表面裂纹深度和取向的临界折射纵波检测

孟亦圆，林 莉，罗忠兵

(大连理工大学 无损检测研究所，大连 116024)

构件表面的载荷条件往往非常复杂，是常见的裂纹形核区，若能及时发现表面裂纹，并准确辨别其尺寸和取向信息，可为结构承载性能和服役可靠性评估提供有效保障，避免灾难性事故的发生。因此，发展针对表面裂纹的无损检测技术十分迫切。

针对表面缺陷的声学检测方法主要有表面波和超声导波技术。表面波由于平行于构件表面传播，在表面裂纹检测中具有明显优势，已被用于航空航天、轨道交通等重要的工程领域[1]。超声导波在传播时具有累积效应且衰减小，在薄板和管道表面裂纹检测方面也具有一定的优势[2]。近年来，临界折射纵波(LCR) 受到广泛关注，其是一种以第一临界角入射，平行于试件表面传播的纵波，适用于工程构件的现场检测[3]。LCR波能量渗透深度可达1.5～1.8倍波长，可覆盖表面及更大深度范围[4]，已被用于金属及非金属的残余应力检测及早期力学损伤评价中[5-7]。在宏观缺陷检测方面，DJERIR等[8]通过接收LCR波幅值来辨别铝块表面的开口槽，对应检测深度为5～10 mm。田方园等[9]以深度为0.5～2.5 mm，与声束方向具有不同夹角的垂直表面裂纹为对象，研究了对应LCR波幅值的变化规律，发现LCR波幅值随裂纹深度、角度的增加而逐渐减小，说明LCR波在表面裂纹检测方面有较大潜力。需要指出的是，影响裂纹检测的因素较多，裂纹取向、深度等对LCR波特征参量的影响规律尚未明确，不同参量的关联关系及裂纹的声学响应机制仍需进一步明确。

以带有不同深度、取向表面裂纹的碳钢试块为研究对象，基于LCR波检测方法分析裂纹深度、取向对波形特征的影响规律，探讨基于信号幅值和B扫描成像的裂纹表征方法。

1 检测原理及检测方案

1.1 LCR波基本原理

超声波在异质界面发生的折射和反射如图1所示，当一束超声纵波倾斜入射至两种不同材料界面时，一部分能量反射回介质Ⅰ，另一部分能量折射进入介质Ⅱ。由于界面声阻抗差异，介质Ⅱ中将同时出现折射纵波和横波，相应的折射角与入射角的关系符合Snell定律，即

图1 超声波在异质界面发生的折射和反射示意

(1)

式中：θ0为纵波在介质Ⅰ中的入射角；θl和θs分别为纵波和横波在介质Ⅱ中的折射角；vs为横波在介质Ⅱ中的声速；v0和vl分别为纵波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的声速。

因此，若vl>v0，则折射角大于入射角。当θl=90°时，相应的入射角θ0即为第一临界角，记为θCR，则有

θCR=arcsin(v0/vl)

(2)

此时折射纵波即为LCR波。裂纹表面LCR波检测原理如图2所示，试验所用有机玻璃楔块和碳钢中的纵波声速分别为2 730 m·s-1和5 930 m·s-1，经计算θCR为27.4°。

图2 表面裂纹LCR波检测原理示意

1.2 检测方案

选用两块相同的碳钢作为试验材料，厚度为55 mm，采用线切割方式分别加工垂直表面开口型裂纹与倾斜于表面的开口型裂纹，裂纹宽度均为0.2 mm，其中倾斜裂纹透壁长度均为10 mm，垂直表面开口裂纹长度分别为1，2，4，8 mm,表面裂纹缺陷位置如图3所示。采用相同规格的A542S-SM型超声探头发射和接收LCR波，其中心频率为2.25 MHz，采用5800PR型超声脉冲发射接收器激励超声探头，采用DPO 4032型数字示波器采集时域波形数据。超声波倾斜入射至“楔块/试样”界面，折射后在试样内部产生的LCR波平行于试样表面传播至接收探头。采用Omniscan MX2型超声检测仪对试件表面进行B扫描成像，其中LCR波发射接收探头沿x方向摆放，裂纹与x负方向夹角为θ。检测时以0.1 mm为步进沿x方向扫描，移动过程中以恒定压力保证探头与试样间的良好耦合，数据采集模块采样频率为100 MHz。

图3 表面裂纹缺陷位置示意

2 回波信号特征分析

图4(a)为深度0～8 mm表面垂直裂纹对应的LCR波时域信号波形，可见随裂纹深度h增大，LCR波幅值逐渐减小，且到达时间刻延后。这是因为表面裂纹会遮挡LCR波，裂纹深度越大，遮挡效果越明显，透射能量随之降低。同时，LCR波需要越过裂纹底部才能够被接收到，传播距离增大，致使其到达时间刻延后。图4(b)为长度为10 mm，取向角θ为0°～180°的表面倾斜裂纹对应的LCR波时域信号波形，可见随着θ增大，LCR波幅值先减小后增大，到达时刻先延后再提前，其中θ为90°时波幅最小，到达时间最长。

图4 LCR波时域信号波形

测量每种状态下的LCR波幅值，根据式(3)进行归一化处理[7]。

Anor=AN/A0

(3)

式中:Anor为归一化幅值;AN为不同裂纹状态的LCR波幅;A0为无缺陷状态的LCR波幅。

得到的LCR波归一化幅值随裂纹深度的变化曲线如图5所示。由图5可知，随h增大，Anor逐渐减小，h为8 mm时Anor降至20%。定量表征Anor与h的关系，得到拟合关系如下

Anor=0.009h2-0.165h+0.942

(4)

当裂纹长度不变只改变θ，得到的归一化幅值与裂纹倾角的关系曲线如图6所示。由图6可见，随θ增大，Anor先减小后增大；θ由0°增至90°过程中，Anor迅速下降后缓慢降低，θ=90°时降幅达82%，而后随θ增至180°，Anor呈增速上升趋势。对比图5，Anor随θ呈近似抛物线变化，对称轴位于90°位置。此时，对称轴两侧的h是相等的，而θ相对于LCR波传播方向而言并不相同，说明h应该是Anor的决定因素，下面进一步加以讨论。

图5 LCR波归一化幅值随表面裂纹深度的变化曲线

图6 LCR波归一化幅值随表面裂纹倾角的变化曲线

根据倾斜裂纹与裂纹深度的几何关系有

h=10×sinθ

(5)

通过计算出每个倾斜裂纹垂直于表面的深度h，绘制其对应点(Anor,h)与垂直裂纹测试所得拟合关系曲线(见图7)。计算试验点与拟合模型的决定系数R2与均方根误差分别为0.7和0.06，与原关系曲线拟合程度较高，且预测值与真实值偏差较小，证明LCR波传播过程中裂纹倾角的影响主要体现在相对应裂纹深度对LCR波能量的遮挡作用上，裂纹取向本身作用较小。因此基于LCR波幅法可以辨别裂纹的深度差异，但对深度相同、取向不同的裂纹区分度不高，难以表征裂纹的取向。

图7 LCR波归一化幅值Anor随裂纹深度h的变化曲线

3 表面裂纹LCR波B扫描成像

为了更加直观高效地表征表面裂纹信息，提高检测可靠性和效率，进一步利用LCR波B扫描成像特征来判定裂纹深度和取向差异，LCR波B扫描成像结果如图8所示。图8(a)所示垂直裂纹成像结果中，从左至右的深度h依次为8,4,2,1 mm，最上端为LCR波，无缺陷位置在深度平面上基本成一条直线。当检测到表面裂纹时，LCR波并不断开，仅仅因传播时间延长而下沉，下沉深度与探头间距有关。每个裂纹下端都有相对于裂纹中心对称的弧状衍射波，幅值较LCR波弱。随h增加，LCR波下沉段深度增加，幅值减小，同时弧状衍射带深度也逐渐变大，幅值逐渐变小。图8(b)所示倾斜裂纹成像结果中，从左至右对应的θ依次为15°，30°，45°，60°，75°，90°，相比于垂直裂纹，倾斜裂纹LCR波下沉段为倾斜状态，倾角随θ增加而增大，但开口方向与试块中裂纹开口方向恰好相反。将图8(b)中裂纹下端两弧状条带交汇点与裂纹中心连线偏离竖直方向的角度记为α，α随θ增大而减小。上述结论证实利用LCR波可实现表面裂纹的B扫描成像，能够清晰直观反映裂纹取向和深度信息。

图8 LCR波B扫描成像结果

4 结语

对碳钢试块中不同深度、取向表面裂纹的LCR波检测展开研究，得到的主要结论如下。

(1)LCR波归一化幅值随表面裂纹深度增加单调下降，与裂纹取向无关。

(2)LCR波传播过程受到表面裂纹的遮挡作用，并在裂纹尖端产生衍射。其中，裂纹深度直接影响遮挡效果，裂纹取向影响甚微。

(3) B扫描图像中LCR波及对应尖端衍射波能够清晰显示表面裂纹的位置和取向，适用于表面裂纹的精准表征。

本文获“奥林巴斯杯2021超声检测技术优秀论文评选”活动三等奖。