魏 偉
(蘭州城市學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
化工設(shè)備中的壓力容器、泵、管道等都是由金屬材料制成,金屬材料為多晶材料,晶粒較細(xì)。多晶材料的宏觀力學(xué)性能與其化學(xué)成分,尺寸,取向分布,取向關(guān)系和晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。在鑄造、塑件、熱處理等金屬加工過程中,晶粒在尺寸、取向分布和形狀上都會發(fā)生變化,從而產(chǎn)生不同的組織。
由于擠壓板材料的織構(gòu)特征,使其在軸向和橫向力學(xué)性能方面存在著很大的差異,即所謂的擠壓效應(yīng)。大變形冷軋板在不同方向的力學(xué)性能、深沖性能和磁能都有很大的差別,當(dāng)材料的晶體取向分布發(fā)生變化時,其性能也會發(fā)生變化。近幾年來,由于金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)對材料性能的重要影響,國際上大力發(fā)展了織構(gòu)測試技術(shù)。對薄板性能進(jìn)行在線無損檢測,是研究組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的重要背景。由于工業(yè)生產(chǎn)的需要,人們致力于開發(fā)一種有效的測量和計(jì)算方法,使金屬板材的性能通過測量信息直接得到。但是目前的檢測方法存在一定的缺陷,為此,設(shè)計(jì)了一種基于激光超聲的金屬材料紋理檢測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研究的檢測方法有效解決了傳統(tǒng)檢測方法存在的不足,具備一定的實(shí)際應(yīng)用意義。
信號采集也稱為信號提取,一般來說,獲得完整的信息必須滿足一定的條件[1]。當(dāng)采樣頻率超過信號最高頻率的兩倍時,通過將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,采樣數(shù)據(jù)可以描述信號而不會失真,否則將發(fā)生頻率折疊和頻率重復(fù)。因此,當(dāng)信號的最大頻率小于尼奎斯特頻率時,采樣定理可以用采樣數(shù)據(jù)不失真的方式來描述。但在一般的實(shí)際應(yīng)用中,為了保證采樣的順利進(jìn)行,通常采樣頻率是信號最高頻率的5-10倍。在數(shù)據(jù)采集后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,濾波技術(shù)是信號處理中最基本也是最重要的手段,過濾信號可以從復(fù)雜信號中提取需要的超聲信號,對不需要的部分進(jìn)行抑制[2]。其計(jì)算表達(dá)式如下所示:
公式(1)中,ωC代表低通濾波器的截止頻率,N為濾波器的階數(shù)。
在彈性介質(zhì)中,金屬材料表面受到脈沖激光射入,所出現(xiàn)的位移場即是激發(fā)超聲的聲場。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),脈沖激光儀所具備脈沖光斑直徑和寬度[3],這兩個參數(shù)所存在的差異會影響試驗(yàn)結(jié)果。因波速直徑對于金屬材料的橫向尺寸而言,激發(fā)超聲波傳播耗時要大于脈沖激光超聲用時,因此我們采用點(diǎn)源模型描述脈沖波傳播時間問題。假設(shè)一個階躍函數(shù)H(t)來作為激光脈沖時間剖面,物質(zhì)吸收部分激光能量引起的瞬態(tài)溫升將使體積V增大產(chǎn)生體積膨脹。
公式(2)中,α代表線形膨脹系數(shù),Cp表示比熱,ρ代表樣品密度,Q表示吸能轉(zhuǎn)化為電磁能量。
現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法主要有兩種:差分法和積分法。差分法主要建立基本方程,并設(shè)定相應(yīng)的定解條件,得到了近似解,該方法常用于解決空間坐標(biāo)系下的流場問題。金屬材料組織結(jié)構(gòu)檢測遇疑難問題時可以應(yīng)用有限差分法進(jìn)行求解,但這種方法也存在一定弊端,計(jì)算結(jié)果可能存在一定的誤差。積分法是在建立基本方程基礎(chǔ)上進(jìn)行求解,此方法不能構(gòu)造出近似函數(shù),有一定規(guī)律的幾何結(jié)構(gòu)問題可以應(yīng)用積分法進(jìn)行解決。在數(shù)值計(jì)算與分析方面,有限元法也有很大的貢獻(xiàn),其可將連續(xù)解域離散為多個小單元,然后以某種方式合并為一組單元,全解域解中的未知場函數(shù)是由各單元內(nèi)的假定近似函數(shù)表示的,無限連續(xù)自由度問題的特點(diǎn)是有限離散自由度。為此經(jīng)過上述分析采用有限元方法,對激光激勵超聲在材料表面的作用進(jìn)行了模擬計(jì)算[4]。
1.3.1 激光超聲的有限元形式
采用有限元法進(jìn)行熱分析時,其瞬態(tài)過程熱傳導(dǎo)方程可表示為:
1.3.2 激光作用的力函數(shù)
在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)激光作用的力函數(shù)。采用高斯分布函數(shù),建立了脈沖激光作用下的等效功率函數(shù),激光與物質(zhì)相互作用時,熱傳導(dǎo)在能量交換中占主導(dǎo)地位。這一計(jì)算并未考慮物質(zhì)本身對外界的熱輻射和熱對流,將激光器吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能,用激光函數(shù)的空間分布來表示高斯函數(shù)的分布,用材料吸收的能量來表示:
公式(5)中,I0是脈沖激光的功率密度,A(T)代表物料表面吸附能力,f(x,y)、g(t)脈沖激光的時空分布函數(shù)的單獨(dú)表征。
1.3.3 時間步長與單元長度的選取
將材料離散成若干不重疊的單元是FEM的主要方法,建立有限元模型時,數(shù)值積分的穩(wěn)定性容易受到時間步長和單元長度的影響。隨時間步長減小,解的精度提高,超聲高頻成分識別量增加,用最少的時間步長可以得到高精度的解[5]。采用二維傅里葉變換法分析時域波形時,時間步長的選擇也將影響傅里葉變換的精度,同時,也避免了重疊的發(fā)生。但是,如果時間步長過小,就會使有限元計(jì)算的計(jì)算量大大增加。構(gòu)建有限元模型求解時,首先要保證較高的求解精度,盡可能選擇合適的時間步長,而時間步長可以是:
公式(6)中,fmax代表預(yù)期最高頻率,根據(jù)材料中激光激發(fā)超聲的最高頻率來確定預(yù)時間步長,約為激光激發(fā)超聲的最高頻率:
公式(7)中,CR是表面波波速,r0是激光光斑半徑。物質(zhì)離散成非重疊的單元,單元的大小也影響著求解的精度。通常情況下,選擇每個波長至少4個節(jié)點(diǎn)為元素長度。
其中,上式可計(jì)算出材料中的超聲波波長,在計(jì)算完成后得到激光超聲檢測結(jié)果。
為了驗(yàn)證所研究的激光超聲檢測方法的金屬材料織構(gòu)的有效性,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,并將傳統(tǒng)的檢測方法與所研究的檢測方法做對比,對比兩個檢測方法的檢測準(zhǔn)確性,對比結(jié)果如下。
圖1 檢測效果對比
基于上述對比結(jié)果可知,此次研究的基于激光超聲的金屬材料織構(gòu)檢測方法檢測準(zhǔn)確性較高,在幾次實(shí)驗(yàn)中檢測準(zhǔn)確性都高于傳統(tǒng)的檢測方法,具有較好的應(yīng)用效果。
總之,本論文所研究的基于激光超聲波的金屬材料紋理檢測方法,能使紋理的檢測更加準(zhǔn)確、快速,并使紋理的研究工作更具有實(shí)用性。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的超聲波檢測方法在在線檢測金屬材料織構(gòu)方面具有一定的優(yōu)勢。隨著研究的深入,紋理在線測量將會更快、更方便。