裂紋深度的激光超聲透射瑞利波定量檢測(cè)

關(guān)鍵詞： 激光超聲; 變分模態(tài)分解; 透射瑞利波; 定量檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TB9; TG115.285; TH878 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0140–08

0引言

增材制造（additive manufacturing，AM）是一種利用材料的逐層累積把數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為三維實(shí)體零件的先進(jìn)制造技術(shù)[1-2]，激光超聲檢測(cè)技術(shù)是一種利用激光激勵(lì)并接收超聲的先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[3-6]，具有非接觸、可遠(yuǎn)程檢測(cè)和高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。由金屬增材制造獲得的材料通常不具備較優(yōu)的塑性和韌性，較易出現(xiàn)裂紋缺陷[7]，且金屬增材件的表面裂紋深度小，對(duì)其檢測(cè)需避免破壞表面質(zhì)量，故激光超聲檢測(cè)技術(shù)是對(duì)金屬增材件進(jìn)行高精度的無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)質(zhì)選擇。

目前眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光超聲缺陷定量檢測(cè)開(kāi)展了研究工作，通常采用反射法進(jìn)行缺陷檢測(cè)[8]，研究表面波與缺陷相互作用后激光超聲信號(hào)的特征信息與缺陷的變化關(guān)系，通過(guò)變化趨勢(shì)或擬合公式對(duì)缺陷進(jìn)行定量表征。Cerniglia等[9] 采用激光超聲技術(shù)檢測(cè)鎳基合金的近表面缺陷，可檢出深度0.8mm的孔缺陷，但是其可檢深度受限于孔缺陷尺寸引起的反射波能量大小。Guo等[10]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)探究裂紋反射表面波最大振幅和中心頻率與缺陷深度的關(guān)系，張思思等[11] 推算鋁板激光超聲信號(hào)的實(shí)際能量值和缺陷深度的關(guān)系式，反演誤差在20% 以下，但這兩者的研究中接收源采用表面波探頭與試件耦合，并非真正意義上的激光超聲非接觸檢測(cè)，且未考慮收發(fā)異側(cè)時(shí)缺陷深度的可檢能力。唐又紅等[12] 在裂紋深度1～5 mm 的20#鋼上驗(yàn)證所提的裂紋深度定量公式的精確性，誤差不超過(guò)7%，但是在低信噪比的信號(hào)中較難準(zhǔn)確提取定量公式中的底面反射橫波分量及其時(shí)間。前人研究為了獲取高品質(zhì)信號(hào)而采用接觸式探頭接收信號(hào)，其仍是接觸式檢測(cè)，將受限于無(wú)法放置探頭的檢測(cè)場(chǎng)合，同時(shí)對(duì)缺陷的檢測(cè)采用反射法獲得缺陷反射信號(hào)，對(duì)于透射模式下的檢測(cè)研究尚處在仿真階段，劉輝等[13] 和鄧進(jìn)等[14] 仿真結(jié)果可作為理想情況下的參考，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究不足。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，利用非接觸檢測(cè)手段，以透射瑞利波為主要研究對(duì)象，因?yàn)橥干淙鹄ㄍ窘?jīng)裂紋深度區(qū)域，所以會(huì)攜帶裂紋深度的信息，裂紋深度的細(xì)微變化會(huì)導(dǎo)致信號(hào)特征的明顯差別，再由接收源檢測(cè)到透射瑞利波信號(hào)，后續(xù)可以實(shí)現(xiàn)裂紋深度特征的提取分析。通過(guò)建立TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值與裂紋深度之間的函數(shù)模型，對(duì)金屬增材件的表面裂紋深度進(jìn)行定量檢測(cè)。首先將變分模態(tài)分解這一信號(hào)處理方法與激光超聲檢測(cè)相結(jié)合，從不同裂紋深度的激光超聲信號(hào)中提取攜帶裂紋信息的透射瑞利波。然后在透射瑞利波中提取三個(gè)維度的特征信息，探究三個(gè)維度特征信息與裂紋深度之間的變化規(guī)律。最后利用TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值與裂紋深度之間的函數(shù)模型實(shí)現(xiàn)裂紋深度0.2～0.4 mm 的定量檢測(cè)。本文相較于前人的研究，實(shí)現(xiàn)真正意義上的非接觸檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多模態(tài)激光超聲信號(hào)的單一模態(tài)提取，彌補(bǔ)了激光超聲技術(shù)在透射模式下檢測(cè)研究的欠缺，可為激光超聲技術(shù)服務(wù)于金屬增材件的定量檢測(cè)提供新思路。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方案

1.1激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)和試塊

激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要集成了激勵(lì)源、接收源、移動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)和信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中，激勵(lì)源核心器件包括激勵(lì)脈沖激光器和激光控制器，激勵(lì)脈沖激光器采用Quantel的固體Nd：YAG脈沖激光器，波長(zhǎng)1064nm，脈寬8ns，重復(fù)頻率20Hz。接收源核心器件包括接收光纖激光器、分光器和雙波混合干涉儀。接收光纖激光器波長(zhǎng)532nm，最大功率10W。移動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)包括機(jī)械臂和探頭組機(jī)構(gòu)，探頭組機(jī)構(gòu)固定有激勵(lì)探頭和接收探頭，通過(guò)機(jī)械臂的移動(dòng)帶動(dòng)探頭組機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)范圍掃查。帶寬125MHz 的PXI-5114數(shù)據(jù)采集卡用以收集攜帶表面振動(dòng)信息的信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)試塊采用Fronius VR 1550送絲機(jī)搭配CMT Advanced 4000R焊接電源加工的增材制造鋁合金2319試塊，表面經(jīng)打磨處理，表面粗糙度輪廓算術(shù)平均偏差為0.4μm。在實(shí)驗(yàn)試塊上人工預(yù)設(shè)按梯度變化的不同深度的裂紋，實(shí)驗(yàn)試塊如圖2 所示， A、B、C裂紋的尺寸（ 長(zhǎng)×寬×深） 分別為20mm×0.1mm×0.2mm、10mm×0.1mm×0.3mm、10mm×0.1mm×0.4 mm。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

使用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)采集激光超聲信號(hào)，對(duì)圖2中的3種不同裂紋深度的增材制件鋁試塊的激光超聲信號(hào)特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)圖3。采用激勵(lì)源和接收源在裂紋異側(cè)的方式進(jìn)行掃查，激勵(lì)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的收發(fā)距離保持不變，沿掃查方向進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)接收。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

2結(jié)果與分析

2.1原始信號(hào)分析

獲取裂紋深度0.2mm，0.3mm 和0.4mm 的增材制件鋁試塊信號(hào)B掃三維圖，如圖4 所示。

從圖4可以看出，裂紋深度的不同導(dǎo)致激光超聲信號(hào)中呈現(xiàn)紅色的波峰值和藍(lán)色的波谷值有不同的變化。下面對(duì)激光超聲信號(hào)的模態(tài)進(jìn)行分析，分析各模態(tài)波的分布和到達(dá)時(shí)間。裂紋處各模態(tài)波的傳播路徑如圖5（a）所示[15]，當(dāng)激勵(lì)源激發(fā)出表面波，有透射瑞利波信號(hào)TR 直達(dá)接收源。表面波沿試塊表面?zhèn)鞑ブ亮鸭y處時(shí)，部分能量被反射，還有一部分能量沿著裂紋內(nèi)壁繼續(xù)傳播，在裂紋底部尖端處發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，模式轉(zhuǎn)換波繼續(xù)沿裂紋內(nèi)壁和試塊表面?zhèn)鞑ブ两邮赵?，此情況下有透射瑞利波信號(hào)TR1，表面波轉(zhuǎn)換為縱波TL1、表面波轉(zhuǎn)換為橫波TS1。還有模式轉(zhuǎn)換波從試塊內(nèi)部傳播至接收源，此情況下有表面波轉(zhuǎn)換為縱波TL2、表面波轉(zhuǎn)換為橫波TS2。同時(shí)激勵(lì)源會(huì)激發(fā)出縱波在試塊內(nèi)部傳播，經(jīng)底面反射后傳至接收源，此情況下有底面一次反射縱波2L 以及底面多次反射縱波4L、6L 等。底面反射縱波的傳播路徑如圖5（b）所示。

結(jié)合圖5，對(duì)裂紋深度0.3mm的信號(hào)進(jìn)行研究。根據(jù)以下各式計(jì)算各模態(tài)波的到達(dá)時(shí)間：

從圖4看出，裂紋深度不同，B掃圖中4.4μs附近的波峰值和波谷值變化趨勢(shì)不同。選取不同深度的一組無(wú)裂紋處信號(hào)和裂紋處信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，如圖7 所示。從圖7（a）、（c）、（e） 的時(shí)域信號(hào)看出，與無(wú)裂紋處信號(hào)的波形相比，裂紋處信號(hào)的透射瑞利波形成分有明顯的變化，原因是：當(dāng)掃查連線(xiàn)經(jīng)過(guò)裂紋區(qū)域時(shí)，表面波的一部分被裂紋反射，一部分透過(guò)裂紋區(qū)域抵達(dá)接收點(diǎn)，TR 透射瑞利波由于損失了能量導(dǎo)致幅值衰減，從而TR 透射瑞利波峰峰值降低，且深度越大，損失的能量越多，峰峰值降低幅度越大。注意到有裂紋存在時(shí)，在5.01 μs附近新出現(xiàn)了第二個(gè)波峰，根據(jù)上文各模態(tài)波的到達(dá)時(shí)間公式以及不同裂紋深度產(chǎn)生的波谷時(shí)延，推斷此為T(mén)R1 透射瑞利波的波峰。從圖7（b）、（d）、（f）的時(shí)域信號(hào)頻譜看出，裂紋處信號(hào)相比于無(wú)裂紋處信號(hào)的高頻成分有所減少，且深度越大，減少的高頻成分越多。原因是：當(dāng)裂紋深度增加時(shí)，原本能途經(jīng)裂紋內(nèi)壁繼續(xù)向前傳播的波長(zhǎng)較短的透射瑞利波轉(zhuǎn)換為反射回波，即高頻的透射瑞利波成分無(wú)法被接收源探測(cè)到，導(dǎo)致頻譜圖中高頻成分有所減少。

上述對(duì)信號(hào)的時(shí)域和頻域變化的分析，為后文多維特征信息的選取類(lèi)型提供了理論參考。

2.2裂紋深度與多維特征變化規(guī)律分析

激光超聲信號(hào)中各模態(tài)波的頻率分布存在差異性，可將其作為可分性依據(jù)，而變分模態(tài)分解算法能夠利用信號(hào)的頻域特征自適應(yīng)分離，將原信號(hào)分解成一組中心頻率不同的模態(tài)分量，故將變分模態(tài)分解應(yīng)用于激光超聲的多模態(tài)信號(hào)，能夠有效地提取攜帶裂紋信息的透射瑞利波模態(tài)。對(duì)圖7（a）、（c）、（e） 的不同深度的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解。原始時(shí)域信號(hào)包含縱波、透射瑞利波、模式轉(zhuǎn)換波多種模態(tài)，在變分模態(tài)分解的模態(tài)數(shù)量K取4時(shí)，所得IMF4分量能夠最佳地表征表面波，故將IMF4選取為后續(xù)探究所需的透射瑞利波，不同裂紋深度變分模態(tài)分解后所得透射瑞利波如圖8 所示。

對(duì)圖8的不同裂紋深度信號(hào)VMD后得到的透射瑞利波進(jìn)行傅里葉變換得到歸一化頻譜，如圖9所示?？梢钥闯觯c無(wú)裂紋信號(hào)的透射瑞利波頻譜相比，有裂紋信號(hào)的透射瑞利波的高頻成分明顯減少。隨著裂紋深度的增加，透射瑞利波的頻譜主體向低頻處搬移，頻帶寬度逐漸減小。在透射瑞利波頻譜中設(shè)定處于頻率最大幅值的0.707倍且在最大幅值對(duì)應(yīng)頻率右側(cè)的頻率為高頻截止頻率，無(wú)裂紋、裂紋深度0.2、0.3、0.4mm 對(duì)應(yīng)的高頻截止頻率分別為2.638、2.504、1.897、1.509MHz，隨著裂紋深度的增加，高頻截止頻率逐漸降低。分析原因是：當(dāng)裂紋深度增加時(shí)，原本可以途經(jīng)裂紋內(nèi)壁繼續(xù)向前傳播的波長(zhǎng)較短的透射瑞利波被裂紋阻礙，在裂紋處轉(zhuǎn)換為反射回波，透射瑞利波中頻率較高即波長(zhǎng)較短的成分無(wú)法被接收源探測(cè)到，裂紋對(duì)透射瑞利波產(chǎn)生低通濾波的效果。

由于掃查的始末長(zhǎng)度比裂紋長(zhǎng)度更長(zhǎng)，故所得的大量時(shí)域信號(hào)包含了裂紋信號(hào)和無(wú)裂紋信號(hào)。對(duì)裂紋深度0.2mm 的240組時(shí)域信號(hào)、深度0.3 mm的140組時(shí)域信號(hào)、深度0.4mm的140組時(shí)域信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，均取IMF4 為透射瑞利波，得到裂紋深度0.2mm的240組透射瑞利波、深度0.3mm 的140組透射瑞利波、深度0.4mm的140組透射瑞利波，探究透射瑞利波的多維特征信息與裂紋深度之間的變化規(guī)律。

首先是TR透射瑞利波谷衰減系數(shù)分析。每種裂紋深度下，各取80組裂紋處的透射瑞利波和30組無(wú)裂紋處的透射瑞利波，計(jì)算80組裂紋處的透射瑞利波中TR 透射瑞利波谷絕對(duì)值的均值為b1，30組無(wú)裂紋處的透射瑞利波中TR 透射瑞利波谷絕對(duì)值的均值為b2，并定義b1與b2的比值為波谷衰減系數(shù)，獲取的數(shù)值信息見(jiàn)圖10。可以直觀(guān)看出，隨著裂紋深度的增加，TR 波谷絕對(duì)值均值呈現(xiàn)非線(xiàn)性單調(diào)遞減變化，波谷衰減系數(shù)也呈非線(xiàn)性單調(diào)遞減變化。

其次是透射系數(shù)分析。本文使用裂紋處TR1透射瑞利波峰峰值均值與無(wú)裂紋處TR 透射瑞利波峰峰值均值的比值作為透射系數(shù)。由于裂紋處TR1透射瑞利波攜帶了裂紋深度的信息，而無(wú)裂紋處TR 透射瑞利波是從激勵(lì)源直達(dá)接收源，故只與激勵(lì)接收的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和試塊表面質(zhì)量相關(guān)，本文實(shí)驗(yàn)均在相同條件下進(jìn)行，故TR 透射瑞利波基本不變。利用TR1峰峰值均值與TR 峰峰值均值的比值，使之在歸一化標(biāo)準(zhǔn)下處理數(shù)據(jù)，可以避免試塊表面質(zhì)量的差異引起的數(shù)值偏差。統(tǒng)計(jì)每種裂紋深度下，80組裂紋處的TR1透射瑞利波峰峰值的均值和30組無(wú)裂紋處TR 透射瑞利波峰峰值的均值，兩者的比值記為透射系數(shù)。圖11所示為裂紋深度與透射系數(shù)之間的變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著裂紋深度增加，裂紋處TR1透射瑞利波峰峰值均值減小，透射系數(shù)呈非線(xiàn)性單調(diào)下降趨勢(shì)。

最后是TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值分析。

統(tǒng)計(jì)每種裂紋深度下，80組裂紋處的TR1透射瑞利波峰對(duì)應(yīng)時(shí)間與TR1透射瑞利波谷對(duì)應(yīng)時(shí)間的差值，圖12所示為裂紋深度與TR1透射瑞利波峰峰時(shí)間差值之間的變化關(guān)系。隨著裂紋深度增加，TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值在增加，并且TR1透射瑞利波在波峰波谷轉(zhuǎn)折處斜率放緩，推知TR1 透射瑞利波主體向低頻變化。

2.3 表面裂紋深度定量檢測(cè)

由2.2節(jié)知，在遇到裂紋時(shí)，TR1透射瑞利波主體向低頻變化，TR1透射瑞利波峰峰時(shí)間差值呈增大趨勢(shì)，要實(shí)現(xiàn)裂紋深度的定量檢測(cè)，可以建立裂紋深度與TR1透射瑞利波峰峰時(shí)間差值之間的函數(shù)關(guān)系模型。

據(jù)此函數(shù)模型可以對(duì)裂紋深度進(jìn)行定量檢測(cè)，僅需從超聲波信號(hào)獲取TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值t_d的數(shù)值，代入函數(shù)模型中即可求出裂紋深度值。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)函數(shù)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)不同裂紋深度分別進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)變分模態(tài)分解所得透射瑞利波中獲取TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值t_d的信息，代入式（7）求得對(duì)應(yīng)的裂紋深度值記為定量檢測(cè)結(jié)果，與實(shí)際裂紋深度比較誤差大小匯于表2，表中的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均是取絕對(duì)值的結(jié)果。

從表中可以看出，裂紋深度定量檢測(cè)結(jié)果有較好的精度，絕對(duì)誤差在35μm以?xún)?nèi)，最小絕對(duì)誤差為2μm，相對(duì)誤差不高于11%，驗(yàn)證了利用該函數(shù)模型進(jìn)行裂紋深度定量檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非接觸的金屬增材件裂紋深度檢測(cè)。首先探究了不同裂紋深度的透射瑞利波時(shí)域與頻域的變化規(guī)律，然后采用變分模態(tài)分解提取不同裂紋深度的激光超聲信號(hào)的透射瑞利波IMF4，從中提取“TR 透射瑞利波谷衰減系數(shù)”、“透射系數(shù)”和“TR1 透射瑞利波峰峰時(shí)間差值”三個(gè)維度的特征信息，研究了其與裂紋深度之間的變化規(guī)律，最后建立TR1透射瑞利波峰峰時(shí)間差值與裂紋深度之間的函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)裂紋深度0.2～0.4mm 的定量檢測(cè)，絕對(duì)誤差在35μm以?xún)?nèi)，最小絕對(duì)誤差為2μm，相對(duì)誤差不高于11%，驗(yàn)證了該函數(shù)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)增材制件表面裂紋深度的定量檢測(cè)精度高。本文相較于已有研究，進(jìn)行了真正意義上的非接觸檢測(cè)，解決了復(fù)雜多模態(tài)激光超聲信號(hào)的單一透射瑞利波模態(tài)提取問(wèn)題，完善了激光超聲技術(shù)在透射模式下的檢測(cè)應(yīng)用研究。由于本文是對(duì)具有一定板厚的試件進(jìn)行檢測(cè)，其板厚遠(yuǎn)大于激發(fā)的超聲波波長(zhǎng)，所以下一步的研究方向是探究在金屬增材件厚度與激發(fā)波長(zhǎng)相近情形下透射信號(hào)用于裂紋深度檢測(cè)的可行性。