張彥杰，徐冬，王曉晨，楊荃，薛仁杰，董峰

(1.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京，100083；2.太原理工大學(xué)先進(jìn)金屬復(fù)合材料成形技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，山西太原，030024；3.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京，100048)

激光超聲是一種利用光學(xué)方法激發(fā)及探測超聲波的無損檢測方法，激光超聲的激發(fā)是由光能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，而超聲波的探測則是利用了干涉型或非干涉型的光學(xué)探測器，對作用在檢測表面經(jīng)過超聲波調(diào)制的反射光進(jìn)行收集和分析處理。激光超聲檢測是一種非接觸、高空間分辨率、寬頻帶的檢測方法，在機(jī)械、電子、環(huán)境科學(xué)及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-3]。激光超聲檢測相較于傳統(tǒng)的超聲檢測方法最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸的無損檢測[4-5]，這一特性使得激光超聲方法在工程應(yīng)用中能夠滿足有特殊要求的工業(yè)場景。

晶粒尺寸是評估材料內(nèi)在質(zhì)量的重要參數(shù)，它對材料的力學(xué)性能和電磁性能有顯著的影響，通常采用金相法和電子背散射衍射(EBSD)法檢測。金相方法依賴于顯微組織圖像的晶界觀察，但并非所有的晶界都可以通過傳統(tǒng)的腐蝕方法清晰地觀察到，例如孿晶和低角度晶界，這些晶界會(huì)嚴(yán)重降低晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)精度。EBSD是最佳的晶粒尺寸的離線檢測方法，通過晶粒間的衍射差異可以顯示不同取向晶粒的形狀和尺寸分布，從而克服了金相學(xué)方法的缺點(diǎn)。然而，金相法和EBSD法均具有破壞性，且僅能對局部圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不能觀察到被測目標(biāo)的所有部分。此外，樣品準(zhǔn)備耗時(shí)較長，很難實(shí)現(xiàn)在線產(chǎn)品檢測。因此有必要開發(fā)在線無損檢測技術(shù)，為軋制過程控制提供重要的反饋參數(shù)。

對金屬板帶軋制過程中在線晶粒尺寸的獲取，對板帶實(shí)時(shí)生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)測、工藝參數(shù)的閉環(huán)控制有十分重要的意義。目前，晶粒尺寸在線無損檢測的方法主要有X 射線檢測法和超聲檢測法。由于帶鋼的移動(dòng)會(huì)造成連續(xù)曝光過程中衍射光斑互相重疊，對衍射花樣的光斑造成影響，因此，X射線檢測法會(huì)給晶粒尺寸的計(jì)算帶來困難。超聲檢測法主要包括壓電超聲技術(shù)、電磁超聲技術(shù)以及激光超聲技術(shù)[6-7]。壓電超聲是一種接觸式的檢測手段，通常需要耦合劑才可以獲取穩(wěn)定的信號；電磁超聲的實(shí)際工作距離相對較小，在高溫軋制環(huán)境中極易引起探頭的損壞；激光超聲具有遠(yuǎn)距離激發(fā)及檢測超聲波的特點(diǎn)，適合用于復(fù)雜工況下的超聲信號檢測，例如在金屬板帶軋制生產(chǎn)線對高速運(yùn)動(dòng)的板帶產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測過程中[8-10]，在使用激光超聲的方法對移動(dòng)板帶進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測時(shí)，通常采用雙波混合干涉儀作為超聲波的探測器[11-13]，這是因?yàn)殡p波混合干涉原理所具有的波前自動(dòng)匹配特性能夠在一定的距離外探測到在未經(jīng)拋光的、甚至正在移動(dòng)的表面引起振動(dòng)的超聲波[14-15]，該特性使得激光超聲檢測能滿足工業(yè)中某些特定場景的質(zhì)檢需求，例如冶金工業(yè)中熱軋線和連退線的晶粒尺寸檢測[16-17]。

板帶在軋制過程中伴隨著表面的法向抖動(dòng)和隨機(jī)的角度偏轉(zhuǎn)，因此用于在線檢測的激光超聲檢測系統(tǒng)需要能夠承受一定范圍內(nèi)的環(huán)境干擾，要求在復(fù)雜的實(shí)際工況下仍然能夠保持一定的檢測精度[5]。本文研究面外抖動(dòng)和隨機(jī)的角度偏轉(zhuǎn)對激光超聲檢測系統(tǒng)的影響，以助于激光超聲檢測系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)墓r條件下進(jìn)行板帶質(zhì)量的在線檢測。

1 激光超聲檢測系統(tǒng)

激光超聲檢測系統(tǒng)通常包含超聲波的光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)、光學(xué)探測系統(tǒng)以及信號采集系統(tǒng)等。本文所設(shè)計(jì)和搭建的激光超聲檢測系統(tǒng)如圖1所示，超聲波激發(fā)系統(tǒng)采用Nd:YAG調(diào)Q脈沖激光器，其參數(shù)見表1。

圖1 激光超聲檢測系統(tǒng)Fig.1 Laser ultrasonic system

表1 脈沖激光器參數(shù)Table 1 Pulsed laser parameter

超聲波探測系統(tǒng)采用基于BSO 晶體和532 nm連續(xù)激光器搭建而成的雙波混合干涉儀，其中光源參數(shù)見表2，干涉儀鏡頭直徑為76 mm，焦距為250 mm。為了模擬動(dòng)態(tài)樣品運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，樣品的夾持裝置被固定在多自由度控制臺(tái)上。采用沿滑軌直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)模擬板帶的高速運(yùn)動(dòng)，用移動(dòng)平臺(tái)上固定的二維平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬板帶面外抖動(dòng)和隨機(jī)角度偏轉(zhuǎn)，二維平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)均裝有千分尺用于精確控制樣品的面外抖動(dòng)位移和偏轉(zhuǎn)角度。

表2 連續(xù)激光器參數(shù)Table 2 Continuous wave laser parameter

采用厚度為3 mm 的退火態(tài)Ti-6Al-4V 作為檢測樣品。由于雙波混合干涉儀的波前匹配特性，樣品表面無須拋光處理。當(dāng)樣品處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，探測光聚焦于樣品的表面，干涉儀收集散射光斑作為信號光。為了提高干涉儀的信噪比，在靜止?fàn)顟B(tài)可以通過調(diào)整樣品的位置和姿態(tài)使得干涉儀所收集到的光強(qiáng)為固定的最優(yōu)值，此時(shí)干涉儀的光電探測器輸出的直流耦合電壓為3 V左右。樣品靜止?fàn)顟B(tài)檢測到的超聲波信號如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的信噪比約為33 dB，滿足板帶內(nèi)部質(zhì)量檢測的需求。

圖2 樣品靜止時(shí)檢測到的超聲波信號Fig.2 Ultrasonic signal of stationary sample

2 基于激光超聲的晶粒尺寸預(yù)測方法

在退火態(tài)3.175 mm 厚的TC4 合金板材上切割9 個(gè)長×寬為30 mm×30 mm 的樣品，采用如表3所示的熱處理方案進(jìn)行熱處理。對熱處理后的樣品在隨機(jī)位置進(jìn)行20 次激光超聲檢測，得到中心頻率為25 MHz 的超聲縱波信號。采用文獻(xiàn)[18]所描述的信號處理方法得到超聲波的衰減系數(shù)譜。對超聲檢測后的樣品進(jìn)行SEM-EBSD 檢測，檢測結(jié)果如圖3所示。采用面積加權(quán)平均的方法統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的平均晶粒尺寸，每個(gè)樣品分別在隨機(jī)區(qū)域進(jìn)行5次檢測，最終結(jié)果為5次測量的平均值。樣品的平均晶粒尺寸見表3。根據(jù)Rayleigh 散射假設(shè)[19-20]，晶粒尺寸與超聲波衰減系數(shù)之間存在如下關(guān)系：

圖3 樣品的EBSD觀察結(jié)果Fig.3 EBSD observation results of samples

式中：f為超聲波頻率，αf為超聲波的衰減系數(shù)，D為晶粒尺寸平均值，α0為與散射無關(guān)的衰減系數(shù)，CR為Rayleigh散射機(jī)制的材料常數(shù)。

為了獲得TC4 鈦合金晶粒尺寸均值與超聲衰減系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，利用表3中的數(shù)據(jù)及25 MHz下的超聲波衰減系數(shù)對式(1)進(jìn)行擬合，對任意衰減系數(shù)下的TC4 鈦合金晶粒尺寸均值進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示，擬合得到CR=1.71×10-9，α0=0.276。利用式(1)計(jì)算得到的TC4 鈦合金晶粒尺寸均值與EBSD測量結(jié)果對比如圖5所示。

表3 樣品熱處理方式及平均晶粒尺寸Table 3 Heat treatment method and average grain size of samples

圖4 平均晶粒尺寸與超聲衰減系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between average grain size and attenuation coefficient

圖5 基于激光超聲方法測得晶粒尺寸均值Fig.5 Average grain size measured by laser ultrasonic method

3 激光超聲檢測穩(wěn)定性的影響因素

3.1 動(dòng)態(tài)樣品的面外位移對檢測系統(tǒng)的影響

當(dāng)使用激光超聲檢測方法對金屬板帶內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行在線檢測時(shí)，由于生產(chǎn)節(jié)奏的需求，板帶最低運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s。金屬板帶在運(yùn)動(dòng)時(shí)，板帶張力的實(shí)時(shí)變化導(dǎo)致板帶在表面法線方向產(chǎn)生不確定的抖動(dòng)[21-22]。板帶的移動(dòng)速度為v，干涉儀的探測光在調(diào)試時(shí)通常聚焦在靜態(tài)板帶的表面，板帶運(yùn)動(dòng)時(shí)干涉儀與板帶質(zhì)檢的距離隨著板帶的面外抖動(dòng)而變化，即動(dòng)態(tài)的板帶位置與焦點(diǎn)位置存在一定偏差(離焦量)。板帶抖動(dòng)造成檢測時(shí)的離焦量示意圖如圖6所示。激發(fā)超聲波的脈沖激光由于作用在樣品表面后不涉及返回光路，因此對檢測結(jié)果的信噪比影響較小，可以忽略。

圖6 板帶的抖動(dòng)造成檢測時(shí)的離焦量Fig.6 Vibration of strip causes defocus during detection

干涉儀采集的信號光來源于樣品表面的散射光斑，因此，離焦量越大，干涉儀采集到的信號光強(qiáng)度越低，光電探測輸出的直流電壓越小。在靜止?fàn)顟B(tài)，采用帶有千分尺的平移臺(tái)使離焦量Δf從0逐漸增加到8.4 mm，干涉儀采集到的超聲波信號如圖7所示。從圖7可以看出，離焦量越大，超聲波信號的信噪比發(fā)生了明顯變化。離焦量對直流電壓及信噪比的影響如圖8所示?？梢姡弘x焦量越大，系統(tǒng)采集到的超聲波信號信噪比越低。

圖7 離焦量對超聲信號的影響Fig.7 Influence of defocusing on ultrasonic signal

圖8 離焦量對直流電壓及信噪比的影響Fig.8 Influence of defocusing on direct voltage and SNR

由于超聲波探測系統(tǒng)的離焦量會(huì)導(dǎo)致采集到的信號信噪比降低，而信號的信噪比將直接影響激光超聲方法預(yù)測的晶粒尺寸精度。當(dāng)樣品處于靜止?fàn)顟B(tài)且離焦量為0時(shí)，利用超聲衰減法預(yù)測到的晶粒尺寸相對誤差約為15%。采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備改變離焦量時(shí)，利用檢測到的超聲波信號預(yù)測出的晶粒尺寸相對偏差變化如圖9所示。

圖9 離焦量對晶粒尺寸檢測結(jié)果的影響Fig.9 Influence of defocusing on grain size measurement results

3.2 動(dòng)態(tài)樣品的小角度偏轉(zhuǎn)對檢測系統(tǒng)的影響

探測光入射至粗糙表面時(shí)會(huì)發(fā)生漫反射，不同粗糙度的樣品表面會(huì)引起不同的光強(qiáng)分布的漫反射。本實(shí)驗(yàn)搭建的雙波混合干涉儀采用的是單縱模連續(xù)激光器，其功率密度在空間中呈高斯分布，且反射后的光強(qiáng)分布可以用二維平面方程描述。

由SPIZZICHINO[23]的研究可知，光在粗糙表面的反射與表面粗糙度有直接關(guān)系，漫反射后的光強(qiáng)密度分布與入射角度和散射角度也有緊密的關(guān)系。在光強(qiáng)密度的分布中，沿樣品表面法線方向的散射光斑密度最高，因此探測器探測到的反射光斑的強(qiáng)度也最高。當(dāng)被測板帶發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn)，表面的法線方向也隨之改變，反射光斑的能量密度最大值方向也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，干涉儀收集到的信號光空間分布發(fā)生改變。這會(huì)引起光折變晶體內(nèi)部干涉條紋的變化，使得載流子重新分布，對干涉的穩(wěn)定性造成影響。

可以通過調(diào)節(jié)夾持樣品的旋轉(zhuǎn)臺(tái)來調(diào)整樣品旋轉(zhuǎn)的角度，使樣品表面法線與探測光的軸線夾角在0°～1°之間變化。樣品在旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的信號光強(qiáng)度變化如圖10所示?？梢姡浩D(zhuǎn)角θd越大，縱波信號的電壓幅值越低。偏轉(zhuǎn)角對直流電壓及信噪比的影響如圖11所示。可見：隨著偏轉(zhuǎn)角增大，直流電壓幅值減小，信噪比也隨之降低。樣品偏轉(zhuǎn)角度對晶粒尺寸檢測精度的影響如圖12所示。可見：偏轉(zhuǎn)角越大，晶粒尺寸預(yù)測的相對誤差也越大。

圖10 偏轉(zhuǎn)角對超聲信號的影響Fig.10 Influence of deflection on ultrasonic signal

圖11 偏轉(zhuǎn)角對直流電壓及信噪比的影響Fig.11 Influence of deflection on direct voltage and SNR

圖12 偏轉(zhuǎn)角度對晶粒尺寸檢測結(jié)果的影響Fig.12 Influence of deflection on grain size measurement results

4 分析與討論

在實(shí)際使用激光超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行板帶內(nèi)部質(zhì)量檢測時(shí)，當(dāng)檢測系統(tǒng)參數(shù)基本保持不變，檢測環(huán)境也沒有變化時(shí)，系統(tǒng)信噪比的變化主要依賴于超聲波信號的調(diào)制放大比例，而雙波混合干涉儀對超聲波信號的調(diào)制放大是依靠參考光和信號光在光折變晶體中干涉形成的體光柵對信號光的泵浦作用實(shí)現(xiàn)的[24-25]。根據(jù)光折變晶體的物理特性，體光柵對信號光的調(diào)制指數(shù)m可以表示為：

根據(jù)式(2)可知，β越大，雙波混合干涉的調(diào)制指數(shù)越大，即干涉儀對超聲波的調(diào)制放大系數(shù)越大。在本文的實(shí)驗(yàn)中，改變離焦量和樣品的偏轉(zhuǎn)角都會(huì)直接影響干涉儀所收集到的信號光的功率密度。從圖8可以看出，當(dāng)離焦量越大時(shí)，信號的直流耦合量越小，說明信號光的功率密度越低，干涉儀對超聲信號的調(diào)制放大作用也越小。結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離焦量達(dá)到8.4 mm 時(shí)，超聲波信號幾乎被淹沒在噪聲中，只有通過數(shù)字降噪技術(shù)才能勉強(qiáng)復(fù)原超聲波波形。同樣，從圖11可以看出，當(dāng)樣品的偏轉(zhuǎn)角越大時(shí)，信號的直流耦合量越小，說明信號光的功率密度越低，干涉儀對超聲信號的調(diào)制放大作用越小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角大于0.8°時(shí)，超聲波信號的信噪比已經(jīng)低于10 dB。

因此，當(dāng)鏡頭直徑為76 mm，焦距為250 mm時(shí)，基于雙波混合干涉原理所設(shè)計(jì)的干涉儀能夠承受的最大離焦量為8.4 mm，能夠承受的樣品最大偏轉(zhuǎn)角為0.8°。激光超聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性對金屬板帶晶粒尺寸的動(dòng)態(tài)檢測有較為明顯的影響，具體表現(xiàn)為檢測結(jié)果的相對誤差隨離焦量和樣品偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大。

5 結(jié)論

1)基于BSO 光折變晶體搭建了雙波混合干涉儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)金屬板帶的表面激發(fā)并探測超聲波，并對超聲縱波信號進(jìn)行連續(xù)采集與處理。以TC4 合金板材為研究對象，通過不同的熱處理方式獲取了多組晶粒尺寸不同的樣品，并利用EBSD 對樣品進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)，同時(shí)利用Rayleigh散射理論建立了靜態(tài)激光超聲衰減系數(shù)與晶粒尺寸的關(guān)系。

2)面外抖動(dòng)使光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生離焦量，離焦量越大，返回系統(tǒng)中的散斑強(qiáng)度越低；而小角度偏移對反射光的法線方向造成影響，從而引起干涉條紋的變化，影響干涉儀性能。

3)超聲信號對板帶的小角度偏轉(zhuǎn)較為敏感，當(dāng)鏡頭直徑為76 mm，焦距為250 mm 時(shí)，基于雙波混合干涉原理所設(shè)計(jì)的干涉儀能夠承受的最大離焦量為8.4 mm，在離焦量＜8.4 mm范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸表征的最大偏差約0.5 um；能夠承受的樣品最大偏轉(zhuǎn)角為0.8°。在偏轉(zhuǎn)角＜0.8°范圍內(nèi)，平均晶粒尺寸表征的最大偏差約0.7 um。