1、第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02120021基于分布式激光超声的带筋构件 R区缺陷检测方法谢玲丽，汪小凯，韩星会，曾研，戴殊同（武汉理工大学 汽车工程学院 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070）摘要：针对带筋构件 R区多类型缺陷的快速检测和精确识别等难题，提出基于分布式激光超声的带筋构件 R区缺陷检测和分类识别方法。通过建立有限元模型研究了激光超声在带筋构件中的传播规律及其与 R 区表面裂纹、近表面气孔等缺陷的相互作用机理，进而设计制作了含典型人工缺陷的 6061铝
2、合金带筋构件试样，开展激光超声检测实验。实验获得的缺陷时域信号与 B-scan特征图像及仿真结果一致，基于反射与衍射原理实现了对带筋构件 R区缺陷定位与定量检测，从而验证了所提分布式激光超声检测方法的可行性，为带筋构件制造缺陷的快速检测和分类识别提供了新思路。关键词：激光光学；分布式激光超声；多类型缺陷；带筋构件；定量检测中图分类号：TN249 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02120020 引言带筋构件具有承载力高、重量轻等特点，普遍应用于航空航天及国防装备等领域，如航天飞机的机身整体壁板、运载火箭燃料贮箱整体壁板、导弹舱体和锥形壳体等1。美国生产 Ti-
3、6Al-4V钛合金整体隔框锻件用于战机装备2；俄罗斯制造的大型整体挤压带筋壁板用于野牛登陆舰船等装备3；我国生产了 TC11、TC4钛合金带筋锻件用于波音飞机翼芯等航天装备4。这些带筋构件结构复杂，筋高宽比大，壁板薄5。带筋大型壁板制造方法通常有铣削加工、焊接成形及旋压成形等，制造过程容易产生各类型缺陷，比如在铣削过程中易出现裂纹、划痕等缺陷，焊接成形过程中焊接处易产生气孔、夹杂等缺陷，旋压成形过程中在圆角处易产生断裂、穿筋等缺陷6。这些缺陷会严重降低构件的承载能力和疲劳强度，影响相关装备整机的服役性能和服役安全。目前，航空大型带筋构件无损检测技术主要有渗透检测、常规超声检测和射线检测。渗透检
4、测主要用于检测表面裂纹、划痕等缺陷，常规超声检测用于检测内部裂纹、气孔等缺陷，射线检测用于检测内部气孔、夹杂等缺陷，这些检测方法存在接触耦合难、检测效率低、检测信息滞后等问题7-8。激光超声检测技术是近年发展起来的无损检测技术，具有复杂结构适应力强、缺陷灵敏度与分辨率高等特点9，通过激光辐射材料表面激发出表面波、横波和纵波等超声波来检测材料缺陷。Lockheed Martin 公司成功研制出 Laser UT 激光超声系统用于检测飞机机身复合材料；PEI C X 等10建立激光声磁检测系统，通过不同位置接收到衍射横波实现缺陷定量检测；NICOLA M 等11-12利用激光超声对涂层铁路车轴、列
5、车车轮进行缺陷评估；中国航空制造技术研究院13通过激光超声对复合材料层压板开展了缺陷检测及判别研究。本文通过研究激光超声与不同类型缺陷的相互作用规律，提出带筋构件 R 区多类型缺陷的分布式激光超声检测方法，并开展带筋构件 R区激光超声检测建模仿真和实验验证。引用格式：XIE Lingli，WANG Xiaokai，HAN Xinghui，et al.Defect Detection Method for R-zone of Ribbed Components Using Distributed Laser Ultrasonics J.Acta Photonica Sinica，2023，52（
6、2）：0212002谢玲丽，汪小凯，韩星会，等.基于分布式激光超声的带筋构件 R区缺陷检测方法 J.光子学报，2023，52（2）：0212002基金项目：国家重点研发计划（No.2019YFB1704500），国家自然科学基金（Nos.51875428,U21A20131），湖北省重点研发计划（No.2020BAB144）第一作者：谢玲丽，通讯作者：汪小凯，收稿日期：2022 07 21；录用日期：2022 10 11http:/光子学报021200221 带筋构件 R区分布式激光超声检测方法与模型建立1.1激光超声理论基础激光照射带筋构件时能量转换主要是热传导过程，将激光能量等效为固体表面
7、热源输入，带筋构件内部热传导可以用圆柱坐标系下热传导方程来表示14，即ctT(r，z，t)=1rr rkT(r，z，t)r+z kT(r，z，t)z（1）式中，为材料的密度，c为材料的比热容，T(r，z，t)为 t时刻固体的瞬时温度变化情况，r为激光半径，z为纵坐标，k为材料的热传导系数。激光照射在带筋构件固体表面上的初始条件15可以描述为I0=E/(t0R2a)（2）|-kT(r，z，t)zz=0=I0g(t)f(x)（3）g(t)=tt0exp()-tt0（4）f(x)=exp()-2()x-x02R2a（5）式中，I0为入射激光功率密度，E 为激光能量，t0为激光器的上升时间，Ra为激光
8、在 x 方向上的半径，g（t）、f（x）分别为激光能量在时间和空间的分布，x0为激光中心的横坐标。烧蚀机制下，熔化、汽化物质和等离子体产生的法向冲力作用于材料表面，激励出表面波、横波和纵波，烧蚀机制激光能量大，材料产生的热弹能量可忽略不计。弹性固体介质中的波动方程16可写为(+)U+2U=2U2t2（6）式中，和为固体材料 lame常数，U为瞬态位移。激光照射在带筋构件表面的能量可以描述为P=P0g(t)f(x)（7）式中，P为构件表面吸收的总能量，P0为入射中心的激光强度。通过式（1）（7）进行带筋构件激光超声检测有限元建模，研究声波在带筋构件 R 区传播及其与缺陷作用机理。1.2带筋构件分
9、布式激光超声检测方法及模型建立带筋构件分布式激光超声检测方法为：首先选取合适的脉冲激光器和激光接收源之间的距离 w；结合带筋结构特点选取一个激发点、两个接收点，两接收点分布在带筋构件 R 区两侧，图 1（a）为分布式激光超声图 1分布式激光超声检测方法Fig.1Distributed laser ultrasonic testing method谢玲丽，等：基于分布式激光超声的带筋构件 R区缺陷检测方法02120023检测示意图。分束镜调整光路，同时观察聚焦点，以确保两束检测接收光的灵敏度；控制二维扫描平台，实现对带筋构件的扫描检测。若构件存在缺陷，则声波与缺陷相互作用，最后根据两个接收点波形
10、特征信号，实现带筋构件 R区表面裂纹、气孔等典型缺陷的高效、可靠、精确检测和分类识别。在 COMSOL中建立薄壁带筋构件激光超声检测有限元模型，以激发激光为原点建立平面直角坐标系，模型见图 1（b）。其中，激发激光脉冲能量为 50 mJ，光源半径为 0.2 mm，脉宽为 10 ns，为保证数值模型的稳定，模型设置时间步长为 2 ns；为了保证仿真效率和结果正确，选用三角形网格，R 区处网格最大单元为0.06 mm，其他区域最大单元为 0.08 mm。带筋构件材料为铝合金，计算时所需参数如表 1所示。带筋构件的高为 70 mm，壁板壁厚为 7 mm，高筋厚度为 6 mm。激发点坐标为（0，0），
11、设置裂纹缺陷深度为 1 mm，宽为0.1 mm；设置气孔缺陷直径为 1.2 mm，与接收点 1 夹角均为 43。其中，激光激发与接收点 1 的距离固定为w=13.5 mm，接收点 1位于构件圆角与壁板衔接处，坐标为（13.5，0）；接收点 2位于沿圆角向上与高筋衔接处，坐标为（19.7，6.2）。1.3仿真结果分析由仿真得到图 2，分别给出在 4 s、8 s、10 s时刻声波传播情况，其中 sP表示掠面纵波，L波表示纵波，S 波表示横波，R 波表示表面波，RR 波表示反射表面波，RS 波表示表面波转横波，SC 波表示横波转爬波，表 1带筋构件材料参数Table 1Material parame
12、ters of ribbed componentMaterial propertiesValueConstant pressure heat capacity/（Jkg-1K-1）896Density/（kgm-3）2 850Thermal conductivity/（Wm-1K-1）154Elastic modulus/Gpa68Poisson ratio0.34图 2激光超声有限元仿真的声波图Fig.2The sonic diagram of laser ultrasonic finite element simulation光子学报02120024SCS 波表示横波转爬波再转横波，RL
13、波表示表面波转纵波，SS 波表示横波转横波，SL 波表示横波转纵波，SSS波表示横波转横波转横波。图 2（a）所示，带筋构件 R 区无缺陷时，S波向右传播至右侧圆角处发生反射，产生 SS波、SL波沿圆角两侧传播；R波从筋板表面沿圆角向上传播。图 2（b）所示，R区存在表面裂纹时，S波传播至裂纹处，作用产生SS波，与高筋右半边圆角作用产生 SS波、SR波；R波与裂纹反射产生 RR波沿原路传播，部分 R波沿裂纹表面传播后发生衍射，产生 RS波，与无缺陷对比，RS波信号微弱。图 2（c）所示，R区存在近表面气孔时，首先部分 S波传播至气孔并沿表面传播产生 SC波，SC波沿气孔表面传播一段距离后离开气
14、孔形成 SCS波，R波与气孔衍射产生 RS波沿原路传播，部分 R波沿气孔与 R区表面空隙向上传播，与无缺陷对比，接收到 R波信号较弱。根据上述分析表明 R区存在不同缺陷时，声波与缺陷作用机理不同，可提取不同缺陷的特征信号。图 3为不同缺陷检测原理图，根据特征波形传播路径，接收点 1接收的反射缺陷回波 RR 波、RS波，接收点 2接收的衍射波 RS 波、RL 波、SCS 波，可以对带筋构件 R 区缺陷分类识别。纵波、表面波及横波速度 vL、vR、vS的计算公式为 vL=w/tsPvR=w/tRvS=w/tS（8）式中，tsP、tR、tS为掠面纵波、表面波及横波到达时间。因 sP波和 L波、SCS
15、波和 S波声速相近，故假设 vsP=vL、vSCS=vS。裂纹缺陷两接收点测得的表面波和反射表面波波形到达时间 tR、tRR与筋部几何尺寸，以及声程LOD、LBD的关系为LBD=r cos 1LOD=r sin 1tRR=(w+2r1)/vRtRS=(w+r1+h)/vR+LBD2+(r+h-LOD)2/vS（9）气孔缺陷两接收点测得的表面波转横波、表面波转纵波及横波转爬波再转横波波形到达时间 tRS、tRL、tSCS与筋部几何尺寸、声程 LAD、LCD、LAB、LBB1的关系为LAD=r sin 2LCD=r1-r cos LAB=LAD2+LCD2-(/2)2LBB1=2()-arctan
16、LADLCD-arctanLAB/2(/2)tRS=(w+r2)/vR+r2/vStRL=(w+r2)/vR+LAD2+(LCD-/2)2/vLtSCS=(w+2LAB)/vS+LBB1/vS（10）图 3不同缺陷检测原理Fig.3Schematic diagram of different defect detection谢玲丽，等：基于分布式激光超声的带筋构件 R区缺陷检测方法02120025由此可计算裂纹、气孔缺陷在圆角处夹角1、2、裂纹深度 h、气孔直径和气孔中心到圆角圆心的距离 r1，其中 tsP为掠面纵波到达时间，r为圆角半径。2 带筋构件 R区激光超声检测系统设计与实验验证2.1带筋构件分布式激光超声检测系统对构件近表面缺陷进行分布式激光超声检测的系统如图 4所示。激光激发源为 Nd：YAG 激发器，能产生波长为 1 064 nm，脉宽为 10 ns的脉冲激光，脉冲能量和重复频率通过控制器设置为 50 mJ和 50 Hz，由此激发激光。激光接收源是 QUARTET 接收器，能产生波长为 532 nm 的连续激光，采用立方体分束镜将检测激光分成两束分别分布在不同位置进行两处
