在折射縱波和折射橫波,如圖1所示,折射波角度與入射波角度之間的關(guān)系符合斯奈爾定律[16]:
式(1)中:α為入射縱波角(?);βL為折射縱波角(?);βS為折射橫波角(?);CL1為入射縱波聲速(m/s);CL2為折射縱波聲速(m/s);CS2為折射橫波聲速(m/s)。
圖1 縱波斜入射檢測透射波示意圖Fig.1 Schematic diagram of longitudinal wave oblique incidence detection
當(dāng)入射縱波角滿足公式(2),折射后產(chǎn)生折射縱波和折射橫波;當(dāng)入射縱波角滿足公式(3),折射后僅產(chǎn)生折射橫波;當(dāng)入射角滿足公式(4),入射縱波在介質(zhì)表面產(chǎn)生表面波[16]。
采用縱波斜入射對工件進(jìn)行檢測時,為避免眾多波型之間的相互干擾,且能夠有效對表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測,通常采用純橫波檢測,即入射縱波角滿足公式(3),保證主聲束折射后為純橫波。但是,由于探頭聲束具有一定寬度,采用聚焦探頭對棒材進(jìn)行斜入射檢測時,探頭不同部位發(fā)射的聲束在棒材表面具有不同的入射角,如圖2所示。此時,探頭邊緣發(fā)射的聲束在棒材中不可避免地產(chǎn)生折射縱波和表面波干擾。
針對這一現(xiàn)象,可通過調(diào)整檢測參數(shù),來增強(qiáng)檢測區(qū)域主聲束能量,降低干擾信號能量,以達(dá)到增強(qiáng)缺陷檢測能力的目的。小棒材超聲水浸聚焦檢測中,主要檢測參數(shù)有入射縱波角度和檢測水距。入射縱波角度決定折射波型及折射波角度,從而影響聲場分布強(qiáng)度;檢測水距決定探頭焦點(diǎn)在被檢件中的位置。
圖2 斜入射縱波在水/棒界面產(chǎn)生折射波種類Fig.2 Types of refraction wave produced by oblique incident longitudinal at water/bar interface
聚焦探頭檢測時,將探頭焦點(diǎn)置于被檢測部位,可以提高檢測信噪比和分辨力,并有利于減小缺陷取向?qū)θ毕輽z出的影響。聲束垂直入射時,聚焦探頭焦距、檢測水距及焦點(diǎn)在被檢件中的深度位置之間的關(guān)系,可用公式(5)表示[16]:
式(5)中:H為水距(m);F為探頭水中焦距(m);l為被檢件中的聚焦深度(m);C水為水中縱波聲速(m/s);CL為被檢件中縱波聲速(m/s)。
針對小棒材縱波斜入射檢測,分別對入射縱波角度和檢測水距兩個參數(shù)對聲場分布的影響進(jìn)行仿真。仿真對象為?10 mm 高溫合金棒材,檢測探頭選用10 MHz 線聚焦探頭,焦距30 mm,晶片直徑6 mm。仿真工具為CIVA 軟件,設(shè)置高溫合金材料密度8.88 g/cm3,縱波聲速5630 m/s,橫波聲速2960 m/s,探頭6 dB 帶寬為5 MHz,探頭沿棒材圓周采樣,采樣間距0.5 mm。
根據(jù)第1節(jié)分析,當(dāng)入射縱波角在14.7?~32.7?范圍變化時,工件中產(chǎn)生純橫波,與之相對應(yīng)的折射橫波角度范圍為32.7?~90?。由于入射縱波角度與折射橫波角度存在一一對應(yīng)關(guān)系,為表述直觀,下文采用折射橫波角度進(jìn)行描述。保持檢測水距30 mm不變,選取大中小3 個常用的折射橫波角度:35?、45?、60?,進(jìn)行聲場分布仿真。當(dāng)折射橫波角度小于35?時,探頭主聲束在棒材中會出現(xiàn)折射縱波干擾,當(dāng)折射橫波角度大于60?時,探頭主聲束在棒材內(nèi)部聲場較弱,對近表面缺陷檢測效果變差。棒材橫截面的聲場分布如圖3所示,每種角度折射橫波主聲束與棒材表面最小距離如表1所示。
表1 不同折射角度下最大檢測深度Table 1 The maximum test depth with different refraction angles
圖3 不同角度折射橫波聲場仿真Fig.3 Simulation of refraction transverse wave sound field with different refraction angles
縱波入射角度越大,對應(yīng)的橫波折射角度也越大,折射橫波主聲束越靠近棒材表面,因此,棒材表面聲場能量越強(qiáng),內(nèi)部聲場能量越弱。折射橫波角度為35?時,聲能匯聚點(diǎn)靠近棒材內(nèi)部,折射橫波主聲束距棒材表面最大距離達(dá)2 mm,可檢測較大埋深缺陷,但對表面缺陷檢測靈敏度不足;橫波折射角為60?時,聲能匯聚點(diǎn)靠近棒材表面,折射橫波主聲束距棒材表面最大距離僅0.6 mm,適于檢測表面缺陷,對具有一定深度的缺陷檢測能力下降;折射橫波角度為45?時,聲能匯聚點(diǎn)位于上述兩種情況之間,折射橫波主聲束距棒材表面最大距離為1.5 mm,相對可兼顧埋深較大缺陷和表面缺陷。
保持折射橫波角度45?不變,采用不同檢測水距,分別將聚焦探頭焦點(diǎn)置于棒材表面(檢測水距30 mm)和棒材內(nèi)部(以檢測水距20 mm 為例),進(jìn)行聲場仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。
檢測水距為30 mm 時,探頭焦點(diǎn)落在棒材表面,棒材表面聲場強(qiáng)度最強(qiáng),隨深度增加聲能快速下降,此時對表面缺陷檢測靈敏度最高;檢測水距為20 mm 時,探頭焦點(diǎn)落在棒材內(nèi)部,棒材內(nèi)部某一深度聲場最強(qiáng),而表面聲場強(qiáng)度較弱,同時,由于聚焦探頭的聚焦區(qū)存在一定長度,因而,此時探頭在棒材內(nèi)部一定深度范圍內(nèi)均能保持有較高聲場強(qiáng)度。
仿真對象和仿真參數(shù)與第2 節(jié)相同,探頭沿棒材表面做螺旋式掃查,采樣間距為0.5 mm。采用矩形刻槽模擬表面缺陷,采用橫孔模擬近表面缺陷,所有缺陷以45?間隔放置在棒材同一圓周上,模擬缺陷具體規(guī)格如表2所示。
表2 小棒材表面和近表面模擬缺陷規(guī)格Table 2 The specifications of surface and near surface defects in small bar for simulation
圖4 不同檢測水距折射橫波聲場仿真Fig.4 Simulation of refraction transverse wave sound field with different water distances
檢測水距保持30 mm 不變,橫波折射角分別為35?、45?、60?,缺陷檢測仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5中1#~4#顯示為刻槽缺陷聲響應(yīng),信號特征為靠近界面有一較強(qiáng)橢圓形圖像,隨后延長出一條或兩條細(xì)長線形圖像。其中,橢圓形圖像為折射橫波主聲束入射到缺陷后被探頭接收到的反射、散射信號,如圖6(a)所示;橢圓形圖像斜下方較長的細(xì)長線形圖像為棒材與探頭相對位置移動時,折射橫波的擴(kuò)散聲束入射到缺陷的反射、散射信號,如圖6(b)所示;橫波折射角為35?和45?的B 掃描圖中,與界面波夾角較小的線性圖像為折射縱波干擾,如圖6(c)所示,可見橫波折射角越小,縱波干擾越明顯。
圖5中5#~8#顯示為橫孔缺陷聲響應(yīng),信號特征為兩條平行的傾斜長條圖像。其中幅度較強(qiáng)的傾斜長條圖像主要來自橫孔孔壁對折射橫波的反射和散射,當(dāng)折射橫波主聲束以最小距離垂直入射至孔壁時,探頭接收到的孔壁反射信號幅度最高,如圖7(a)所示,隨探頭與橫孔相對位置改變,探頭接收到的孔壁反射及散射信號減弱。當(dāng)橫孔埋深增加,聲束垂直入射至孔壁的最小距離變大,如圖7(b)所示,探頭接收到的孔壁反射信號隨之減弱。兩條平行的傾斜長條圖像中下方較弱的條形圖像,為折射橫波在橫孔表面A點(diǎn)產(chǎn)生的瑞利波沿橫孔表面AOB傳播后,在B點(diǎn)返回被探頭接收的信號,如圖7(c)所示[17]。
圖5 不同折射角度下缺陷響應(yīng)B 掃描仿真圖Fig.5 B-scan simulations of defect response with different refraction angles
圖6 幾種折射波遇刻槽缺陷聲束傳播路徑Fig.6 Several propagation paths of refracted waves with notch defects
圖7 幾種折射橫波遇橫孔缺陷聲束傳播路徑Fig.7 Several propagation paths of refraction S-waves with cross hole defects
圖5中各缺陷反射信號幅度如圖8所示。折射橫波角度為35?時,刻槽缺陷反射信號幅度最小,橫孔缺陷反射信號幅度較大,這一現(xiàn)象與第2 節(jié)縱波斜入射仿真的聲場分布規(guī)律相符,即此時棒材表面聲場較強(qiáng),隨深度增加聲場強(qiáng)度快速下降;折射橫波角度為60?時,刻槽缺陷反射信號幅度最高,橫孔缺陷反射信號幅度較低,這一現(xiàn)象也符合聲場仿真結(jié)果,即此時棒材內(nèi)部聲場較強(qiáng),表面聲場強(qiáng)度較弱;折射橫波角度為45?時,相對可較好地兼顧表面刻槽和近表面橫孔缺陷的檢測,使二者均有相對較高的檢測靈敏度,且幅度差值最小,這種情況最適用于實(shí)際檢測。
圖8 不同折射角度下缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results of defect response with different refraction angles
另外,在同一檢測條件下,缺陷反射信號幅度還與自身尺寸和埋深有關(guān),刻槽缺陷槽深越大,長度越長,缺陷信號幅度越強(qiáng);橫孔缺陷埋深越大,缺陷信號幅度越弱。
折射橫波角度保持45?不變,分別對焦點(diǎn)落在棒材表面和近表面時缺陷響應(yīng)進(jìn)行仿真。焦點(diǎn)落在棒材表面,檢測水距選擇30 mm;焦點(diǎn)落在棒材內(nèi)部,檢測水距分別選擇25 mm 和20 mm,仿真結(jié)果如圖9所示。
檢測水距由30 mm 變化到20 mm,1#~4#表面刻槽缺陷反射信號逐漸減弱,5#~8#橫孔反射信號則一直較強(qiáng)。這一結(jié)果也與第2 節(jié)縱波斜入射仿真的聲場分布規(guī)律相符,當(dāng)檢測水距為30 mm,探頭焦點(diǎn)落在棒材表面,棒材表面聲場強(qiáng)度最強(qiáng),表面刻槽缺陷檢測靈敏度高,由于聚焦探頭聚焦區(qū)具有一定長度,此時對于近表面的橫孔缺陷仍然具有較高的檢測靈敏度;當(dāng)檢測檢測水距為25 mm 和20 mm,聚焦探頭焦點(diǎn)在棒材內(nèi)部,此時雖然棒材近表面橫孔缺陷具有較高的檢測靈敏度,但棒材表面聲場能量較弱,對表面刻槽缺陷檢測效果不佳。因此,設(shè)置檢測水距時,將聚焦探頭的焦點(diǎn)落在棒材表面,可以使棒材表面和近表面缺陷均獲得較高的檢測靈敏度。
圖9 不同水距下缺陷響應(yīng)B 掃描仿真圖Fig.9 B-scan simulations of defect response with different water distances
對?10 mm 棒材中刻槽和橫孔人工缺陷進(jìn)行檢測,試塊中人工缺陷規(guī)格見表3。檢測采用Sonic 138 型超聲波探傷儀,10 MHz 線聚焦探頭,探頭焦距30 mm,晶片直徑6 mm。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇對表面、近表面缺陷兼顧效果最好的實(shí)驗(yàn)條件,折射角度采用45?,檢測水距采用30 mm,檢測結(jié)果見表4、表5。
按照仿真結(jié)果設(shè)置的檢測參數(shù)進(jìn)行檢測,表面刻槽和近表面橫孔缺陷均可有效檢測出來,檢測效果較好。
表3 小棒材中刻槽和橫孔人工缺陷制作規(guī)格Table 3 Specifications for artificial defects of groove and cross hole in small bar
表4 刻槽缺陷檢測結(jié)果Table 4 Detection results of groove defects
表5 橫孔缺陷檢測結(jié)果Table 5 Detection results of cross hole defects
本研究針對小棒材水浸聚焦檢測中表面、近表面微小缺陷檢測難題,通過縱波斜入射檢測中聲場分布和缺陷響應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn),得到了縱波入射角度(對應(yīng)折射橫波角度)和檢測水距(即焦點(diǎn)在棒材中的位置)對表面、近表面缺陷檢測能力的影響規(guī)律:
(1)縱波入射角度對聲場強(qiáng)度分布有較大影響,入射角度越小,聲能匯聚點(diǎn)越靠近棒材內(nèi)部,對表面缺陷檢測能力較弱,對內(nèi)部缺陷檢測能力較強(qiáng);入射角度越大,聲能匯聚點(diǎn)越靠近表面,對表面缺陷檢測能力較強(qiáng),對內(nèi)部缺陷檢測能力較弱。針對高溫合金小棒材表面及近表面缺陷檢測,仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示,入射縱波角度為19.4?(折射橫波角度為45?)時,對表面刻槽和近表面橫孔缺陷均可獲得較好的檢測效果;
(2)檢測水距(聚焦探頭焦點(diǎn)在棒材中的深度位置)的變化對表面缺陷檢測靈敏度影響較大,對近表面缺陷檢測靈敏度影響較小,使檢測水距等于焦距,對棒材表面和近表面缺陷均具有較好的檢測效果。