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        基于激光超聲的金屬材料晶粒尺寸在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)*

        2022-12-16 06:22:42王曉晨張佳敏薛仁杰
        航空制造技術(shù) 2022年20期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)檢測(cè)

        王曉晨,毛 星,張佳敏,楊 荃,徐 冬,薛仁杰

        (北京科技大學(xué),北京 100083)

        金屬材料晶粒尺寸在材料力學(xué)性能表征中起到關(guān)鍵作用[1–3]。近年來(lái),隨著智能工廠建設(shè)的推進(jìn),基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)互聯(lián)和實(shí)時(shí)交互對(duì)冶金裝備智能化提出了新的要求。研究和開(kāi)發(fā)金屬材料晶粒尺寸在線檢測(cè)和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù),做到在線、全程、實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè),并在條件成熟的情況下將檢測(cè)信息及時(shí)反饋至相應(yīng)的生產(chǎn)工序,從而調(diào)整工藝參數(shù),改進(jìn)生產(chǎn)流程,對(duì)保障板帶金屬產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、均勻性具有十分重要的意義,是當(dāng)前工業(yè)上亟須發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)。

        目前常用的晶粒尺寸檢測(cè)方法有金相法[4–7]、X射線衍射(XRD)法和超聲法。其中,金相法通過(guò)多道工序獲取金屬材料的顯微組織圖像后,對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì),這種方法檢測(cè)精度較高,但為離線式、破壞性檢測(cè)。對(duì)于靜態(tài)或緩慢移動(dòng)的樣品,X射線衍射方法[8]可以實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的原位檢測(cè),但X射線對(duì)人體具有一定的危害,必須做好防護(hù)措施[9]。傳統(tǒng)的超聲法根據(jù)激發(fā)和接收超聲的方式不同,主要包括壓電超聲技術(shù)、水浸超聲技術(shù)和電磁超聲技術(shù)[10]。上述方法均難以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的在線檢測(cè)。

        激光超聲技術(shù)通過(guò)激光在物體表面激發(fā)和接收超聲波,具有非接觸、能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離激發(fā)和接收、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),是一項(xiàng)具有工業(yè)應(yīng)用前景的檢測(cè)技術(shù)。1963年,White[11]提出用脈沖激光照射固體表面產(chǎn)生脈沖超聲后,激光超聲技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注[12]。2008年,Sarkar等[13]基于激光超聲技術(shù)對(duì)以Mn、Mo和Nb為主要合金元素的低碳鋼晶粒尺寸的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在2012年,Maalekian等[14]采用激光超聲的方法監(jiān)測(cè)了Ti/Nb合金中奧氏體晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程,其團(tuán)隊(duì)的Militzer等[15]對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程做了相關(guān)的研究。2014年,Sano等[16]利用激光超聲技術(shù)測(cè)量了鋼板的晶粒尺寸。

        北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院研究團(tuán)隊(duì)自2010年開(kāi)始,基于激光超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬材料微觀組織進(jìn)行了大量的研究。在復(fù)合結(jié)構(gòu)材料檢測(cè)方面,根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程中超聲波的衰減、頻散等參數(shù)的變化,對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠層進(jìn)行固化監(jiān)測(cè)[17]。在晶粒尺寸檢測(cè)方面,通過(guò)探索金屬內(nèi)部超聲激發(fā)與傳播規(guī)律、超聲波衰減與微觀晶粒尺寸的影響關(guān)系[18],研究了基于超聲能量衰減[19]及其頻譜特性的平均晶粒尺寸[20–22]與分布規(guī)律表征模型[23]和基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的激光超聲晶粒尺寸表征[24];搭建了嚴(yán)格無(wú)損檢測(cè)光路,將粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于超聲信號(hào)預(yù)測(cè)金屬晶粒尺寸與分布[25];建立了與超聲縱波速度線性相關(guān)的雙相鈦合金初生α相體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)模型[26]。

        超聲波在金屬上下表面往復(fù)傳播時(shí),超聲特征參數(shù)如聲速、衰減等會(huì)攜帶傳播路徑上材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)信息,因而超聲縱波和橫波常作為檢測(cè)金屬板帶晶粒尺寸的媒介[27]?;诩す獬暤木Я3叽缭诰€無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是能在嚴(yán)格無(wú)損的情況下,對(duì)運(yùn)動(dòng)中試樣的晶粒尺寸實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)。本文將圍繞激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于超聲衰減法的金屬晶粒尺寸及其分布表征模型及檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析展開(kāi)研究。

        1 激光超聲無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

        激光超聲無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括超聲波的激發(fā)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)采集和信號(hào)處理4個(gè)部分,如圖1所示。

        圖1 激光超聲無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser ultrasonic nondestructive testing experimental system

        1.1 超聲波激發(fā)系統(tǒng)

        激光激發(fā)超聲波的原理主要有兩種,低能量嚴(yán)格無(wú)損的熱彈激發(fā)機(jī)制和高能量有一定損傷的燒蝕激發(fā)機(jī)制[28]。當(dāng)激光脈沖的能量密度較低,不足以引起表面發(fā)生不可逆的熔融等物理變化時(shí),獲得能量的脈沖激光輻照區(qū)域溫度升高,產(chǎn)生熱膨脹,脈沖激光輻照過(guò)后隨著溫度降低材料發(fā)生收縮,這種由局部應(yīng)力和位移的快速變化形成的具有梯度分布的位移激發(fā)超聲波的機(jī)制為熱彈機(jī)制,入射激光只造成了材料表面的溫升,是在熱彈機(jī)制下無(wú)材料損傷的超聲波激發(fā)過(guò)程,如圖2(a)和(b)所示;當(dāng)入射到物體表面的脈沖激光的能量密度較高,超過(guò)物體表面的損傷閾值時(shí),照射則會(huì)引起材料發(fā)生不可逆的表面熔融,發(fā)生氣化、等離子體噴濺等現(xiàn)象,即燒蝕機(jī)制,表面材料的噴濺產(chǎn)生反向作用力,激發(fā)超聲波[28],如圖2(c)和(d)所示。

        圖2 激光激發(fā)超聲波原理及對(duì)應(yīng)的樣品表面形貌Fig.2 Laser-excited ultrasonic wave principle and sample surface morphology

        基于無(wú)損檢測(cè)需求,本文采用熱彈機(jī)制激發(fā)超聲波,熱彈機(jī)制對(duì)試樣表面無(wú)損傷,但存在激發(fā)能量較低的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題,常見(jiàn)的光學(xué)陣列增強(qiáng)激發(fā)能量的方法包括通過(guò)時(shí)間或空間調(diào)制增強(qiáng)信號(hào)幅值[27]??紤]到超聲波的方向性等因素,采用環(huán)形激光激發(fā)來(lái)增強(qiáng)超聲波。如圖3所示,超聲波的激發(fā)系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)分別位于被檢測(cè)樣品的兩側(cè)。在激發(fā)側(cè),脈沖激光通過(guò)凹透鏡將光束擴(kuò)大,經(jīng)兩個(gè)凸透鏡將光源匯聚到合適的大小,再通過(guò)錐透鏡由圓形光斑轉(zhuǎn)換為環(huán)形光斑,照射到樣品表面,產(chǎn)生超聲波。其中錐透鏡的位置決定了環(huán)形光源的半徑,通過(guò)調(diào)節(jié)凸透鏡(圖3中凸透鏡2)和錐透鏡之間的距離可以調(diào)節(jié)環(huán)形源的寬度。系統(tǒng)采用型號(hào)為Dawa–200的Nd∶YAG激光器進(jìn)行超聲波的激勵(lì),Dawa系列激光器采用了VRM(Variable reflectivity mirror)的先進(jìn)技術(shù),近場(chǎng)為近平頂光束,光斑模式分布均勻,遠(yuǎn)場(chǎng)為高斯光束,該激光器主要參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 Dawa–200型脈沖激光器參數(shù)Table 1 Parameters of Dawa–200 pulsed laser

        1.2 超聲波探測(cè)系統(tǒng)

        在諸多超聲波探測(cè)方法中,光學(xué)檢測(cè)法利用連續(xù)激光輻照在試樣表面,通過(guò)接收其反射光,感知振幅、相位、頻率等的改變,從而獲得超聲振動(dòng)信號(hào)[29]。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性,生產(chǎn)時(shí)金屬板帶有一定的粗糙度且可能存在低頻振動(dòng)等干擾。針對(duì)這一問(wèn)題,段昌琪[30]認(rèn)為帶有硅酸鉍(Bi12SiO20)光折變晶體的雙波混合干涉儀探測(cè)系統(tǒng)適合這一工況,其具有如下特點(diǎn):(1)可測(cè)量較大粗糙度的表面;(2)能自動(dòng)濾除低頻噪聲信號(hào)及低頻振動(dòng)信號(hào);(3)參考光路和信號(hào)光路路徑長(zhǎng)度可調(diào)節(jié);(4)聚光能力強(qiáng)。

        本文搭建的雙波混合干涉儀采用532 nm的單縱模連續(xù)激光器,具體性能參數(shù)見(jiàn)表2。如圖3所示,由試樣表面反射信號(hào)光束與參考光束在BSO光學(xué)變晶體中相干涉而形成動(dòng)態(tài)光柵,參考光通過(guò)全息光柵,入射到晶體內(nèi)部的部分參考光能量會(huì)被泵浦到信號(hào)光中,信號(hào)光光強(qiáng)發(fā)生明顯變化,并被光電探測(cè)器接收,從而獲取試樣表面的信息。單縱模連續(xù)激光器即以單一的頻率在激光器諧振腔內(nèi)反復(fù)振蕩,其光強(qiáng)在空間分布上為高斯分布。Thorlabs公司的偏振分光鏡立方體通過(guò)介電分束器涂層分離S和P偏振分量,偏振S分量作為反射光輸出,偏振P分量作為透射光穿透偏振分光鏡。這些立方體用于傳輸光束,對(duì)于透射光,分光鏡的消光比 TP∶TS> 1000∶1;對(duì)于反射光,分光鏡的消光比大約是(20∶1)~(100∶1)。

        表2 連續(xù)激光器參數(shù)Table 2 Parameters of continuous laser

        圖3 超聲波激發(fā)系統(tǒng)及探測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic excitation system and detection system mechanism

        1.3 高速信號(hào)采集系統(tǒng)

        為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)板帶的在線檢測(cè),需要對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和處理,傳統(tǒng)的示波器難以應(yīng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。文獻(xiàn)[27]中搭建的高速信號(hào)采集系統(tǒng)以NI–PXIe5160高速采集平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),以數(shù)據(jù)采集卡為硬件,LabVIEW為軟件。采集卡的采樣率達(dá)到 2.5 G/s,采樣點(diǎn)數(shù)104,幅值采樣精度為4 mV。此外,該平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)信號(hào)高速采集的同時(shí)還可以實(shí)時(shí)處理信號(hào),是傳統(tǒng)示波器和信號(hào)分析儀器的結(jié)合。通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡以隊(duì)列形式實(shí)現(xiàn)10 Hz的采集存儲(chǔ)速率,并通過(guò)嵌入Matlab程序?qū)崿F(xiàn)超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。NI–PXIe 5160高速采集平臺(tái)主要參數(shù)如表 3所示。

        表3 NI–PXIe采集平臺(tái)主要參數(shù)Table 3 Main parameters of NI–PXIe acquisition platform

        1.4 激光超聲信號(hào)處理

        為從超聲信號(hào)中獲取更多的有效信息,在建立精準(zhǔn)的表征模型之前,需要對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行降噪處理,消除由系統(tǒng)以及環(huán)境引起的噪音,提高信噪比。為此,Xue等[24]針對(duì)采集到的激光超聲信號(hào),用基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)的分解與重構(gòu)方法對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行去噪,其計(jì)算過(guò)程為:首先,將有限幅度的白噪聲添加到原始信號(hào)x(t),然后使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法將其分解為不同階次的固有模態(tài)函數(shù)(IMF),重復(fù)上述兩個(gè)步驟,每次分解加入幅值不同的白噪聲信號(hào)得到IMF集合;計(jì)算IMF集合中每個(gè)IMF的平均值,作為最終IMF;其次,通過(guò)皮爾遜相關(guān)系數(shù)法,去除前幾個(gè)相關(guān)性差的高頻噪聲及后幾個(gè)相關(guān)性突然增加的線性趨勢(shì)部分;最后,將剩余的IMF重構(gòu),得到去噪去趨勢(shì)的信號(hào)。集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與重構(gòu)的效果見(jiàn)圖4,去噪后的信號(hào)可用于后續(xù)計(jì)算超聲波的衰減系數(shù),為最終的平均晶粒尺寸精度提供基本保障。

        圖4 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與重構(gòu)的原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)Fig.4 Original and reconstructed signals of ensemble empirical mode decomposition and reconstruction

        2 金屬材料晶粒尺寸及分布 預(yù)測(cè)模型

        2.1 超聲法檢測(cè)金屬材料晶粒尺寸 原理

        基于激光超聲技術(shù)的金屬材料晶粒尺寸檢測(cè)是根據(jù)超聲波在多晶材料中傳播時(shí)的能量耗散進(jìn)行表征的。由于晶粒界面聲阻抗不同,超聲波在多晶體中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生散射衰減。通常按照晶粒尺寸D與超聲波波長(zhǎng)λ的相對(duì)關(guān)系,衰減系數(shù)α與晶粒尺寸的關(guān)系可以分為3種情況[31]:

        式中,Kr、Ks、Kd為與材料有關(guān)的常數(shù);f為超聲波頻率。

        超聲波衰減系數(shù)可以通過(guò)時(shí)域信息計(jì)算不同回波的能量衰減獲得。為了消除近場(chǎng)衍射效應(yīng)造成的誤差,截取靠后的兩次相鄰回波。通過(guò)兩次波峰的能量譜(幅值的平方),計(jì)算出超聲波能量衰減系數(shù)[32]:

        式中,l為樣品厚度;xi(t)和xi+1(t)分別為相鄰兩次回波波峰的時(shí)間序列。

        根據(jù)得到的超聲波能量衰減系數(shù),通過(guò)式(1)中衰減系數(shù)α與晶粒尺寸的關(guān)系,最終得到金屬材料的平均晶粒尺寸。

        2.2 基于能量衰減的平均晶粒尺寸 表征模型

        以一組鋁合金樣品為例,簡(jiǎn)要說(shuō)明根據(jù)超聲波衰減表征平均晶粒尺寸的建模過(guò)程。首先,通過(guò)不同的熱處理工藝獲取不同平均晶粒尺寸的檢測(cè)試樣,將每個(gè)試樣一分為二,一部分用于通過(guò)電子背散衍射(EBSD)方法統(tǒng)計(jì)試樣的平均晶粒尺寸,另一部分用于激光超聲試驗(yàn),取激光超聲信號(hào)中心頻率f= 15 MHz,按照式(1)對(duì)EBSD法獲得的平均晶粒尺寸DAVE和激光超聲試驗(yàn)得到的不同試樣的衰減系數(shù)α之間的關(guān)系進(jìn)行擬合(圖5[27]),得到平均晶粒尺寸DAVE和衰減系數(shù)α之間的關(guān)系式:

        圖5 晶粒尺寸與衰減系數(shù)的關(guān)系[27]Fig.5 Relationship between grain size and attenuation coefficient[27]

        該建模過(guò)程適用于鋼鐵、鋁等單相金屬材料,實(shí)際應(yīng)用時(shí),輸入由激光超聲試驗(yàn)信號(hào)得到的衰減系數(shù)就能根據(jù)式(3)得到金屬的平均晶粒尺寸。

        2.3 基于頻譜衰減的晶粒尺寸分布 表征模型

        許多科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)情況下,金屬材料晶粒尺寸分布服從對(duì)數(shù)–正態(tài)分布[32–34],分布形式為

        式中,D為晶粒尺寸;μ為晶粒尺寸的均值;σ為晶粒尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差。

        為了精確表征材料的微觀組織,董峰[27]以TC4鈦合金為例,簡(jiǎn)要介紹了基于衰減系數(shù)譜對(duì)晶粒尺寸分布進(jìn)行表征的建模過(guò)程。將經(jīng)過(guò)不同熱處理工藝后的TC4鈦合金試樣分為兩組,第1組試樣標(biāo)記0# ~ 4#,為標(biāo)定組,第2組試樣標(biāo)記5# ~ 8#,為驗(yàn)證組。將通過(guò)EBSD試驗(yàn)得到的二維晶粒尺寸分布,采用 Schwartz–Saltykov[35–36]法轉(zhuǎn)換為三維晶粒尺寸離散分布,得到晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如圖6所示[23],基本符合對(duì)數(shù)–正態(tài)分布規(guī)律。

        圖6 試樣晶粒尺寸分布[23]Fig.6 Grain size distribution of samples[23]

        根據(jù)波長(zhǎng)與晶粒尺寸之間的關(guān)系,本組試樣的衰減機(jī)制為瑞利散射,衰減系數(shù)與晶粒尺寸及分布的關(guān)系為

        式中,CR和α0均為常數(shù),需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

        圖7[23]為標(biāo)定試樣0# ~ 4#在不同頻率下的衰減系數(shù)譜。由式(5)可知,衰減系數(shù)α與f4呈線性關(guān)系,通過(guò)引入式(6)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρc對(duì)不同試樣的衰減系數(shù)α與f4間的線性關(guān)系進(jìn)行衡量。

        圖7 標(biāo)定組的衰減系數(shù)譜[23]Fig.7 Attenuation coefficient spectrum of calibration samples[23]

        建立皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρc與晶粒尺寸分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系,如圖8所示[23]??梢钥闯觯Я3叽鐦?biāo)準(zhǔn)差σ越大的試樣,相關(guān)系數(shù)ρc越小,且二者呈較好的線性關(guān)系。將試驗(yàn)獲得的各參數(shù)值代入式(5),即可對(duì)常數(shù)CR和α0進(jìn)行求解, 標(biāo)定后的模型可用于晶粒尺寸分布的預(yù)測(cè)。

        圖8 皮爾遜相關(guān)系數(shù)與晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系[23]Fig.8 Relationship between Pearson correlation coefficient and standard deviation of grain size[23]

        建立表征模型后,采用與標(biāo)定組同批次的驗(yàn)證組樣品5# ~ 8#對(duì)表征模型進(jìn)行驗(yàn)證。每個(gè)樣品取20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行激光超聲試驗(yàn),計(jì)算出每個(gè)試樣晶粒尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。表4為標(biāo)定組EBSD試驗(yàn)結(jié)果與激光超聲試驗(yàn)表征模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比。與EBSD試驗(yàn)結(jié)果相比,4個(gè)驗(yàn)證樣品表征模型的均值μ的平均值誤差最大為4.483%,最大誤差為13.293%;標(biāo)準(zhǔn)差σ平均值誤差最大為2.605%,最大誤差為7.037%。因此,建立的表征模型的晶粒尺寸及分布的預(yù)測(cè)精度為均值μ的誤差不超過(guò)13.293%,標(biāo)準(zhǔn)差σ的誤差不超過(guò)7.037%。

        表4 驗(yàn)證組試樣EBSD和激光超聲試驗(yàn)表征結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of the EBSD and laser ultrasonic experiment of the verification group samples

        3 檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

        高速移動(dòng)的板帶不僅對(duì)干涉儀和信號(hào)采集系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力有要求,而且要求整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性和抗干擾能力。由于板帶移動(dòng)引起的面外抖動(dòng)致使離焦量超出景深范圍或角度偏轉(zhuǎn)超出一定范圍,從而導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)接收不到信號(hào),為此,董峰[27]采用帶有旋轉(zhuǎn)和平移臺(tái)的微型軋機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬板帶樣品的移動(dòng)控制(圖9),并研究了板帶移動(dòng)速度、偏轉(zhuǎn)角及面外抖動(dòng)等3種因素對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。

        圖9 基于激光超聲的晶粒尺寸在線檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)[27]Fig.9 Experimental platform for online detection of grain size based on laser ultrasound[27]

        將樣品固定在試驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行激光超聲試驗(yàn),樣品平移速度在0~20 mm/s變化,分析移動(dòng)速度對(duì)超聲信號(hào)質(zhì)量的影響。采用1.4節(jié)中的方法處理后,信號(hào)如圖10所示[27]。結(jié)果表明,當(dāng)樣品移動(dòng)速度在20 mm/s以內(nèi)時(shí),采用本文所設(shè)計(jì)的激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)的信號(hào)處理方法,不受移動(dòng)速度影響。

        圖10 不同移動(dòng)速度的超聲波信號(hào)[27]Fig.10 Ultrasonic signals with different moving speeds[27]

        為確定檢測(cè)系統(tǒng)兼容的最大面外振動(dòng)幅值,讓樣品處于不同的離焦量下進(jìn)行以上類似試驗(yàn)。采用1.4節(jié)中介紹的方法處理后,信號(hào)如圖11所示[27]。結(jié)果表明,隨著離焦量的增加,測(cè)得的超聲信號(hào)信噪比逐漸降低;當(dāng)離焦量在7.2 mm以內(nèi)時(shí),超聲信號(hào)滿足后續(xù)的模型計(jì)算。

        圖11 不同離焦量對(duì)應(yīng)的超聲波信號(hào)[27]Fig.11 Ultrasonic signals with different out-of-focus amounts[27]

        為確定檢測(cè)系統(tǒng)兼容的最大偏轉(zhuǎn)角度,讓樣品處于不同的偏轉(zhuǎn)角度下進(jìn)行以上類似試驗(yàn)。采用第1.4中介紹的方法處理后,信號(hào)如圖12所示[27]。結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的激光超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)可兼容的板帶偏轉(zhuǎn)角度不超過(guò)0.8°。

        圖12 不同偏轉(zhuǎn)角度的超聲波信號(hào)[27]Fig.12 Ultrasonic signals with different deflection angles[27]

        4 結(jié)論

        本文分析了激光超聲檢測(cè)晶粒尺寸及分布的最新研究進(jìn)展,并進(jìn)行總結(jié)描述。

        (1)采用環(huán)形光源激發(fā)超聲波,搭建了一個(gè)基于熱彈機(jī)制的激光超聲無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái),避免了燒蝕機(jī)制對(duì)試樣表面約0.3 μm的損傷,實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格無(wú)損檢測(cè)。該平臺(tái)所含的高速信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行高速采集和存儲(chǔ)的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

        (2)對(duì)數(shù)字信號(hào)采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及重構(gòu)方法,實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪的同時(shí)去除趨勢(shì)線,為進(jìn)一步提高晶粒度預(yù)測(cè)精度做好基礎(chǔ)。

        (3)提出基于能量衰減的平均晶粒尺寸表征模型、基于頻譜衰減的晶粒尺寸分布表征模型。其中,晶粒尺寸及分布的表征模型預(yù)測(cè)精度為均值μ誤差不超過(guò)13.293%,標(biāo)準(zhǔn)差σ誤差不超過(guò)7.037%。

        (4)對(duì)板帶移動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)、面外抖動(dòng)等進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并提出了對(duì)于低頻振動(dòng)信號(hào)的處理方法??梢詫?shí)現(xiàn)移動(dòng)速度在20 mm/s以內(nèi)、面外抖動(dòng)±7 mm及偏轉(zhuǎn)角度在0.8°以內(nèi),整套系統(tǒng)不受移動(dòng)速度影響。

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