Page 55 - 应用声学2019年第2期

第 38 卷 第 2 期 陈振华等： 微小层片型缺陷的超声非线性区域检测技术 201

0 引言 1 非线性超声检测基本原理

在钢的冶炼轧制加工后，夹杂物会因受力形变 材料的非线性超声响应是由介质内部的位
形成点状、体积型、条形、层片型等缺陷。由非金 错、滑移带和微裂纹等微观缺陷引起的，所以
属夹杂引起的微小缺陷可使材料的塑性、断裂韧 非线性超声检测技术对微小裂纹的敏感程度更
性、冲击韧性和抗疲劳能力等变弱，严重影响材料 大。单一频率正弦超声波在材料中传播时与这
疲劳寿命和失效行为 [1−4] 。此外，透声性好、尺寸 些微观缺陷产生非线性相互作用，从而产生二次
小的薄层夹杂缺陷在无损检测中还具有更大的隐 谐波 [10] 。Cantrell [11] 和 Breazeale 等 [12] 建立了固
蔽性，在疲劳服役过程中容易在周围萌生裂纹，具 体介质内的一维非线性波动方程：
2
2
2
有更高的危害性。因此，对轧制材料内部的层片型 ∂ u ∂ u ∂u ∂ u
ρ 0 2 = K 2 2 + (3K 2 + K 3 ) 2 , (1)
微小缺陷进行无损检测显得尤为重要。常规超声 ∂t ∂x ∂x ∂x
其中：ρ 0 为介质密度，K 2 为二阶弹性常数，K 3 为三
检测的检测能力受波长的限制，需采用高频检测
阶弹性常数。
系统并配合细致的机械扫查检测微小层片型缺陷，
定义非线性系数 β 为 −(3K 2 + K 3 )/K 2 ，且设
导致检测成本高、效率低、检测能力有限 [5−6] 。非
初始条件为 A 0 sin 0 (ωt)，则可求得波动方程的近似
线性超声检测技术可通过低频探头检测微纳米级
解为 [13]
的缺陷，分析微小缺陷的非线性超声响应是非线
性超声检测的主要研究方向。焦敬品等 [7] 基于兰 u(x, t) = A 0 sin(kx − ωt)
姆波的二次谐波幅度测量钢板中微裂纹长度，实 1 2 2
+ (A k βx) cos 2(kx − ωt), (2)
0
现对宽度为 6.38 µm 的微小裂纹的非线性超声检 8
测。敦怡等 [8] 搭建了非线性超声检测系统对 45 # 其中，k 为波数，x为声波传播距离。
钢的微纳米级裂纹进行检测，结果表明非线性超 由式 (2) 可知：基波幅度记为 A 1 = A 0 ，二次波
2 2
声检测灵敏度比常规超声提高 30% 且具有更高的 幅度 A 2 = (A k βx)/8。则材料的非线性系数 β 可
0
检测分辨率。陈振华等 [9] 采用水浸脉冲反射法实 表示为 [14]
现了对 1 mm 厚薄板焊核内部微小缺陷的三次谐 β = 8β ′ 1 , (3)
2
k x
波成像，大大提高了图像分辨率。非线性超声检
其中：
测技术在实际工程应用中还存在检测信号易受干
A 2
′
扰、检测条件要求高以及非线性超声特征不明显 β = . (4)
A 2 1
等问题。
由于检测过程中声波传播距离 x 和波数 k 均基
弹簧扁钢是一种典型的特种钢轧制构件，广泛
本保持不变，因此常用相对非线性系数 β 代替 β 表
′
应用于铁道车辆、汽车和拖拉机等运输工具上，其
示材料非线性系数。本研究通过测量基波幅度 A 1
内部存在典型的由轧制加工形成的薄层型缺陷。本
和二次谐波幅度 A 2 得出的 β 表征由缺陷引起的材
′
文提出将非线性超声区域检测技术用于检测弹簧
料非线性响应。
扁钢中的微小层片型夹杂，提高对该类缺陷的检测
能力和检测效率。以非线性超声检测专用设备为基 2 试样制备及实验方法
础，优化检测装置以减少检测信号的干扰因素，提高
提取信号的稳定性；基于非线性超声的区域检测方 2.1 弹簧扁钢C扫描成像及缺陷类型分析
法提取检测信号并计算相对非线性系数均值及其 尺寸为 260 mm×100 mm×16 mm 的60Si2Mn
波动系数，分析了非线性系数均值与缺陷类型的相 弹簧扁钢轧制板材试样，实测纵波声速 5959 m/s。
关性，据此确定非线性超声对薄层型缺陷的表征能 对试样进行水浸超声波 C 扫描成像检测，图像按幅
力。本研究提出的层片型缺陷非线性超声区域检测 度 -颜色标尺的红 — 蓝 —绿渐变染色。图1 的 C 扫
方法对于提高微小薄层型缺陷检测能力、工程检测 描图显示扁钢中存在大量的轧制缺陷，绝大部分缺
的实用性及检测效率具有重要作用。 陷均分布于6∼10 mm深度，聚焦声束的焦区可以相