基于激光超声的电弧增材制件内部缺陷深度检测

时间：2024-07-28

袁久鑫秦训鹏张进朋汪小凯

武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉，430070

0 引言

增材制造技术是一种基于分层离散、逐层堆积的原理通过“自下而上”实现材料成形的新型制造方法[1]，它具有材料利用率高、成形效果好等优势[2]，解决了复杂结构零件快速制造的工艺瓶颈。

增材制造过程中，工件内部会产生孔隙、裂纹等缺陷，影响零件使用[3]，因此，对增材制造工件内部缺陷进行无损检测显得尤为重要。目前，增材制件无损检测主要通过常规超声、涡流等方式对成品工件进行离线检测[4]，发现缺陷后只能废弃，材料成本高，因此，增材制造在线检测技术需求迫切。激光超声作为一种新型无损检测方法，通过表面波检测表面缺陷，体波检测内部缺陷[5]，可以实现高灵敏非接触实时检测，满足增材制造内部缺陷检测需求。解社娟等[6-7]采用脉冲涡流/电磁超声方法，通过频谱分析、滤波、小波分析等方式对混合信号进行分离提取，检测出铝板表面和底部等缺陷。NILSSON等[8]利用 X 射线和超声涡流检测出 TC4 钛合金增材制件1 mm深度缺陷，该方法传感器要求高、检测深度浅。陈鹏辉[9]设计了电磁超声检测系统，检测出钛合金、铝合金材质增材制件内部缺陷，但该系统检测对象目前只能是非铁磁性材料，在增材制造领域应用还较为受限。陈帅等[10]采用线源激光超声扫查增材制件表面，实现增材试块表面缺陷宽度检测。吴尚子等[11]对不同粗糙度增材试块进行检测，揭示制件表面粗糙度对激光超声检测信号影响规律。王琛玮等[12]通过激光超声探究了316L不锈钢增材制件相同/不同温度下与普通锻件表面波速变化情况。从上述研究情况看出，涡流、电磁等方式在常规对象内部缺陷检测效果较好，增材制件内部缺陷检测还有局限性，而激光超声技术对增材制件的检测主要集中在表面缺陷。因此，本文开展激光超声检测电弧增材制件内部缺陷研究。

由于增材制件表面质量差，故为保证检测结果准确，采用体波反射法和激发源、接收源同步移动方式进行检测，对比理论、仿真、实验，得到检测效果最好时的波形。同时，探究直径1 mm孔在不同深度对A扫幅值和B扫成像的影响规律，据此确定检测深度。

1 电弧增材制件激光超声检测仿真

1.1 光源添加理论基础

激光激发超声主要分为热弹机制与融蚀机制。热弹机制是固体表面吸收激光能量转化为热能后迅速升温形成热膨胀从而产生超声的过程；融蚀机制是激光能量增强，造成固体表面熔融并形成作用力后产生超声的过程[13]。本文基于热弹机制，将激光能量等效为固体表面热源输入。设定激光束为高斯分布，满足圆柱坐标系下热传导方程[13]：

ρcr[∂T(r,z,t)/∂t]=∂[rk∂T(r,z,t)/∂r]/∂r+r∂[k∂T(r,z,t)/∂r]/∂z+qr

(1)

式中，T(r,z,t)为固体中温度上升分布变化；q为材料吸收的激光功率密度；r为激光半径，ρ、c、k分别为材料密度、质量热容和热导率；t为时间；z为纵坐标。

由于增材制件所用材料基本为金属材料，故可将上表面的边界条件[13]改为

-k∂T(r,z,t)/∂z|z=0=I0A(T)f(x)g(t)

(2)

(3)

(4)

g(t)=exp(-t/t0)t/t0

(5)

式中，A(T)为材料对光的吸收率，在仿真中假设激光能量全部被材料吸收，即A(T)=1；I0为入射激光功率密度；f(x)、g(t)分别为激光脉冲的空间分布与时间分布；E为激光能量；Ra为光源半径；t0为激光上升时间；x0为光源位置。

在热弹机制下，材料产生的热膨胀还会形成温度梯度，进而引起应力应变过程。由演变的应力产生瞬态位移场，满足如下方程[14]：

(λ+2u)(·U)-u××U-α(3λ+2u)·

(6)

式中，U(r,z,t)为瞬态位移；λ、u为Lame常数；α为热膨胀系数。

根据式(2)～式(5)，进行待测试块有限元建模。由于电弧增材试块表面粗糙，为了保证仿真模型还原度，首先进行试块表面轮廓获取。

1.2 试块表面轮廓提取

用电弧增材方式制作试块，焊接参数见表1，试块长80 mm、宽60 mm、高30 mm，电弧增材试块见图1。采用三维扫描仪对试块进行三维数字化重构，得到试块的点云模型，经Geomagic软件处理后，选取曲线贴合模型表面，在距边界5 mm处(后续实验激光超声扫查位置)提取轮廓点数据，提取精度为0.01 mm，如图2所示。将提取的数据点绘制成表面轮廓线，如图3所示。

表1 焊接参数

图1 电弧增材试块Fig.1 Arc additive test block

图2 试块轮廓提取Fig.2 Block contour extraction

图3 增材试块表面轮廓线Fig.3 Surface profile of additive test block

在检测过程中，激发光与接收光只会在试块上表面进行扫查，因此简化左右表面轮廓线，在COMSOL仿真软件中绘制二维有限元模型(底长80 mm、高30 mm)，上表面轮廓取1～81 mm位置长度，同时，在试块侧面从左到右钻4个φ1 mm横孔，小孔距离上表面依次为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，孔间的距离和到边界距离为16 mm，如图4所示。在有限元模型中建立缺陷，设置仿真参数，激光脉冲上升时间10 ns，激光能量50 mJ，光源半径0.2 mm，为了保证仿真效率和结果正确，采用变网格法，选用三角形网格，上表面和缺陷区域网格最大单元0.2 mm、最小单元0.02 μm，试块下半部分网格最大单元0.8 mm、最小单元0.4 μm，模型及网格划分见图5、图6。

图4 电弧增材试块人造缺陷Fig.4 Artificial defect of arc additive test block

图5 有限元模型Fig.5 Finite element model

图6 网格划分示意图Fig.6 Schematic diagram of grid division

电弧增材试块采用焊丝为H08Mn2Si低合金碳钢，查阅资料，计算时所需参数如表2所示。

表2 电弧增材试块焊丝材料参数

1.3 超声传播声速测量

由于超声在不同材料中的传播速度不同，故为减小缺陷反射波到达时间误差，进行试块声速测量实验，得到所用焊丝的声波传递速度。

图7 声速测量实验Fig.7 Sound velocity measurement experiment

激光激发器为泵浦调Q Nd:YAG激光器，波长1 064 nm，脉冲能量50 mJ，脉冲频率50 Hz，脉冲时间10 ns，激光接收器波长532 nm，检测带宽1～100 MHz，焦距200 mm，反射镜调整光路，透镜聚焦激光。为保证信号强度，固定激光激发源与信号接收源距离L=5 mm，进行声速测量，得到无缺陷情况A扫波形，如图8所示。

图8 声速测量A扫波形Fig.8 The sound velocity measures the A sweep waveform

根据实验结果，在无缺陷的情况下，A扫波形只出现掠面纵波与表面波，与理论情况相符。读取掠面纵波与表面波出现时间，即tL=0.8 μs和tR=1.75 μs，结合声速比例关系，计算超声纵波声速vL、横波声速vS、表面波声速vR分别为

vL=L/tL=5 mm/0.8 μs≈6 250 m/s

(7)

vS=vL/1.8=6 250/1.8≈3 472 m/s

(8)

vR=L/tR=5 mm/1.75 μs≈2 857 m/s

(9)

1.4 仿真与结果分析

激光超声内部缺陷检测方法主要包含反射法和透射法。透射法在增材制造实际检测中比较困难，故不采用；反射法检测包含底面反射信号经过内部缺陷衰减(图9)和内部缺陷对信号直接反射(图10)两种检测方法[17]，由于电弧增材试块表面质量差，采用反射信号衰减法可能无法检测到信号，故采用缺陷直接反射法进行检测。

(a) 传播过程

(b) A扫波形

基于缺陷直接反射法，当激光照射固体表面后，形成表面纵波LR和表面波R，传向材料内部的纵波L和横波S遇到缺陷后，发生反射的波会出现模式转换，分别为纵波转纵波(LL)、转横波(LS)，横波转纵波(SL)、转横波(SS)[18]。

由于激发源与接收源作用在材料表面位置不变，缺陷位置不变，故纵波横波入射路径h1和反射路径h2不变，传播路径如图10所示。依据超声波的波速，模式转换下的超声到达时间tLL、tLS、tSL、tSS可分别表示为

tLL=h1/vL+h2/vL

(10)

tLS=h1/vL+h2/vS

(11)

tSL=h1/vS+h2/vL

(12)

tSS=h1/vS+h2/vS

(13)

(a) 传播过程

(b) A扫波形

当h1=h2时，缺陷处于激发源与接收源中间位置，如图11所示。此时tLS=tSL，两种波同时到达，推测在此种情况下接收信号会得到增强，故在仿真模型中选择此位置添加激发源与探测点，依次对4个孔缺陷进行激光超声检测仿真，激发源与接收源距离M设置为5 mm，保证与声速测量时一致。图12所示为超声波在试块内部传递仿真情况。

图11 激发源接收点关于缺陷对称Fig.11 The excitation source receiving point is symmetric about the defect

(a) 缺陷深度4 mm

(b) 缺陷深度6 mm

(d) 缺陷深度10 mm图12 激光超声在电弧增材试块中超声场仿真结果Fig.12 Ultrasonic simulation results of laser ultrasonic in arc additive test block

将仿真得到的探测点数据按缺陷深度变化绘制出A扫图，见图13。观察得到，在缺陷深度为4 mm、6 mm、8 mm时，出现掠面纵波、表面波以及缺陷反射波，随着深度增大，缺陷反射波幅值减小，在缺陷深度为10 mm时无法观察到缺陷反射波，通过超声在试块内部传播仿真图也可以看出，深度为10 mm时，缺陷反射波很微弱，证明在缺陷深度10 mm位置时，已无法正常检测增材试块内部缺陷。读取深度4 mm、6 mm、8 mm缺陷反射波到达的时间，分别大约在2.4 μs、2.9 μs、3.7 μs，根据图11超声传播路径计算缺陷反射波到达理论时间。

(1)缺陷深度为4 mm时，有

(14)

(2)缺陷深度为6 mm时，有

(15)

(a) 缺陷深度4 mm

(b) 缺陷深度6 mm

(d) 缺陷深度10 mm图13 激发源接收点对称时A扫仿真结果Fig.13 Simulation results of A sweep when the excitation source receiving point is symmetric

(3)缺陷深度为8 mm时，有

(16)

缺陷深度为10 mm处仿真未出现缺陷反射波，故不计算其理论值。理论时间计算的波形为LS波与SL波，对比理论时间与仿真时间，两者时间基本重合，仿真正确，证明在h1=h2时可实现增材试块内部缺陷检测且效果明显。

2 电弧增材制件内部缺陷检测实验

2.1 缺陷检测扫查方法

基于仿真结果开展电弧增材试块激光超声内部缺陷激光超声扫查实验，对比LS波与SL波在成像结果中的差异，探究不同深度缺陷对成像结果的影响。扫查方式分为激发源接收源相对移动与激发源接收源同步移动，实验原理如图14、图15所示。

图14 相对移动扫查原理图Fig.14 Relative motion scanning schematic

图15 同步移动扫查原理图Fig.15 Synchronous motion scanning schematic

探究两者在增材试块内部缺陷的检测中B扫成像效果，进行对比实验，实验参数如表3所示。在相对移动扫查方式中，固定激发源，接收源移动10 mm；在同步移动扫查方式中，固定激发源与接收源间距5 mm，同步移动10 mm。考虑缺陷深度浅、幅值大，为更好地看出两种扫查方式区别，对深度4 mm的缺陷进行实验，实验过程见图16，结果见图17。

表3 扫查实验参数

(a) 相对移动扫查

(b) 同步移动扫查

由图17可以看出，采用相对移动扫查方式检测时，B扫图无法观察到电弧增材试块内部缺陷反射波，原因应是受增材试块表面质量影响，干涉仪接收缺陷反射信号时存在波动，随着两者间距增大，内部缺陷反射波到达接收点距离增大，反射波幅值减小，导致无法正常成像；而采用同步移动扫查方式检测时，虽然图中波形比较混乱，但能观察到缺陷反射波的成像。

(a) 激发源接收点相对移动

(b) 激发源接收点同步移动图17 缺陷深度为4 mm时两种方式B扫成像图对比Fig.17 B scan images of defect depth of 4 mm were compared by two methods

由此，确定采用同步移动扫查方式进行实验，固定激发源接收源间距为5 mm，利用二维扫查架夹持增材试块移动，移动步长为0.1 mm，对不同深度缺陷进行扫查，得到B扫描图(图18)。

从实验结果看出，采用激发源接受源同步移动的扫查方式可实现增材试块内部缺陷深度检测。

2.2 检测实验结果分析

扫查实验过程中，当移动到7.5 mm位置时，激发源与接收源位置对称且处于缺陷正上方，在此位置进行重复扫查，观察波形显示情况较好时提取超声数据，依次绘制出实验结果A扫描图(图19)。

从图19中看出，4组A扫数据在幅值最大值和信号表现方面存在一定差异。分析原因，增材试块焊道搭接使表面凹凸不平，当激发源和接收源移动到该位置时引起信号上下振荡，导致每一组A扫数据不完全相似。在缺陷深度为4 mm、6 mm、8 mm时分别出现掠面纵波、表面波、缺陷反射波，且缺陷反射波到达时间依次为2.5 μs、3.0 μs、3.7 μs左右，而缺陷深度10 mm无缺陷反射波。对比图12仿真，A扫实验结果与仿真结果、理论结果一致，证明实验的正确性。

(a) 缺陷深度4 mm

(b) 缺陷深度6 mm

(d) 缺陷深度10 mm图18 激发源接收点同步移动B扫实验结果Fig.18 Experimental results of receiving point synchronous B scan of excitation source

(a) 缺陷深度4 mm

(b) 缺陷深度6 mm

(d) 缺陷深度10 mm图19 激发源接收点对称时A扫实验结果Fig.19 Results of A scanning experiment when the receiving point of excitation is symmetric

在A扫图中判断缺陷位置利用LS波与SL波，由于两者到达时间相同，故无法分辨在B扫图中的成像波具体为哪一种，通过理论计算，绘制理论B扫图。激发源与接收源间距不变，掠面纵波LR与表面波R出现时间不变，即

(17)

设扫查架步进移动距离为X，缺陷深度为d，LL波、LS波、SL波、SS波出现的时间分别为

(18)

(19)

(20)

(21)

根据上述公式，绘制出不同缺陷深度的理论B扫图，见图20。

(a) 缺陷深度4 mm

(b) 缺陷深度6 mm

(d) 缺陷深度10 mm图20 不同缺陷深度激发源接收点同步移动B扫理论结果Fig.20 The result of B scan theory of receiving point synchronous movement of excitation source with different defect depth

对比理论与实验的B扫图，在缺陷深度为4 mm、6 mm、8 mm的图中，实验检测出的缺陷反射波与理论图中LS波(纵波转横波)形状一致，同时，理论图中LS波与SL有交叉，证明在此时两者时间相等，提取理论图交叉点与实验图7.5 mm处所对应横坐标时间，大约在2.4 μs、2.9 μs、3.7 μs处，与仿真相符，而在缺陷深度10 mm的图中，实验图中缺陷反射波比较微弱，与理论图中LS波相接近但存在差异，从仿真过程和幅值大小分析知道，在缺陷深度到达10 mm后，电弧增材制件内部缺陷的检测已存在误差。

A扫、B扫在实验、仿真、理论的对比分析表明，采用缺陷直接反射法与激发源接收源同步移动扫查方法可以实现激光超声对电弧增材制件内部缺陷检测，且利用此种方法检测时，采用LS波效果最好。