采用激光超声技术实现表面微损伤的尺寸测量*

李海洋， 王召巴， 潘强华

(1. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西太原 030051； 2. 中国特种设备检测研究院， 北京 100029)

高温、 高压和腐蚀等恶劣环境会对长期服役的金属构件造成不可逆转的损伤， 尤其金属材料表面微损伤， 不易检测但危害极大. 因此， 实现构件表面性能完好的安全监测是工业生产过程中必不可少的环节.

激光超声技术具有远距离、 非接触、 高灵敏度和宽频带等优点， 近年来得到了无损检测行业的广泛关注. 钱梦騄[1-2]分析了热弹机制下激光超声脉冲在自由界面和钳制界面的应力分布情况； 沈中华[3]研究了激光线源超声在薄膜-衬底系统中的产生， 给出了传播距离和薄膜厚度对声表面波的影响； 石一飞[4]研究了扫描激光源法检测板状和柱状金属材料表面微小微损伤的机理； 张建炎[5]分析了不同深度微损伤对激光超声表面波传播速度的影响； Dong[6]采用激光超声方法测量了铝合金试样的三阶弹性常数； Soltani[7]通过有限元仿真得到了激光产生超声时样品表面温度和位移分布， 分析了激光参数对声波激励的影响； Domarkas[8]根据裂纹共振效应实现微裂纹的宽度与深度测量； 李海洋[9-11]采用反射系数法实现了微裂深度与角度测量.

本文采用激光线源聚焦方式在待测样品中激发表面波， 并结合干涉接收方式实现声波信号的采集与接收， 进而实现了待测样品表面微损伤的宽度与深度测量. 主要内容包括： 搭建激光超声检测平台， 采用移动样品法， 完成待测样品表面微损伤处的透射与反射声信号以及B-scan成像采集； 根据微损伤处的声信号时域特征实现样品表面微损伤的宽度测量， 并结合微损伤处的临界频率现象， 进一步实现微损伤的深度检测.

1 光弹原理

激光照射到材料表面转化为热能， 导致材料局部区域温度升高形成热膨胀区域， 进而产生超声波在固体介质中传播. 当激光功率密度小于材料表面能量阈值107W/cm2时， 不会对材料造成损伤， 可实现完全无损的检测. 这种激光激发机制称为光弹原理， 可在材料表层激发出横波、 纵波和表面波， 其振动位移满足

μ2U(x,y,z,t)+(λ+μ)(T(x,y,z,t),

式中：U(x,y,z,t)代表t时刻的瞬态位移量；λ与μ是拉梅常数；β是热弹耦合系数；βT(x,y,z,t)是基于热梯度而形成的瞬态体力源；T(x,y,z,t)是样品内部t时刻的温度. 激光照射一次激发会产生表面波、 纵波和横波等多种波型声信号， 本文采用激光超声产生表面波完成试样表面微损伤的检测.

2 实验平台及样品

2.1 激光超声检测平台

本文采用热弹机制原理和线源聚焦方式， 搭建了激光超声检测平台. 该实验平台分为激发部分和信号采集部分， 其中激发部分采用CFR200激光发生器， 经焦距为100 mm的柱面透镜聚焦成线源， 照射到样品表面产生声表面波； 采集部分采用基于迈克尔逊干涉仪原理的QUARTET-500 mV激光超声探测仪实现样品表面声信号的非接触探测. 该激光超声检测平台配有扫查行程为250 mm*250 mm， 扫查分辨率为6 μm的自动扫查架， 并结合移动样品法完成待测样品的A扫信号与B-scan信号采集， 进而实现表面微损伤的宽度和深度测量. 实验框图和实验平台如图 1 所示.

图 1 激光超声实验框图与平台Fig.1 Experimental setup

2.2 实验样品

待测样品表面具有不同深度矩形槽形状的微损伤， 样品材质为A6061铝合金. 待测样品及损伤尺寸如图 2 所示， 对应样品微损伤深度如表 1 所示.

图 2 实验样品及尺寸Fig.2 Samples and their size

样品名称微损伤深度/mmA0.3B0.1C0.08

3 结果分析

3.1 B-Scan图分析

基于图 1 激光超声检测平台， 完成3块样品表面的B-Scan成像检测， 结果如图 3 所示.

图 3 B-Scan图Fig.3 B-Scan image

图 3 中①表示探测点位于微损伤处； ②表示激发点位于微损伤处； ①和②之间表示透射声信号. 对比(a)(b)(c)可看出在①②处发生散射现象， 并且透射声波幅值会随着表面微损伤深度变小而减小. 由图 3 的3块样品B-Scan图像可以很明显地确定微损伤位置， 但是无法测量微损伤几何尺寸， 需要对声信号进一步分析.

图 4 表面微损伤宽度测量Fig.4 Width measurement for micro-damage

3.2 表面微损伤宽度测量

随着样品的移动， 激光激发点与探测点在样品表面的位置会发生变化， 具体如图 4 所示. 当激发位于表面微损伤处时， 无法探测到激光激励的表面声波， 同理当接收点运动到表面微损伤处也会发生此现象. 根据探测到声波信号的幅值变化就可以测量表面微损伤的宽度.

本文激发点与探测点距离为15 mm， 探测表面直达波达到时间为5.6 μs， 此时声信号幅值与扫查距离之间的关系如图 5 所示.

图 5 扫查范围内信号幅值分布Fig.5 Amplitude distribution of scanning range

以图5(a)为例进行说明： ①是探测点位于表面微损伤处位置， ②是激发点位于表面微损伤处位置. 当激发点位于微损伤处时， ①②处声信号幅值会出现一个很大的衰减， 而这个衰减与微损伤的宽度有关. 由图5中数据读取3块样品表面微损伤宽度， 如表 2.

表 2 表面微损伤宽度

由图2(b)可知表面微损伤实际宽度为0.2 mm， 可见实验测量表面微损伤宽度与实际值相近， 采用激光超声检测技术可实现表面微损伤宽度的检测.

3.3 表面微损伤深度测量

表面波传播过程中与微损伤相互作用会发生反射、 透射现象， 如图 6 所示. 由文献[8]可知， 透射声波与发射声波的能量大小与表面损伤的深度有关， 因此， 可通过测量透射与反射声波能量的大小实现表面微损伤深度的测量.

图 6 透射与反射现象Fig.6 Transmission and reflection

本文对表面微损伤深度T=0.3 mm,T=0.1 mm以及T=0.08 mm样块的微损伤反射声表面波及透射声表面波进行阈值为db10的小波变换， 进行6层分解， 对每一层信号进行频谱变换， 再结合帕塞瓦尔定理， 得到不同频段信号随频率变化的能量曲线图， 如图 7 所示.a实线表示透射声表面波曲线，b实线表示微损伤反射声表面波曲线； 横坐标为频率(单位： MHz)， 纵坐标为能量值(单位： mJ).

图 7 透射/反射信号能量谱分布Fig.7 Energy distribution of transmission and reflection signal

图 7 中S表示原始信号频谱能量，d1的频率范围是8.34～16.67 MHz；d2的频率范围是4.17～8.34 MHz；d3的频率范围是2.08～4.17 MHz；d4的频率范围是1.04～2.08 MHz；d5的频率范围是0.52～1.04 MHz；d6的频率范围是0.26～0.52 MHz. (a)中S以d6层信号能量分布， 透射信号能量大于反射信号能量； 而在d1到d2层信号频谱能量的分布是反射信号能量大于透射信号能量， 发生这种变化

图 8 表面微损伤深度与对应波长关系图Fig.8 A relationship between depth and wavelength

的临界频率为2.60 MHz； 同理可求得(b)发生透射声信号与发射声信号能量变化的临界频率为7.60 MHz； (c)发生透射声信号与发射声信号能量发生变化的临界频率为9.50 MHz. 根据公式C=λε可计算临界频率对应的临界波长， 微损伤深度与波长如图 8 所示.

由图 8 可知表面微损伤深度与临界波长近似成线性关系， 且该近似直线斜率为4， 根据这一关系判断表面微损伤深度及误差， 如表 3 所示.

由此可知， 激光超声表面波遇到微损伤会造成透射声信号与反射声信号能量发生转换的现象， 采用发生转换现象的临界频率实现了表面微损伤的深度检测， 测量误差为6.33%.

表 3 实际测量微损伤深度及误差

4 结 论

本文根据热弹机制和干涉接收方式搭建了激光超声检测平台， 结合移动样品方法， 完成了待测样品的表面检测， 根据微损伤处的声信号时域与频域特征完成了样品表面微损伤的尺寸测量. 本文研究结果真实可靠， 可为激光超声检测技术的应用推广提供理论基础和试验方法.