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
2、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 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
3、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-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
4、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
5、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
6、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（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
7、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热源输入，带筋构件内部热传导可
8、以用圆柱坐标系下热传导方程来表示14，即ct T(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为激光在 x 方
9、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
10、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.1 Distributed 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
11、用，最后根据两个接收点波形特征信号，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
12、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），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
13、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 parameters 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.2 The sonic diagram of laser
14、 ultrasonic finite element simulation光 子 学 报02120024SCS 波表示横波转爬波再转横波，RL 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，
15、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
16、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 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
17、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()-arctanLADLCD-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.3 Schematic diagram of different defe
18、ct 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 QUART
19、ET 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信号接收。在待检带筋构件上标识激光激发和检测激光的位置与仿真时一致，将带筋构件放置在二维移动平台上，调整激光激发和检测激光光束对准标识位置，通过软件控制，实现移动扫查。为了验证分布式激光超声综合检测方法的可行性，开展了针对裂纹、气孔等缺陷的激光超声检测实验。采用 6061 铝合金带筋构件，带筋试块壁板壁厚 h1为 7 mm，高筋厚度 h2为 6 mm，圆角半径 r 为 6.2 mm，图 5 为加工缺陷在带筋构件 R 区位置示意图及实物图，分别以槽、横通孔模拟表面裂纹和近表面气孔，其
20、中槽深度 h为 1.15 mm，横通孔直径为 1.2 mm，横通孔中心到圆角圆心的距离 r1为 7.8 mm，且在圆角处夹角均为 43。以检测第一个试块的缺陷为例，采用遮光镜遮挡分束镜一个方向的检测光，按图 1 检测带筋构件 R 区的扫查方向，通过控制二维移动平台，进行一次扫查，在扫查过程中每个扫查点采集 50 次信号，取其平均再记录，从而提高信噪比，获得接收点 1 的时域波形图及 B-scan 图像；随后将遮光镜遮住分束镜另一个方向的检测光，进行二次扫查，获得接收点 2 的时域波形图以及 B-scan 图像，其中扫查步长为 0.02 mm，扫查距离为 3.5 mm。图 4 激 光 超 声 检
21、 测 系 统Fig.4 Laser ultrasonic detect system图 5 加 工 缺 陷 尺 寸 示 意 图Fig.5 Schematic diagram of the size of the processing defect光 子 学 报021200262.2实验结果分析图 6、7 为带筋构件 R 区表面裂纹、近表面气孔在接收点 1 和 2 处的仿真-实验时域波形图，可以看出仿真与实验时域波形在幅值最大值和信号特征高度一致，证明实验的正确性。图 8、9 分别为对应的实验 B-scan图像。由图 6（a）、图 7（a）可获得裂纹缺陷、气孔缺陷实验的横波平均到达时间 tR=4
22、.65 s，根据式（8）计算得到横波的传播速度，vS=2 904 m/s，已知材料属性计算横波理论速度 vS=E2(1+)=2 980 m/s，其中理论与实验测得横波速度相对误差为 2.5%，再次验证了实验的正确性。图 6 裂 纹 缺 陷 接 收 点 时 域 波 形Fig.6 The time domain waveform of receiving point for crack defect图 7 气 孔 缺 陷 接 收 点 时 域 波 形Fig.7 The time domain waveform of receiving point for blowhole defect图 8 实 验
23、 所 得 裂 纹 缺 陷 B-scan 图 像Fig.8 Experimental crack defect B-scan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02120027由图 6、8 可知对带有裂纹缺陷构件检测时，接收点 1 能明显接收到 sP 波、R 波和 RR 波，接收点 2 能接收到 RS 波，裂纹阻碍 R 波的传播，无法接收到高幅值 R 波。由图 7、9 可知对带有气孔缺陷构件检测时，接收点1 能明显接收到 sP 波、R 波和 RS 波，接收点 2 也能接收到 RL 波、高幅值 R 波和 SCS 波。其中图 8、9 中 RR 波与 RS 波的到达时间随着扫查
24、距离的变化而变化，当接收点 1 位于裂纹或气孔缺陷的正上方时，R 波与 RR波、RS 波到达时间相同，在 B-scan 图像中呈相交状。综上，仿真与实验的特征信号高度一致，可实现带筋构件 R 区表面裂纹、近表面气孔等典型缺陷的分类识别，验证了分布式激光超声综合检测方法的可行性。2.3缺陷定位与定量计算根据实验 B-scan 图像中各接收点特征波形的到达时间、声速及声程公式（9）、（10），即可求出裂纹、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。通过实验获得表面波与掠面纵波平均到达时间 tR=4.73 s，tsP=2.5 s，由式（8）计算得 vR=
25、2 856 m/s，vsP=5 400 m/s。重复两组实验，并取扫查距离 x=0 mm 为测量点，可得到三组扫查 B-scan 图像，其中各模式声波到达时间如表 2 所示。根据式（9）、（10）对各参数进行计算得到缺陷位置与尺寸，并计算绝对误差和相对误差，结果如表 3 所示，其中 进行弧度转换=180。实验结果表明：分布式激光超声综合检测方法可实现带筋构件 R 区表面裂纹、近表面气孔等典型缺陷的定位定量，裂纹深度、相对圆角位置，气孔直径、相对圆角位置均可检测得出，其中裂纹定位相对误差为 3.2%，裂纹定量相对误差为 7.8%；气孔定位相对误差（包括气孔相对圆角角图 9 实 验 所 得 气 孔
26、 缺 陷 B-scan 图 像Fig.9 Experimental blowhole defect B-scan表 2各模式声波到达时间Table 2Wave arrival time for each modeMeasurement point123CracktRR/s7.907.947.92tRS1/s8.728.678.71BlowholetRS2/s7.817.837.84tRL/s7.167.197.20tSCS/s8.528.588.60表 3缺陷位置与尺寸Table 3Defect location and sizeParameter1180/()h/mm2180/()/mmr1
27、/mmDesign value431.15431.207.80Measurement pointPoint 141.901.2141.021.367.82Point 242.401.1941.281.327.90Point 342.141.2341.421.337.92Measure absolute error0.850.091.760.140.08Relative error3.2%7.8%4.1%11.7%1.1%光 子 学 报02120028度和气孔到圆角圆心距离误差）为 4.1%、1.1%，气孔定量相对误差为 11.7%。另外，气孔定量相对误差过大的问题，一方面是因为在计算定量误差时
28、，只能将 vSCS近似为 vS，但实际上二者略有不同；另一方面是因为圆角内部凸面使声波发散，对衍射波信号接收有一定影响。3 结论本文揭示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、近表面气孔等典型缺陷的相互作用机理，提出了基于分布式激光超声的带筋构件 R 区缺陷检测方法。分布式激光超声检测实验结果表明，各类型缺陷的时域波形特征与仿真一致，进一步获得了表面裂纹、气孔等典型缺陷的 B-scan 图像，验证了所提检测方法的可行性。该方法实现了带筋构件 R 区表面裂纹、内部气孔等典型缺陷的分类识别与定位定量，定位相对误差在5%，定量相对误差12%，可为带筋构件制造缺陷的快速可靠检测提供新思
29、路。参考文献1 PENG Lu.Research on envelope forming method for thin-walled cylindrical components with high ribsD.Wuhan：Wuhan University of Technology，2020.彭露.薄壁高筋筒形构件包络辗压成形方法研究 D.武汉：武汉理工大学，2020.2 QI Han.Research on rules of rib cavity fill and defects of web-rib parts D.Harbin：Harbin Institute of Technolo
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40、mponents Using Distributed Laser UltrasonicsXIE Lingli，WANG Xiaokai，HAN Xinghui，ZENG Yan，DAI Shutong（School of Automotive Engineering，Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）Abstract：On account of the characteristics of h
41、igh bearing capacity and lightweight，the ribbed components are widely applied to aerospace and national defense equipment，such as the overall wall of the fuselage of the space shuttle，the overall wall of the fuel tank of the launch vehicle，the missile cabin，and the conical shell body.The manufacturi
42、ng methods of large-scale ribbed components usually include milling，welding，and spinning.Therefore，various types of defects are also brought during the manufacturing process，such as cracks and scratches.During the milling forming process，pores and inclusions in the welding，fractures，and rib penetrat
43、ion at the rounded corners during the spinning，which will seriously reduce the bearing capacity and fatigue strength of the components thus affecting the service performance and safety of related equipment.To solve the problems of rapid detection and precise identification of multi-type defects in t
44、he R-zone of ribbed components，this paper innovatively proposed a method for the detection，classification，and identification of defects in the R-zone of ribbed components based on distributed laser ultrasonics.Combining the characteristic signals of multiple detection receiving points，this method re
45、alizes the classification，identification with quantitative detection of the defects in the R-zone of the ribbed component；and it was carried out that the modeling simulation and experimental verification of the laser ultrasonic detection of the R-zone of the ribbed components.Firstly，finite element
46、models were established to study the propagation law of laser ultrasound in ribbed components and the interaction mechanism between laser ultrasound and defects such as surface cracks and near-surface blowholes in the R-zone；then based on the above-mentioned propagation law and the structural charac
47、teristics of the ribbed member，two detection receiving points were set at both sides of the R-zone of the ribbed component.According to the characteristic waveform propagation path，the reflected defect echo RR and RS wave received at the receiving point 1，the diffracted wave RL，RS and SCS wave recei
48、ved at the receiving point 2 could classify and identify the defects in the R-zone of ribbed components based on the reflection and diffraction principle，and the quantitative calculation model of defect location was established through the sound path，sound velocity and the geometric size of the rib.
49、To sum up，the distributed receiving can realize the rapid detection，classification，recognition，positioning，and quantitative detection of defects in the R-zone of ribbed components.Then，6061 aluminum alloy ribbed component samples were designed and manufactured with typical artificial defects（the ang
50、le between crack and fillet is 43，the crack depth is 1.15 mm，and the angle between blowhole and fillet is 43，the distance between the blowhole center and the center of the rounded corner is 7.80 mm，the blowhole diameter is 1.20 mm）for distributed laser ultrasonic testing experiment，and obtained the
