田雪雪 趙紀(jì)元 盧秉恒 王 磊

西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所，西安，710049

0 引言

電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)作為一種金屬增材制造技術(shù)，因其沉積效率高、制造成本低、可制造大尺寸構(gòu)件而引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。金屬增材制造成形過程中，由于溫度梯度大、熔池凝固快等原因，制件內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔、裂紋等冶金缺陷[5]，嚴(yán)重影響制件的力學(xué)性能和可靠性。因此，對增材制件內(nèi)部缺陷的檢測是無損檢測領(lǐng)域迫切需要解決的問題。

激光超聲檢測技術(shù)是一種新型的非接觸、高靈敏度、高檢測精度的超聲無損檢測技術(shù)[6]，適用于高溫、高壓等惡劣的工作環(huán)境[7]，是增材制造零件內(nèi)部缺陷在線檢測的有利工具。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了各種激光超聲內(nèi)部缺陷檢測工作，以及在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究。YASHIRO等[8]采用激光超聲檢測方法檢測90°彎管的內(nèi)部腐蝕缺陷，通過表面波和縱波傳播過程中的散射來檢測缺陷。TANAKA等[9]利用搭建的激光超聲檢測系統(tǒng)，采用對超聲信號與內(nèi)部缺陷作用后的反射率關(guān)系進(jìn)行反演的方法檢測到碳鋼內(nèi)部直徑0.1 mm的圓柱缺陷。DAVIS等[10]采用激光超聲系統(tǒng)對SLM工藝加工的試塊進(jìn)行檢測，但C掃測量只能對缺陷形狀進(jìn)行可視化顯示，不能定量測量缺陷的尺寸和埋藏深度。EVERTON等[11]通過對經(jīng)過缺陷和未經(jīng)過缺陷的B掃圖像分析，實現(xiàn)了對激光粉末床熔合成形樣品多個亞表面缺陷的檢測識別，但未實現(xiàn)缺陷的定量測量。張進(jìn)朋等[12]對激光超聲檢測中與內(nèi)部缺陷作用的橫波進(jìn)行研究，利用橫波在缺陷處的衍射實現(xiàn)內(nèi)部缺陷的檢測，但激光超聲激勵的超聲橫波信號微弱，所以在信噪比低的增材制件的應(yīng)用難度較大。何翔等[13]采用磁光成像的技術(shù)對WAAM的成形表面缺陷進(jìn)行檢測，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對磁光成形圖片進(jìn)行缺陷的識別和分類。綜上所述，對于增材制造件內(nèi)部缺陷的檢測，國外可實現(xiàn)內(nèi)部缺陷尺寸的定量檢測，而國內(nèi)只能實現(xiàn)內(nèi)部缺陷的定性檢測。內(nèi)部缺陷的定量檢測對保證試塊的力學(xué)性能，以及工件的安全性和可靠性都具有深遠(yuǎn)的意義，所以有必要進(jìn)行深入研究。

筆者提出一種增材制件的內(nèi)部缺陷埋藏深度的定量檢測方法，先采用激光超聲檢測技術(shù)掃描缺陷試塊，然后通過分析超聲縱波在有無缺陷的到達(dá)時間來定量計算缺陷的埋藏深度。

1 定量檢測方法

1.1 激光超聲的原理

激光超聲檢測技術(shù)作為一種新型的超聲檢測技術(shù)，可以激勵出各種模式的超聲波用于內(nèi)部缺陷的檢測。由脈沖激光器和采用干涉儀接收原理的超聲接收系統(tǒng)組成的激光超聲檢測系統(tǒng)的檢測原理見圖1。

圖1 激光超聲檢測原理圖

如圖1所示，將激勵激光器產(chǎn)生的激光束作用于被檢試塊，根據(jù)熱彈效應(yīng)原理，一部分能量被試塊吸收轉(zhuǎn)化為熱能，使激光照射點急劇熱膨脹，產(chǎn)生熱彈性波。熱膨脹使被檢試塊表面產(chǎn)生切向壓力，被檢試塊內(nèi)部產(chǎn)生橫波、縱波及表面波等多種模式的超聲波信號[14]。

超聲接收系統(tǒng)中的接收激光器發(fā)射的激光束入射到工件上，在工件表面發(fā)生反射，成為帶有工件表面振動信息的信號光束，并返回超聲接收系統(tǒng)。信號光束經(jīng)接收器的光干涉處理后，可得攜有工件表面振動信息且與表面位移成比例的光電流信號。通過對光電流信號的分析，可獲取到工件的振動信息。

1.2 埋藏深度檢測方法原理

激光超聲激勵的縱波在材料中傳播時，會在內(nèi)部缺陷處發(fā)生反射，對缺陷處的反射縱波進(jìn)行分析，即可得出缺陷的特征信息。

掃查過程中，激光超聲檢測系統(tǒng)經(jīng)過無缺陷位置時，縱波會在試塊的底面反射，如圖2所示，其中，紅色箭線表示激勵激光器激勵的超聲波，箭頭為激光激勵點位置；藍(lán)色箭線表示超聲接收系統(tǒng)的接收信號，箭線尾部為信號的接收點，x為激光激勵點和超聲接收點的距離，d為被檢測件的厚度，θ為激勵點與接收點連線的中垂線與縱波傳播路徑的夾角，橙色箭線表示的傳播路徑即為無缺陷處縱波聲程。

圖2 無缺陷處的縱波聲程圖

掃查過程中，激光超聲無損檢測系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)部缺陷時，縱波會在缺陷的上表面反射，形成反射回波，如圖3所示，其中，L為缺陷的埋藏深度，θ′為激勵點與接收點連線的中垂線與縱波傳播路徑的夾角。

圖3 有缺陷處的縱波聲程圖

由圖3可以看出，當(dāng)激勵點與接收點的距離x一定時，缺陷的埋藏深度為

(1)

式中，S2為經(jīng)過缺陷處時的縱波聲程。

1.3 小波包分解技術(shù)

小波包分解技術(shù)能把一個振動信號映射到一個相互正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間，形成信號在不同尺度、不同頻段的分解序列，并保留信號在各尺度上的時域特征。小波包分解技術(shù)算法如下[15]。

設(shè)正交共軛濾波器H和G滿足

(2)

其中，Hn-2k、Hn-2l、Hn為矩陣H的元素；δk.l為矩陣δ的元素；Gk為矩陣G的元素；n，k，l∈Z。

為實現(xiàn)離散序列{sp|p∈Z}的小波包分解展開，定義如下算子：

(3)

設(shè)f0,0為接收到的原始超聲波信號，則根據(jù)小波包分解理論有

(4)

式中，J為分解層數(shù)；nJ為J層分解層數(shù)下的頻帶序號；j為J+1層分解得到的信號序列的序號。

重構(gòu)與分解的算法相似：存在一組濾波器H*和G*，其中，H*是H的對偶算子，G*是G的對偶算子，用這組濾波器對得到的小波包分解序列進(jìn)行逆運(yùn)算即可實現(xiàn)信號的重構(gòu)。

小波包分解是一種具有良好時頻特性的信號處理方法。針對超聲波信號復(fù)雜、多模態(tài)、寬頻帶、低信噪比等特點，研究超聲波信號中不同模態(tài)信號的頻域特征，結(jié)合小波包分解技術(shù)的時頻特性，實現(xiàn)激光超聲信號的前處理。先采用激光超聲檢測系統(tǒng)對試塊進(jìn)行掃查，采集相應(yīng)的超聲波信號。然后采用小波包分解技術(shù)對信號進(jìn)行前處理，提取縱波信號，最后提取信號中超聲縱波的第一次到達(dá)時間，將有缺陷和無缺陷處的到達(dá)時間代入式(1)即可得到缺陷的埋藏深度。

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)備

如圖4a所示，激光超聲檢測系統(tǒng)主要包括脈沖激光器、接收激光器、接收器(型號AIR-1550-TWM)、計算機(jī)和控制激光頭移動的控制器(具有6個自由度的機(jī)械臂)。實驗采用的接收器包括光纖激光器、分光器和解碼器等幾個部分。

圖4b為激光超聲系統(tǒng)實物圖。激勵激光頭和接收激光頭固定在一塊光學(xué)平板上，光學(xué)平板固定連接在機(jī)械臂上。在控制器的作用下，激勵激光頭和接收激光頭以一定的相對距離共同移動。激勵激光器為波長1064 nm的Nd：YAG脈沖激光器(重復(fù)頻率20 Hz，最大脈沖能量50 mJ)。接收器的激光波長為1550 nm，檢測帶寬為125 MHz，光斑尺寸為0.1～0.2 mm。為在檢測增材制造內(nèi)部缺陷時能得到信噪比高的縱波，將激勵激光器的能量設(shè)為42.3 mJ。

(a)系統(tǒng)示意圖 (b)系統(tǒng)實物圖

2.2 實驗試塊

(1)鋁合金精鍛試塊。試塊的長、寬、高分別為90 mm、70 mm和10 mm，表面粗糙度Ra為0.4 μm，試塊的表面有長10 mm、寬2 mm、深4 mm的凹槽缺陷。

(2)WAAM加工試塊。WAAM工藝加工試塊的長、寬、高分別為90 mm、70 mm和10 mm，表面粗糙度Ra為0.4 μm，試塊的表面有長10 mm、寬2 mm、深4 mm的凹槽缺陷。

實驗過程中，激光超聲檢測系統(tǒng)在試塊沒有表面缺陷的一側(cè)進(jìn)行掃查，有缺陷的一側(cè)為試塊底面，則試塊底面的缺陷在無缺陷表面掃查過程中成為內(nèi)部缺陷。

2.3 實驗方案

圖5為實驗的掃查路徑示意圖，其中，藍(lán)色色塊表示缺陷位置，虛線表示缺陷為內(nèi)部缺陷，紅點為掃查點，紅色箭線為掃描路徑。激光激勵點和信號接收點距離一定，且兩點連線與Y軸平行，掃描路徑與缺陷的長邊垂直，如圖6所示。激勵點和接收點的距離為6 mm，掃描步長為0.1 mm，掃查點數(shù)為300，采樣頻率為125 MHz，每個超聲波信號的采樣時間為20 μs。對每個采集點處采集到的16個激光信號進(jìn)行時域平均處理，以減小實驗隨機(jī)噪聲的干擾。

圖5 實驗掃查示意圖

圖6 激勵點與接收點的位置關(guān)系示意圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 信號前處理

如圖7所示，實驗信號存在超聲表面波和縱波的耦合，影響了表面波和縱波的時域特征提取。表面波和縱波的反射回波的到達(dá)時間相近，故表面波和縱波在時域上出現(xiàn)耦合，無法直接讀取縱波的到達(dá)時間，因此對表面波和縱波的頻域分布進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)二者的區(qū)別。

圖7 存在超聲表面波和縱波耦合的原始信號

截取實驗信號中的超聲表面波和縱波信號，并對其進(jìn)行去趨勢、補(bǔ)零和快速傅里葉變換，得到的頻譜如圖8所示，可以看出，超聲表面波和縱波的頻率在頻譜圖上的分布不同，表面波頻率主要分布在1.3 MHz附近，縱波頻率主要分布在7.5 MHz附近。用小波包分解的方法將原始信號分解展開到不同的頻帶，再選取表面波和縱波所在的頻帶進(jìn)行重構(gòu)，從而實現(xiàn)超聲表面波和縱波的分離和提取。

圖8 表面波和縱波頻譜圖

原始信號的采樣頻率為125 MHz，且表面波和縱波的頻率存在交疊部分，所以要盡量避免選取重疊部分的頻帶，故選取低于3.91 MHz的頻帶為表面波所在頻帶、5.86～15.63 MHz的頻帶為縱波所在頻帶進(jìn)行表面波和縱波的提取。信號分離的小波包分解層數(shù)為6。根據(jù)超聲表面波和縱波的波形特征，選用與超聲波波形相似、可從原始信號中提取到更多超聲信號能量的dmey小波基函數(shù)。

將存在耦合的原始信號(圖7)進(jìn)行小波包分解，并截去處理所得信號中的空氣振蕩波。由圖9、圖10可以看出，超聲表面波和縱波在時域得到分離，有利于從信號圖中直接讀取在缺陷處反射的超聲縱波的時域特征。

圖9 分離得到的超聲表面波

圖10 分離得到的超聲縱波

3.2 精鍛加工試塊結(jié)果分析

圖11為采用2.3節(jié)實驗方案在精鍛試塊中得到的原始信號的B掃圖，可以看出，原始信號在時域內(nèi)存在表面波和縱波的耦合，采用3.1的方法對原始信號進(jìn)行信號前處理，提取到的縱波信號如圖12所示。

圖11 精鍛試塊B掃信號圖

圖12 精鍛試塊提取的縱波信號圖

由圖12可以看出，影響縱波時域特征提取的表面波信號被濾除，缺陷處反射的縱波信號更加明顯。信號中第一次接收到的反射縱波的到達(dá)時間如圖13所示，可以看出，當(dāng)掃查不經(jīng)過缺陷位置時，由于實驗試塊的板厚固定，所以縱波的傳播時間相同，到達(dá)時間表現(xiàn)為一條平行于橫軸的直線。掃查經(jīng)過缺陷位置時，缺陷導(dǎo)致縱波的聲程減小、到達(dá)時間變短。加工的試塊缺陷底面為平面，掃查經(jīng)過此處的縱波聲程一定，故缺陷處的縱波到達(dá)時間也存在一個保持不變的穩(wěn)定過程?？v波經(jīng)過缺陷邊緣時會產(chǎn)生衍射。衍射縱波的干擾使反射縱波的到達(dá)時間先縮短、后延長。

圖13 反射縱波到達(dá)時間圖(精鍛試塊)

t2取信號中經(jīng)過缺陷處的縱波到達(dá)時間的眾數(shù)。試塊厚度一定時，縱波的底面反射回波到達(dá)時間也一定，故取未經(jīng)過缺陷時縱波到達(dá)時間的眾數(shù)為底面反射縱波到達(dá)時間t1進(jìn)行計算。

由圖13可知，掃查不經(jīng)過缺陷位置時，縱波的到達(dá)時間t1=3.424 μs；掃查經(jīng)過缺陷位置時，縱波的到達(dá)時間t2=2.232 μs。試塊厚度d=10 mm，根據(jù)式(1)可得缺陷的埋藏深度L=6.109 mm。由表面缺陷深度4 mm可得缺陷的實際埋藏深度Lt=6 mm，則本次測量的絕對誤差為0.109 mm，相對誤差為1.81%。

3.3 WAAM加工試塊結(jié)果分析

采用2.3節(jié)的實驗方案在WAAM試塊掃查230個點，得到原始信號的B掃圖(圖14)。與傳統(tǒng)試塊相比，增材制造零件內(nèi)部存在大量微小氣孔，超聲縱波在試塊內(nèi)部的傳播過程中會多次反射和衍射，故信號圖(圖14)中只能清楚觀察到第一次底面反射的縱波，不能清楚觀察到縱波在底面多次反射的回波，且缺陷處的反射回波幅值較小，所以到達(dá)時間相比精鍛件更難提取。

圖14 WAAM試塊B掃信號圖

兩種不同類型試塊的未經(jīng)過缺陷處的原始A掃信號如圖15、圖16所示。WAAM試塊反射縱波的信號幅值相對較小、信噪比較低。縱波在試塊內(nèi)部傳播時，增材試塊內(nèi)部組織的微小氣孔使得縱波在傳播過程中的幅值衰減大，縱波信號極易湮沒在高頻噪聲中。

圖15 精鍛試塊原始信號圖

圖16 WAAM試塊原始信號圖

經(jīng)過缺陷時，縱波的反射波與表面波在時域內(nèi)耦合，采用3.1節(jié)的方法對原始信號進(jìn)行信號前處理，提取到的縱波信號如圖17所示。

圖17 WAAM試塊提取的縱波信號圖

由圖17可以看出，信號前處理后，縱波反射波幅值明顯增大，且可觀測到缺陷處的反射縱波。表面波信號雖得到濾除，但由于缺陷處縱波反射回波幅值偏低，殘余的表面波信號仍會對縱波時域特征的提取造成影響。提取信號中的一次反射縱波的到達(dá)時間特征如圖18所示。

圖18 反射縱波到達(dá)時間圖(WAAM試塊)

由圖18可以看出，掃查經(jīng)過缺陷時，縱波的聲程變短，導(dǎo)致縱波的到達(dá)時間縮短。增材制造試塊內(nèi)部存在較多微小氣孔，因此縱波在傳播過程中會多次反射和衍射，信號時域特征的穩(wěn)定性較差、信噪比較小，難以從提取到的縱波到達(dá)時間圖中讀取缺陷處的縱波到達(dá)時間。

通過分析反射縱波到達(dá)時間的規(guī)律，對提取的到達(dá)時間進(jìn)行處理。由于未經(jīng)過缺陷或經(jīng)過缺陷的到達(dá)時間曲線均平行于橫軸，故可以根據(jù)兩個掃查點到達(dá)時間連線的斜率進(jìn)行異常點的濾除。掃查無缺陷位置和缺陷位置時，縱波聲程一定，縱波到達(dá)時間一定，縱波對應(yīng)到達(dá)時間的連線斜率為0。當(dāng)前后兩點到達(dá)時間的連線斜率大于一定值(多次試驗后，將斜率范圍設(shè)定為-10～10)時，則后一個點被認(rèn)為是異常點，將后一個點的到達(dá)時間修正為前一個到達(dá)時間，即斜率改為0。處理后的反射縱波到達(dá)時間如圖19所示，可以看出，處理后，原反射縱波到達(dá)時間圖中的信號毛刺被去除，可以精準(zhǔn)快速地提取缺陷處反射縱波的到達(dá)時間。

圖19 反射縱波到達(dá)時間處理圖

取處理后的到達(dá)時間最小值為缺陷處反射縱波的到達(dá)時間t2；與精鍛試塊信號的處理相同，取縱波到達(dá)時間的眾數(shù)為底面反射縱波到達(dá)時間t1。掃查不經(jīng)過缺陷時，t1=3.536 μs；掃查經(jīng)過缺陷時，t2=2.304 μs。試塊厚度為10 mm，則根據(jù)式(1)可得缺陷的埋藏深度L=6.106 mm。缺陷實際的埋藏深度Lt=6 mm，則計算得到本次測量的絕對誤差為0.106 mm，相對誤差為1.76%。

4 結(jié)論

(1)激光超聲檢測系統(tǒng)采集到的含有多種模式的超聲波信號中，超聲表面波和縱波在頻域內(nèi)存在差異。

(2)依據(jù)表面波和縱波的頻率差異，采用小波包分解的方法，將超聲表面波和縱波分解到不同的頻帶內(nèi)，實現(xiàn)二者的分離。

(3)激光超聲掃查路徑存在內(nèi)部缺陷時，根據(jù)超聲縱波在試塊中傳播路徑的不同，提出缺陷埋藏深度的定量檢測方法。精鍛加工試塊實驗檢測結(jié)果的相對誤差為1.81%。

(4)將內(nèi)部缺陷埋藏深度定量檢測方法用于WAAM加工的增材試塊，采用異常點濾除算法處理縱波到達(dá)時間特征，實現(xiàn)了增材制造試塊內(nèi)部缺陷埋藏深度的定量檢測，檢測結(jié)果的相對誤差為1.76%。