Page 71 - 无损检测2024年第十一期
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吴胜平，等：
基于 VMD 分解的激光超声增材制件表面缺陷检测
和使用安全性尤为重要。 裂纹。超声检测可以实现对试件内部缺陷的检测，
在缺陷形成原因方面，2007年， 张凤英等 对增 RIEDER等 [14] 首先将超声检测运用于增材制造的在
[3]
材制造缺陷的形成原因进行了相关研究，发现气孔 线监测，结果表明，超声纵波波速随沉积厚度呈非线
的形成是材料特性造成的，与粉末的流动性以及含 性变化，随着沉积厚度进一步增加，纵波波速趋向
[4]
氧量无关；2012年，王黎等 发现粉末的粒度、粉末 稳定。BELLOTTI等 [15] 使用基于二次谐波的非线
中氧含量对加工后的材料质量有很大影响。在缺陷 性超声参数测定方法定量评估316L、304L不锈钢材
[5]
[6]
检测方面，ZIÓŁKOWSKI等 和ZANINI等 采用 料的位错密度，并使用线性超声对测量结果进行评
CT检测技术对激光选区熔化制造的316L不锈钢零 估。ALBAKRI等 [16-17] 利用基于PZT传感器的声阻
件以及Ti6Al4V试件中的孔隙率、孔隙尺寸及取向 抗测量方法测量不同尺寸精度、不同位置精度、不同
等进行检测。2016年，南昌航空大学的文艺 分析 内部孔隙率增材制件的信号差异，随后又采用阵列
[7]
了两相（α+β 相）钛合金的不同组织形态的力学性 的方式通过对比无缺陷和有缺陷试件的信号差异，
能差异，以及激光在不同成形方向上的材料性能变 实时在线监测增材制件加工过程中的不同层缺陷大
小。除此之外，相控阵超声技术也被用于增材制件
化，研究了3D打印两相钛合金缺陷类型和缺陷形成
原因；并分别利用荧光渗透检测和超声C扫描检测 粗糙表面以及内部缺陷的检测。YANG等 [18] 使用
电弧熔丝增材制造了钢试件，分别在不同层嵌入直
技术检测出了3D打印两相钛合金的表面开口缺陷，
径为1~3 mm的碳化钨球以模拟缺陷并作为相控阵
以及内部的气孔、未熔合、夹杂缺陷。
超声全聚焦方法的校准，用于检测增材制件其他部
近年来，随着各国对增材制造领域的不断投入，
位的未熔合缺陷尺寸。超声检测需要耦合剂，要求
大量的无损检测方法已经应用于增材制件的检测。
被检试件表面平整，虽然可以在基板背面安装超声
一些常用的射线、超声、涡流、红外热成像无损检测
探头，但是随着层厚增加，超声信号会逐渐减弱，因
方法引起了科研工作者广泛的兴趣。目前在增材制
此超声检测很难实现对复杂构件以及较厚材料的检
造缺陷检测方面，射线检测被认为是最直观、有效的
测。而激光超声具有长距离非接触、频带宽、快速检
方法，其对气孔和夹杂缺陷具有很高的检出率，能
测等优势 [19] ，文章利用激光超声纵波对增材制造缺
够适应各类检测表面，并且检测结果可以达到亚毫
陷试件进行检测，验证纵波在增材制造较薄试件中
米量级 。里斯本大学的LOPEZ等 利用X射线和
[8]
[9]
的传播性能，并采用变分模态分解（Variational mode
超声检测技术检测了电弧增材制造（WAAM）的含 decomposition， VMD）算法提高信号信噪比。
有带孔、未融合、夹杂等缺陷的铝和低碳钢增材制
件，并通过破坏性试验和液体渗透的方法加以验证。 1 检测方法
UHLMANN等 [10] 利用CT获得了未经热等静压处 1.1 变分模态分解
理的和经过热等静压处理的SLM制造的航空钛合 VMD方法是一种非递归的信号分解方法，可以
金TiAl6V4试件的孔隙率，其中未经热等静压处理 自适应地将振动信号分解为一系列的模态，每个模
的试件孔隙率为3. 05%，最大孔体积为0. 024 mm ， 态都是基于中心频率与有限带宽滤波后的信号。该
3
经过热等静压处理的试件孔隙率减小至0. 81%，最 方法的实质是构造变分问题和求解变分问题 [20] 。
大孔体积减小至0. 009 mm 。虽然射线检测精度较 1.1.1 构造变分问题
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高，但对于裂纹缺陷，受照射角度的限制，无法检测 构造变分问题的步骤为：① 对各模态信号进行
出垂直照射的薄层缺陷，检测耗时长 [11] 。涡流检测 Hilbert变换得到解析信号，以便获得信号的单边频
可以实现非接触在线检测，TWI公司的RUDLIN 谱；② 将预估中心频率混合到解析信号中，将各模
等 [12] 在激光熔粉沉积镍基合金试件上制作人工缺陷 态频谱调制到基频带；③ 对上述解调信号做高斯平
并实施检测，试验结果表明，涡流检测对于直径小 滑处理，即计算梯度的平方L2范数。
于0. 2 mm的表面缺陷，以及1 mm深度处直径小于 则约束变分问题可以表示为
0. 6 mm缺陷的检出率可达90%。KOBAYASHI等 [13]
使用涡流检测方法检测出了具有阶梯和斜度表面的 ×
（1）
增材制件内部直径为0. 5 mm的圆孔缺陷，但涡流检
测只能检测表面和近表面缺陷，且难以区分划痕和
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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测
