袁阿琳 ， 賴迎慶 ， 石 劍 ， 段檢發(fā) ， 盧 超 ， 石文澤

（1. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；2. 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063）

0 引言

金屬薄板由于質(zhì)量輕、力學(xué)性能好，被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)蒙皮等零部件的生產(chǎn)制造，金屬薄板的有效檢測(cè)成為制約我國(guó)航空技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。金屬薄板是由板坯軋制而成，由于連鑄鋼坯、軋制設(shè)備工藝等原因，軋制后的金屬板材會(huì)在其內(nèi)部或表面形成如裂紋、分層、夾雜等常見(jiàn)缺陷[2]。其中，分層缺陷位于金屬板內(nèi)部，從整個(gè)結(jié)構(gòu)外觀無(wú)法肉眼判別，這種缺陷具有偶然性、隱藏性、破壞性，對(duì)金屬板結(jié)構(gòu)完整性和使用安全性構(gòu)成威脅。對(duì)于金屬薄板分層缺陷的常見(jiàn)檢測(cè)方法有X 射線成像檢測(cè)、紅外熱成像、常規(guī)超聲橫波檢測(cè)等，但是這些方法對(duì)分層缺陷的檢測(cè)存在諸多不足之處。X 射線成像操作復(fù)雜，設(shè)備龐大，且射線對(duì)人體有害；紅外熱成像檢測(cè)效果容易受環(huán)境溫度影響；分層缺陷與板表面平行且邊緣具有坡度導(dǎo)致常規(guī)超聲橫波檢測(cè)反射面小，檢測(cè)信號(hào)弱，對(duì)缺陷判別不直觀，容易導(dǎo)致漏檢[3-4]。因此，對(duì)金屬薄板開(kāi)展有效的無(wú)損檢測(cè)研究具有重要意義。

傳統(tǒng)超聲檢測(cè)對(duì)大型金屬板材逐點(diǎn)掃查檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)效率低，而超聲導(dǎo)波能夠長(zhǎng)遠(yuǎn)距離傳播，可對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行快速掃查，提高檢測(cè)效率。超聲導(dǎo)波在金屬板材檢測(cè)中早已得到廣泛應(yīng)用[5]。劉增華等[6]設(shè)計(jì)十字形壓電傳感器陣列在鋁板中激勵(lì)出單一模態(tài)的蘭姆波，結(jié)合二維多重信號(hào)分類算法對(duì)鋁板中缺陷精確定位。孟翔震等[7]用空氣耦合技術(shù)在鋁板中激勵(lì)出A0模態(tài)蘭姆波，對(duì)鋁板內(nèi)部缺陷進(jìn)行了精確的定位成像檢測(cè)。趙乃志等[8]用壓電換能器（PZT）在飛機(jī)機(jī)翼鋁板中激勵(lì)蘭姆波信號(hào)，并用Hilbert 變換計(jì)算監(jiān)測(cè)蘭姆波信號(hào)幅值變化來(lái)研究鋁板損傷程度，該方法有效地對(duì)超大型鋁板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

超聲導(dǎo)波具有長(zhǎng)距離檢測(cè)金屬板材且檢測(cè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但長(zhǎng)距離檢測(cè)往往受到導(dǎo)波聲束擴(kuò)散范圍的影響，導(dǎo)致檢測(cè)精度低、檢測(cè)范圍有限、難以精確地對(duì)缺陷定量定位。近年來(lái)，全聚焦成像、波數(shù)域成像、時(shí)間反轉(zhuǎn)成像等相控陣超聲后處理成像算法逐漸成為研究的熱點(diǎn)。相控陣超聲后處理成像算法，不僅具有常規(guī)相控陣超聲聲束靈活可控、分辨率高等特點(diǎn)，而且比常規(guī)相控陣超聲成像更清晰、缺陷表征能力更強(qiáng)等特點(diǎn)[9]。將相控陣超聲后處理算法應(yīng)用到導(dǎo)波檢測(cè)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也已有一些研究。張海燕等[10]使用16 通道的多收多發(fā)相控陣儀，在鋁板內(nèi)激勵(lì)蘭姆波，采集蘭姆波衍射聲場(chǎng)信號(hào)并應(yīng)用全聚焦和波數(shù)域兩種算法對(duì)鋁板內(nèi)圓孔缺陷成像，得到了良好的缺陷重建圖像。Leckey 等[11]提出波數(shù)域分析方法處理復(fù)合材料層壓板損傷中的導(dǎo)波數(shù)據(jù)，該方法能夠表征復(fù)合材料層壓板中分層破壞的深度。Liu 等[12]提出多通道周向蘭姆波的時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦算法，并應(yīng)用于大直徑厚壁管材的檢測(cè)，相比單通道的時(shí)間反轉(zhuǎn)算法而言，該方法對(duì)缺陷的定位更精確，更容易檢測(cè)管內(nèi)微小缺陷。焦敬品等[13]將極性一致成像、全聚焦成像及矢量全聚焦成像三者相結(jié)合，提出蘭姆波陣列復(fù)合成像方法，應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了板中多個(gè)裂紋方向識(shí)別和裂紋定量檢測(cè)。

針對(duì)航空金屬薄板中難以檢測(cè)的分層缺陷，本文研究了一種基于全聚焦算法的超聲成像技術(shù)，從蘭姆波頻散曲線出發(fā)，找到合適的激勵(lì)頻率和楔塊角度，再通過(guò)相控陣導(dǎo)波儀器對(duì)不銹鋼板展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理之后得到清晰的分層缺陷成像圖。

1 原理

1.1 相控陣蘭姆波激勵(lì)原理

普通單晶片壓電探頭在板中激勵(lì)合適模態(tài)導(dǎo)波，需要選擇合適的激勵(lì)頻率、探頭入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用探頭角度來(lái)選擇接收導(dǎo)波回波信號(hào)，提取相應(yīng)的缺陷信號(hào)加以處理，從而分析缺陷尺寸位置等信息。圖1 為單晶片探頭蘭姆波激勵(lì)原理示意圖，壓電晶片激勵(lì)的超聲波經(jīng)楔塊斜入射到薄板中，超聲波入射到薄板邊界發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，得到的二次橫波和縱波再次入射到薄板邊界時(shí)又發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，在多次反射和波型轉(zhuǎn)換后，使得橫波和縱波耦合疊加得到在薄板中穩(wěn)定傳播的蘭姆波[14]。

圖1 單晶片探頭蘭姆波激勵(lì)原理Fig.1 Lamb wave excitation principle of single crystal probe

相控陣探頭和普通壓電探頭激勵(lì)導(dǎo)波的區(qū)別在于前者以多晶片、多陣元的形式在楔塊的水平方向等間距排成一排。圖2 為相控陣激勵(lì)蘭姆波的探頭結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)陣元都具備獨(dú)立激勵(lì)和接收蘭姆波信號(hào)的能力，且都以相同的入射角度在薄板中激勵(lì)出蘭姆波。當(dāng)對(duì)陣元施加相應(yīng)的延時(shí)法則，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蘭姆波信號(hào)偏轉(zhuǎn)和聚焦。因此，與普通壓電探頭激勵(lì)的蘭姆波相比，相控陣探頭激勵(lì)的蘭姆波具有更大的聲束覆蓋范圍，同時(shí)能夠使蘭姆波聚焦，使得檢測(cè)精度更高、檢測(cè)范圍更大、對(duì)缺陷的漏檢率更小[15]。

圖2 相控陣激勵(lì)蘭姆波探頭Fig.2 Lamb wave probe excited by phased array

1.2 相控陣全聚焦

全聚焦（Total Focusing Method, TFM）成像方法是基于全矩陣數(shù)據(jù)采集（Full Matrix Aapture,FMC）進(jìn)行的。圖3 為N個(gè)陣元相控陣探頭的全矩陣數(shù)據(jù)采集過(guò)程，相控陣探頭中各陣元依次激勵(lì)超聲波，所有陣元分別獨(dú)立接收回波信號(hào)。例如，第1 個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)，全部陣元接收反射超聲波信號(hào)，完成第1 次數(shù)據(jù)采集；當(dāng)完成第N個(gè)陣元發(fā)射，全部陣元接收反射超聲波信號(hào)，全矩陣數(shù)據(jù)采集完成。全矩陣數(shù)據(jù)可表示為二維數(shù)組函數(shù)Sij(t)，其中，i=1,2,…,N，j=1,2,…,N。二維數(shù)組函數(shù)Sij(t)表示第i陣元發(fā)射超聲波，在第t時(shí)刻，第j陣元接收回波信號(hào)的幅值[16-17]。

圖3 全矩陣數(shù)據(jù)采集過(guò)程Fig.3 Full matrix data acquisition process

圖4 TFM 成像原理Fig.4 Principle of TFM imaging

式中：ti表示i陣元傳播到F點(diǎn)的時(shí)間；tj表示F點(diǎn)反射后j陣元接收時(shí)間；在被測(cè)介質(zhì)是均勻各向同性情況下，c為超聲波在被測(cè)試件中的傳播速度。

2 相控陣探頭激勵(lì)蘭姆波參數(shù)的確定

蘭姆波的波長(zhǎng)與被檢測(cè)對(duì)象厚度數(shù)量級(jí)相近，并具有長(zhǎng)距離傳播的特點(diǎn)，常用做金屬薄板材料的無(wú)損檢測(cè)。蘭姆波是橫波和縱波在介質(zhì)表面間經(jīng)多次往復(fù)反射和波型轉(zhuǎn)換，并且在其中產(chǎn)生相長(zhǎng)、相消或介于兩者之間的干涉和幾何彌散而形成的一種特殊的彈性波，每個(gè)相長(zhǎng)干涉對(duì)應(yīng)一個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，導(dǎo)致了蘭姆波具有頻散和多模態(tài)的特點(diǎn)，所以在實(shí)際檢測(cè)中需要選擇合適的激勵(lì)模態(tài)和頻率。

為了得到相控陣探頭激勵(lì)合適的模態(tài)，先分析單陣元壓電探頭斜入射激勵(lì)蘭姆波工作點(diǎn)的選取。本研究對(duì)象為3 mm 厚度的鋼板，剪切波速度為3260 m/s，縱波速度為5960 m/s，密度為7932 kg/m3；楔塊材料為聚苯乙烯，楔塊的縱波聲速為2337 m/s。使用商用Disperse 軟件計(jì)算鋼板的相速度和群速度頻散特性，根據(jù)式（3）中Snell 定律的變式得到激勵(lì)角頻散特性：

考慮分層缺陷的檢測(cè)精度，激勵(lì)導(dǎo)波頻率為2.5 MHz。同時(shí)考慮分層缺陷是平行于板面的內(nèi)部缺陷，需要激勵(lì)出的蘭姆波有較大的離面位移分量，即會(huì)在垂直于板面方向有較大的振動(dòng)位移。A0模態(tài)2.5 MHz 板中的波結(jié)構(gòu)如圖6 所示，A0模態(tài)的離面位移分量大于面內(nèi)位移分量，蘭姆波的振動(dòng)位移集中在板內(nèi)，因此，A0模態(tài)蘭姆波更適合作為本研究使用的模態(tài)。由圖5c 中可以得出，2.5 MHz 頻率激勵(lì)下，A0模態(tài)的楔塊激勵(lì)角度為51°。

圖5 3 mm 鋼板蘭姆波頻散曲線Fig.5 Lamb wave dispersion curve of 3 mm thick steel plate

圖6 2.5 MHz A0 模態(tài)鋼板中的波結(jié)構(gòu)Fig.6 Wave structure in A0 mode steel plate (Frequency: 2.5 MHz)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由相控陣探頭、楔塊、成像計(jì)算機(jī)、全矩陣數(shù)據(jù)采集儀器組成，如圖7 所示。全矩陣數(shù)據(jù)采集儀器對(duì)探頭接收的缺陷信息傳輸?shù)匠上裼?jì)算機(jī)，成像計(jì)算機(jī)內(nèi)置全聚焦算法，使得在計(jì)算機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)顯示缺陷成像信息。采用64 陣元相控陣探頭加楔塊組合形式作為蘭姆波的發(fā)射與接收，相控陣探頭及楔塊具體參數(shù)如表1 所示。激勵(lì)信號(hào)采用60 V 正弦波，脈寬為200 ns，脈沖重復(fù)頻率為4 kHz。以圖5b 中2.5 MHz 對(duì)應(yīng)A0模態(tài)的群速度為檢測(cè)基準(zhǔn)速度，并將此值設(shè)置在成像計(jì)算機(jī)當(dāng)中。

表1 相控陣探頭及楔塊參數(shù)Table 1 Parameters of phased array probe and wedge

圖7 相控陣蘭姆波全聚焦成像檢測(cè)系統(tǒng)Fig.7 Full focus imaging detection system based on phased array Lamb wave

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為長(zhǎng)1200 mm、寬800 mm、厚3 mm 的2 塊不銹鋼薄板。不銹鋼薄板及分層缺陷分布如圖8 所示。薄板1 內(nèi)部預(yù)制邊長(zhǎng)為20 mm 的正方形和直徑為60 mm 的圓形分層缺陷，薄板2 內(nèi)部預(yù)制邊長(zhǎng)為10 mm 正方形和直徑為80 mm 的圓形分層缺陷。圖9 為薄板1 正方形和圓形分層缺陷射線檢測(cè)成像圖。

圖8 薄板分層缺陷形狀尺寸分布圖Fig.8 Shape and size distribution of delamination defects of plates

3.2 成像檢測(cè)結(jié)果分析

全矩陣數(shù)據(jù)采集時(shí)，探頭楔塊與缺陷偏離一定距離，以100 MHz 采樣頻率，1～64 號(hào)陣元依次激勵(lì)超聲波斜入射到金屬板中，從而在其中形成蘭姆波，采集到的全矩陣數(shù)據(jù)在成像計(jì)算上通過(guò)全聚焦算法進(jìn)行實(shí)時(shí)成像顯示。成像圖縱坐標(biāo)表示探頭檢測(cè)距離，橫坐標(biāo)表示探頭檢測(cè)寬度，顏色表示接收的超聲波幅值大小。

圖10 為?60 mm 和?80 mm 圓形分層缺陷的相控陣蘭姆波全聚焦成像圖，可清楚識(shí)別分層缺陷的形貌特征，與圖9b 中射線檢測(cè)得到的圓形缺陷成像輪廓基本一致。由于缺陷上端面對(duì)聲波反射的原因，大部分聲波能量被缺陷上端面反射，透過(guò)上端面能量相對(duì)較小，導(dǎo)致探頭接收缺陷下端面反射的聲波能量較小且能量發(fā)散，從而在成像圖中下端面存在拖尾圖像。拖尾圖像的存在使得探頭對(duì)缺陷下端的定位、定量精度都要小于上端面。

圖9 薄板1 分層缺陷射線檢測(cè)成像圖Fig.9 Radiographic image of delamination defect in plate 1

圖10 圓形分層缺陷成像圖Fig.10 Imaging picture of circular delamination defect

圖11 為探頭對(duì)正方形分層缺陷正向檢測(cè)的成像。由于缺陷上端面聲波反射的原因，圖中只能顯示出正方形缺陷的邊長(zhǎng)，不能對(duì)缺陷形貌特征進(jìn)行識(shí)別；下端面出現(xiàn)較嚴(yán)重的拖尾偽像，難以對(duì)下端面邊長(zhǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的定量。對(duì)正方形缺陷側(cè)向檢測(cè)的結(jié)果如圖12 所示。相對(duì)于正向檢測(cè)的成像，側(cè)向檢測(cè)圖像能夠準(zhǔn)確顯示正方形缺陷的輪廓，下端面成像受上端面聲波反射影響小，可對(duì)正方形缺陷對(duì)角線準(zhǔn)確定量檢測(cè)，從而判斷其大小。

圖11 正方形分層缺陷正向測(cè)量成像圖Fig.11 Forward measurement image of square layered defect

圖12 正方形分層缺陷側(cè)向測(cè)量成像圖Fig.12 Lateral measurement image of square layered defect

3.3 缺陷定位、定量測(cè)量

因?yàn)槿毕菹露顺上癯霈F(xiàn)拖尾現(xiàn)象，因此對(duì)缺陷進(jìn)行定位測(cè)量時(shí)都以缺陷上端面為基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。表2 中的測(cè)點(diǎn)距離表示楔塊前端到缺陷上端的距離與探頭前沿距離之和，測(cè)量值表示缺陷前端成像的縱坐標(biāo)值。從表中可以得出，各缺陷的定位測(cè)量結(jié)果誤差均在4.0%以內(nèi)，相控陣蘭姆波全聚焦成像檢測(cè)方法能夠?qū)饘侔宸謱尤毕葺^精確地定位測(cè)量。

表2 各缺陷定位測(cè)量值及誤差Table 2 Measurement value and error of each defect location

在成像圖中讀取缺陷輪廓的橫、縱坐標(biāo)，分別對(duì)分層缺陷的尺寸進(jìn)行定量，結(jié)果見(jiàn)表3。表3 中對(duì)正方形缺陷側(cè)向檢測(cè)的定量長(zhǎng)寬為正方形對(duì)角線的值。從表中可以看出：圓形缺陷定量誤差相對(duì)較小，正方形缺陷定量誤差較大；長(zhǎng)度誤差均比寬度誤差大。

表3 各缺陷定量測(cè)量值及誤差Table 3 Quantitative measurement value and error of each defect

4 結(jié)論

1）提出了一種相控陣全聚焦算法成像與蘭姆波檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)方法，該方法能夠?qū)Σ讳P鋼薄板中分層缺陷的輪廓進(jìn)行成像檢測(cè)。

2）相控陣蘭姆波全聚焦成像檢測(cè)對(duì)分層缺陷定位、定量精度高，定位誤差在4%以內(nèi)。

3）受缺陷上端面反射蘭姆波的影響，缺陷下端成像會(huì)存在拖尾的偽像，導(dǎo)致對(duì)缺陷的長(zhǎng)度方向定量誤差大于寬度誤差。