陽(yáng)極腐蝕箔微穿孔缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法研究

鐘建偉，宋海洋，高 翔，王祥達(dá)，3*，滕世國(guó)

（1.乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司，廣東 韶關(guān) 512721；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.乳源瑤族自治縣東陽(yáng)光實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 韶關(guān) 512721）

鋁電解電容器是一種用鋁材料制成的電性能好、適用范圍寬、可靠性高的通用型電解電容器［1］.陽(yáng)極腐蝕箔是鋁電解電容器的核心部件，其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)使得鋁電解電容器具有較大的比容量［2］.對(duì)于此類電容器要提高比電容的有效途徑就是增大陽(yáng)極腐蝕箔的表面積.提高陽(yáng)極箔的表面積的方法有機(jī)械方法［3］、物理方法［4］、化學(xué)方法以及電化學(xué)方法［5］.目前生產(chǎn)中最常用的是直流電解腐蝕電化學(xué)法.但是，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，由于鋁箔的厚度較小，鋁箔上可能會(huì)形成穿孔，造成陽(yáng)極鋁箔的報(bào)廢［6］.因此，除了不斷改進(jìn)電化學(xué)腐蝕工藝來(lái)降低鋁箔穿孔風(fēng)險(xiǎn)外，對(duì)鋁箔上微穿孔的檢測(cè)也極為重要，這有助于降低鋁箔出廠后的不良品率.目前，陽(yáng)極腐蝕箔微穿孔的檢測(cè)方法較少，鮮有報(bào)道.傳統(tǒng)的檢測(cè)手段是采用光測(cè)法，即通過(guò)透光程度對(duì)陽(yáng)極鋁箔進(jìn)行判斷.但該方法操作復(fù)雜，且依賴人工判斷，存在較大的不確定性和一定的誤檢率.因此需要尋找一種新的可用于陽(yáng)極腐蝕箔微穿孔檢測(cè)的方法.

超聲檢測(cè)是常見的無(wú)損檢測(cè)方法［7］，其原理是利用聲波遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生的反射及散射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，該方法對(duì)試件材質(zhì)無(wú)特殊要求，且具有穿透能力強(qiáng)、缺陷定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).傳統(tǒng)的超聲體波檢測(cè)技術(shù)屬于逐點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)效率較低［8］.超聲導(dǎo)波則是一種新的超聲檢測(cè)方法，其具有能量衰減慢、傳播距離長(zhǎng)、對(duì)結(jié)構(gòu)中的隱性損傷和復(fù)雜損傷敏感、檢測(cè)效率和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)［9-12］.超聲導(dǎo)波是沿著整個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播的特殊的超聲波模態(tài)，由縱波和橫波在介質(zhì)的邊界發(fā)生來(lái)回反射形成.超聲導(dǎo)波的傳播介質(zhì)為有邊界物體，稱為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如板、管、桿及層狀的彈性體，都是典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［13］.Victorov 對(duì) Lamb 波的波動(dòng)理論和基本物理特性做了深入的研究［14］，Ball 等在這套理論的基礎(chǔ)上順利地利用Lamb波檢出了碳纖維薄板中的缺陷［15］.劉瑜等利用基于非接觸式激光測(cè)振儀（SLDV）檢測(cè)了各向異性復(fù)合材料板中超聲導(dǎo)波，驗(yàn)證了各向異性復(fù)合材料板中導(dǎo)波的傳播特征，進(jìn)而利用分布式傳感單元對(duì)板中的損傷進(jìn)行定位［16］；吳秉正對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板中的導(dǎo)波激發(fā)與傳播規(guī)律進(jìn)行了研究并模擬了導(dǎo)波與碳纖維復(fù)合板（CFRP）中缺陷的相互作用［17］.何存富等利用軸對(duì)稱縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波得出高階且衰減較小的L（0，n）模態(tài)的超聲導(dǎo)波，能夠用來(lái)檢測(cè)全錨錨桿的長(zhǎng)度及確定錨桿中缺陷位置［18-21］.

陽(yáng)極腐蝕箔恰好屬于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一種.由于導(dǎo)波自身模態(tài)豐富，且在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中接收信號(hào)包含了直達(dá)波、缺陷回波、邊界回波等多個(gè)波包，這使得導(dǎo)波信號(hào)變得復(fù)雜，增加了識(shí)別缺陷散射信號(hào)的難度［22］.直達(dá)波衰減法是一種簡(jiǎn)單直接的方法，可以規(guī)避散射信號(hào)分析的困難.當(dāng)超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔中傳播時(shí)，如果傳播路徑上存在穿孔缺陷，將直接破壞接收源接收到的超聲導(dǎo)波信號(hào)，主要表現(xiàn)為能量的泄露以及幅值的快速衰減［23］.因此，運(yùn)用超聲導(dǎo)波的這一特性可以很好的檢測(cè)出陽(yáng)極鋁箔中的穿孔缺陷.

本文開展了超聲導(dǎo)波對(duì)陽(yáng)極鋁箔的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究.利用多普勒激光測(cè)振儀對(duì)超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔中的傳播衰減進(jìn)行了標(biāo)定，同時(shí)通過(guò)對(duì)不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，建立了波譜峰值比與不同穿孔缺陷直徑大小的回歸關(guān)系.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲導(dǎo)波對(duì)陽(yáng)極鋁箔微穿孔檢測(cè)的可行性，為此法后續(xù)的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)原理和步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向不同，板結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波分為兩大類，一類是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向在波的傳播方向與板的厚度方向所組成的平面內(nèi)，稱為蘭姆波（Lamb波）［24］，是由橫波（S波）和縱波（L波）耦合成的板中導(dǎo)波，如圖1所示，Lamb波的質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式中與該平面垂直的位移分量為零（u3=0）；另一類是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與該平面垂直，稱為水平剪切波（SH波），這類導(dǎo)波的質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式中在該平面內(nèi)的兩個(gè)位移分量為零（u1=u2=0）［25］.

Lamb波由于其更容易被激勵(lì)，所以應(yīng)用廣泛.根據(jù)板中Lamb波的結(jié)構(gòu)特性，Lamb波可以劃分為對(duì)稱模態(tài)（S模態(tài)）和反對(duì)稱模態(tài)（A模態(tài)），如圖2所示.S模態(tài)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)形式關(guān)于板中面完全對(duì)稱，沿著波的傳播方向不斷拉伸和壓縮，而A模態(tài)則相反，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)關(guān)于板中面相同.Lamb 波按模態(tài)的階數(shù)不同，又可細(xì)分成多個(gè)模態(tài)，如A0、S0、A1、S1等.不同模態(tài)的導(dǎo)波由于其波結(jié)構(gòu)和能量分布不同，對(duì)不同類型缺陷的敏感程度也不同，如S0模態(tài)對(duì)板厚方向的缺陷比較敏感，而A0模態(tài)對(duì)分層和橫向鋪層裂紋等缺陷比較敏感［13］.并且在同一頻率點(diǎn)處，S0模態(tài)的傳播速度最快、頻散小，有利于缺陷信號(hào)的識(shí)別，而A0模態(tài)以離面位移為主且波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于S0模態(tài)，所以對(duì)結(jié)構(gòu)中的微小缺陷更為敏感.

圖2 Lamb波的兩種模態(tài)

板結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波質(zhì)點(diǎn)傳播與振動(dòng)方向如圖1所示，假設(shè)超聲導(dǎo)波沿x1方向傳播，則板中Lamb波沿x3方向的位移分量為零，而沿x1和x2方向位移僅與坐標(biāo)x1、x2有關(guān)，與坐標(biāo)x3無(wú)關(guān)；板中SH波沿x1方向和x2方向的位移分量為零，而沿x3方向位移僅與坐標(biāo)x1、x2有關(guān)，與坐標(biāo)x3無(wú)關(guān).

圖1 板結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波

Lamb波位移的矢量表達(dá)形式為：

取φ=φ（x1，x2，t），Ψ=｛0，0，Ψ3（x1，x2，t）｝，則位移和應(yīng)力的表達(dá)式為：

波動(dòng)控制方程可表示為：

得到通解為：

由此，幅度為A0超聲導(dǎo)波A0S0（t）在帶有穿孔缺陷的陽(yáng)極鋁箔中傳播時(shí)，t0時(shí)間后將衰減為A1St0（t），其中A1為t0時(shí)間后的超聲導(dǎo)波幅度，衰減部分為A0S0（t）-A1St0（t）=B1Rt0（t）+B2P（t）.其中，B1Rt0（t）為超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔傳播t0時(shí)間后的固有衰減，B1是其幅度，B2P（t）為超聲導(dǎo)波在遇到穿孔缺陷時(shí)的衰減量，B2是其幅度.因此，在本實(shí)驗(yàn)中首先建立了超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔中傳播的固有衰減量的數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算出的直達(dá)波的幅值A(chǔ)1進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而可以計(jì)算出超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔穿孔缺陷中的衰減，并建立“穿孔-衰減比”對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量的衰減確定穿孔大小.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）計(jì)算超聲導(dǎo)波在無(wú)穿孔缺陷的陽(yáng)極鋁箔中對(duì)應(yīng)位置的衰減比例；

（2）給出無(wú)穿孔缺陷情況下衰減標(biāo)定曲線；

（3）建立衰減標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(kù)；

（4）計(jì)算相同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量；

（5）對(duì)相同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償；

（6）計(jì)算出不同直徑穿孔缺陷對(duì)應(yīng)的衰減比；

（7）建立穿孔缺陷直徑與衰減比的數(shù)據(jù)庫(kù)；

（8）給出波譜峰值比與穿孔缺陷直徑尺寸的回歸曲線；

（9）計(jì)算不同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量，并重復(fù)步驟（5）~（7）；

（10）檢查掃查結(jié)果并對(duì)穿孔缺陷直徑與衰減比的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行校準(zhǔn).

2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用尺寸為長(zhǎng) 700 mm，寬 500 mm，厚度為 120 μm 的陽(yáng)極鋁箔（見圖3、圖4）.將預(yù)處理后的陽(yáng)極鋁箔試樣平鋪在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，選用中心頻率為100 kHz壓電超聲傳感器作為激勵(lì)聲源，將壓電超聲傳感器與陽(yáng)極鋁箔某點(diǎn)位進(jìn)行耦合，并將耦合點(diǎn)位設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn).耦合完成后將壓電超聲傳感器接線端與信號(hào)發(fā)生器相連，對(duì)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置三周期頻率為100 kHz漢寧窗調(diào)制的正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，設(shè)定峰峰值為3 V，對(duì)壓電超聲傳感器進(jìn)行激勵(lì).用多普勒激光測(cè)振儀進(jìn)行信號(hào)接收，多普勒激光測(cè)振儀控制器型號(hào)為 Polytec OFV-5000，探頭型號(hào)為 Polytec OFV-505，設(shè)定采樣頻率為 300 MHz進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖3 超聲導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖4 超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置示意圖

2.1 無(wú)穿孔缺陷的陽(yáng)極鋁箔超聲導(dǎo)波幅值衰減標(biāo)定

首先，對(duì)無(wú)穿孔缺陷的陽(yáng)極鋁箔進(jìn)行超聲導(dǎo)波衰減標(biāo)定.衰減標(biāo)定掃查范圍為400 mm，選定距離聲源20 mm處作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，其后各點(diǎn)接收信號(hào)與該點(diǎn)所得信號(hào)幅值進(jìn)行比較，得出超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔中的衰減規(guī)律，并得出衰減標(biāo)定曲線.對(duì)所測(cè)樣本點(diǎn)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出各點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的最大幅值衰減.計(jì)算公式為：

NA：衰減倍數(shù)，單位dB；uA：接收點(diǎn)信號(hào)幅值；u0A：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)幅值.

圖5為無(wú)穿孔缺陷下對(duì)陽(yáng)極鋁箔試樣進(jìn)行400 mm超聲導(dǎo)波衰減標(biāo)定的曲線圖.擬合曲線表達(dá)式為y=1.982×10-7x3-6.436×10-5x2-0.04777x+0.5297，其中y、x分別為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo).由圖5中曲線可以看出，隨著距離的增大，衰減倍數(shù)不斷增加，400 mm處衰減倍數(shù)超過(guò)了15 dB.說(shuō)明隨著超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔中的傳播距離的增大，超聲導(dǎo)波的幅值迅速衰減，且衰減倍數(shù)隨著超聲導(dǎo)波傳播距離的增大也不斷增大，因此最大幅值的衰減越來(lái)越快，與理論預(yù)期一致.需要說(shuō)明的是，在每一次的測(cè)試中，如果所選用的換能器頻率和模態(tài)有變化，都需要對(duì)衰減曲線重新進(jìn)行標(biāo)定.

圖5 衰減標(biāo)定曲線

2.2 相同位置不同直徑穿孔缺陷的檢測(cè)

如圖6所示，選定距離坐標(biāo)原點(diǎn)為200 mm的直線上一點(diǎn)，按穿孔缺陷尺寸從小到大依次檢測(cè)0.1 ~ 0.7 mm的穿孔缺陷，掃查位置為距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm的直線，得出穿孔缺陷的波列圖如圖7所示.

圖6 相同位置不同穿孔直徑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖7 相同位置不同穿孔直徑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)波列圖

圖7為同一位置不同穿孔缺陷尺寸下超聲導(dǎo)波信號(hào)的波列圖，可以看出在有無(wú)缺陷情況下相同位置不同穿孔缺陷直徑信號(hào)的衰減關(guān)系.由圖中信號(hào)波形可以看出，隨著穿孔缺陷尺寸的增大，信號(hào)的幅值出現(xiàn)了不同幅度的衰減，且穿孔直徑越大，信號(hào)衰減越大.

根據(jù)以上樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，規(guī)定無(wú)穿孔缺陷情況下信號(hào)最大峰值為A0，存在穿孔缺陷情況下信號(hào)的最大峰值為A1，按照波譜峰值比計(jì)算公式：

得出波譜峰值比與孔洞直徑尺寸的回歸關(guān)系如圖8所示，其表達(dá)式為：y=-0.2902x+0.2877.對(duì)穿孔缺陷所在傳播路徑與掃查直線交點(diǎn)及附近20個(gè)樣本點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)取峰值并進(jìn)行平均，得出在有無(wú)穿孔缺陷情況下相同位置不同直徑的穿孔缺陷信號(hào)的衰減關(guān)系.由圖8可以看出，當(dāng)穿孔缺陷直徑為0.1 mm時(shí)，最大峰值比約為0.27，說(shuō)明在有穿孔缺陷的情況下，超聲導(dǎo)波的峰值損失超過(guò)70%.這表明了這種方法對(duì)缺陷的很敏感，在即使穿孔比較小，也可檢出.當(dāng)穿孔缺陷直徑在0.5 mm以下時(shí)，最大峰值比小于0.1，且隨著穿孔缺陷直徑達(dá)到0.7 mm時(shí)，最大峰值比遠(yuǎn)小于0.1.在對(duì)距離引起的衰減進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，排除與穿孔距離相關(guān)的信號(hào)衰減后，超聲導(dǎo)波信號(hào)衰減與缺陷大小有關(guān)，穿孔缺陷越大，信號(hào)的衰減比例越大.

圖8 波譜峰值比與穿孔直徑尺寸的回歸曲線

2.3 不同位置不同直徑的穿孔缺陷檢測(cè)

在前述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在原本的缺陷所在直線不同位置上，設(shè)置不同直徑的穿孔缺陷.再一次在距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm處直線進(jìn)行掃查.通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此方法的有效性.

如圖9所示，在距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm處對(duì)距離坐標(biāo)原點(diǎn)200 mm處直線上不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行掃查，缺陷直徑分別為1.0、0.5、0.3、0.1、0.1 mm.并與無(wú)穿孔缺陷情況下的掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出最大峰值比.

圖9 不同位置不同穿孔直徑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)圖

樣本點(diǎn)的信號(hào)波形在圖10中所示.對(duì)穿孔缺陷所在傳播路徑與掃查直線交點(diǎn)及附近20個(gè)樣本點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)取峰值并進(jìn)行陽(yáng)極鋁箔中超聲導(dǎo)波固有衰減補(bǔ)償與位置相關(guān)補(bǔ)償，計(jì)算出在有無(wú)穿孔缺陷情況下不同位置不同直徑的穿孔缺陷信號(hào)的衰減關(guān)系.

圖10 不同位置不同穿孔直徑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)波列圖

經(jīng)計(jì)算，坐標(biāo)分別為（200，-85）mm和（200，-100）mm的直徑0.1 mm的穿孔缺陷對(duì)應(yīng)的波譜峰值比分別為0.292 3和 0.274 7，直徑 0.5 mm 穿孔缺陷幅值衰減為 0.154 2，直徑接近1 mm的穿孔缺陷，波譜峰值比0.092 4，小于0.1.結(jié)果經(jīng)過(guò)查對(duì)“衰減標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(kù)”和“穿孔缺陷直徑與衰減比回歸曲線”，可以確定穿孔缺陷的直徑與大致位置，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文運(yùn)用超聲導(dǎo)波檢測(cè)陽(yáng)極腐蝕箔穿孔缺陷的可行性.

3 結(jié)論與展望

本文建立了一種基于超聲導(dǎo)波的陽(yáng)極鋁箔進(jìn)行穿孔缺陷檢測(cè)方法，運(yùn)用此方法在陽(yáng)極腐蝕箔上開展了一系列的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究.首先對(duì)超聲導(dǎo)波在陽(yáng)極鋁箔傳播中的衰減進(jìn)行了標(biāo)定，繪制了鋁箔中的超聲導(dǎo)波幅值衰減曲線，并建立了距離相關(guān)幅值衰減補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù).其次對(duì)陽(yáng)極鋁箔上相同位置不同直徑穿孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出不同穿孔缺陷直徑對(duì)應(yīng)的超聲導(dǎo)波衰減值，建立不同直徑穿孔缺陷于超聲導(dǎo)波衰減值的回歸關(guān)系.最后，對(duì)陽(yáng)極鋁箔上不同位置不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，成功檢測(cè)出了缺陷，并判斷了缺陷大小.

本文首次將超聲導(dǎo)波應(yīng)用到陽(yáng)極鋁箔微穿孔的缺陷檢測(cè)中，并取得了較好的效果，為此方法后續(xù)的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ).由于條件的限制仍然有些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，后續(xù)將繼續(xù)研究不同激勵(lì)模態(tài)、不同激發(fā)頻率等影響因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響.