基于激光超聲的金屬板帶晶粒尺寸檢測實驗平臺

孫友昭， 楊 荃， 王曉晨， 薛仁杰， 張彥杰

（北京科技大學工程技術研究院，北京100083）

0 引 言

晶粒尺寸是表征金屬板帶材料內部質量的重要參數，對其力學性能（如強度、硬度、塑性和韌性等）有重要影響［1］。目前，金屬材料的內在晶粒尺寸檢測主要依賴各種靜態、離線、破壞式的方法，這類檢測方法雖然能夠獲得金屬材料的晶粒尺寸參數，但是效率較低，不能在生產過程中對晶粒尺寸進行在線實時檢測，影響質量穩定性與生產效率。因此，研究與開發板帶晶粒尺寸在線檢測技術，做到在線、實時、全程、無損地檢測晶粒尺寸，對提高金屬板帶產品質量的穩定性、均勻性、一致性具有重要意義。

超聲檢測作為無損檢測中的重要方法，已經應用于探傷、晶粒尺寸等檢測［2-4］，而激光超聲技術是超聲檢測中的一項新興技術，相比于傳統超聲檢測方法，其具有遠距離激發和接收、無需耦合劑、可應用于高溫等惡劣環境的優點［5］。采用激光超聲技術檢測金屬板帶晶粒尺寸時，板帶的移動速度、抖動、相對于激光的角度偏轉等因素會影響檢測結果，為了提高其檢測應用的適用性，需要對各項因素與檢測結果的定量影響關系開展實驗研究。

本文設計并搭建了基于激光超聲的金屬板帶晶粒尺寸檢測實驗平臺。該平臺中，使用脈沖激光器發射脈沖激光，在金屬材料內部激發超聲波，并采用雙波混合干涉儀探測試樣內部往復傳播的超聲波。經光電信號轉換后，通過示波器采集信號，進而可以分析與研究各項因素對檢測結果的影響。

1 激光超聲的晶粒尺寸檢測原理

超聲波在金屬材料中傳播時，由于晶粒彈性系數的變化，使超聲波發生散射，造成其能量的衰減，該衰減程度可用于表征材料的晶粒尺寸［6-7］。材料平均粒徑越大，超聲波能量衰減程度越嚴重。

在典型的多晶材料中，超聲波的衰減主要包括散射衰減和吸收衰減。根據平均晶粒尺寸與超聲波波長之間的關系，散射衰減分為瑞利散射、隨機散射與擴散散射［8］，衰減系數分別為：

式中：αs為散射衰減系數；f與λ 分別表示超聲波頻率和波長；D 為材料平均晶粒尺寸；Cr、Cs和Cd分別是對應于瑞利散射、隨機散射、擴散散射與材料特性相關的常數。吸收衰減系數具有頻率依賴性，與超聲波頻率的關系為［9］

式中：Ca為材料常數。總的衰減系數是散射衰減系數與吸收衰減系數之和，其與平均晶粒尺寸D的關系為

式中：指數n對應于瑞利散射、隨機散射、擴展散射分別為3、1、- 1；C1與C2為擬合系數。

基于激光超聲技術，以脈沖激光器為超聲波的激發源，采用雙波混合干涉儀探測超聲波在材料內部往復傳播時在表面引起的微小振動，通過計算第1、第3回波的幅度與能量變化來表征衰減程度，對應的衰減系數為

式中：h是樣本厚度；E1和E3為超聲信號的第1 與第3 回波的振幅。

在對具體牌號的金屬板帶晶粒尺寸檢測時，通過電子背散射衍射（EBSD）實驗與激光超聲實驗分別對標準試樣進行檢測，獲得平均晶粒尺寸與衰減系數，通過對式（3）進行擬合獲得系數C1與C2。從而，在檢測該牌號的其他金屬板帶時，只需使用激光超聲檢測超聲信號的衰減系數，再通過擬合模型求得平均晶粒尺寸［10-12］。

2 實驗平臺設計與搭建

在該實驗平臺中，激光超聲檢測（見圖1）主要由兩部分組成：①以脈沖激光器為激發源的超聲波激發系統；②基于雙波混合干涉原理的超聲波探測系統。

圖1 激光超聲檢測系統示意圖

超聲波激發系統通過激光在金屬材料表面進行輻照，瞬間改變其表面物理狀態，從而形成超聲振動源。采用Nd：YAG激光器作為激發光源，其為激光二極管或閃光管進行光學泵浦的激光器，使用調Q 脈沖模式，參數為：波長1 064 nm，脈寬≤8 ns，單脈沖能量200 mJ，脈沖頻率1 ～20 Hz，功率波動1%，發散角1 mrad，光斑直徑6 mm。脈沖激光依次經過2 個反射鏡，再由圓形凸透鏡縮小光斑，提高能量密度后，以垂直方向照射在被測試樣表面。

超聲波探測系統主要基于光學干涉儀原理，該平臺采用雙波混合干涉原理檢測金屬表面微小超聲振動［13-15］。采用單縱模連續激光器（參數為：波長（532± 1）nm，輸出功率2 W，線寬＜0.01 pm，功率波動2%，發散角＜1.5 mrad，光斑直徑～1.5 mm。）作為干涉儀光源，其窄線寬特點為參考光和信號光提供良好的干涉效果。從激光器射出的激光經1 / 2 波片后，振動方向由波片的旋轉方向決定，經過偏振分光鏡后，分束為P光和S光，其中P光繼續向前傳播，而S 光（參考光）會被反射至垂直方向。繼續向前傳播的光由組合透鏡聚焦到被測樣品表面，經樣品表面散射后返回至組合透鏡，該散射光載有金屬表面超聲振動信息。由于經過兩次1 / 4 波片，相當于一個1 / 2 波片，通過調整1 / 4 波片的旋轉角度，將收集的光線調整為S光（信號光）。最后，經超聲振動調制后的信號光與參考光在光折變晶體內發生干涉［16］，再經光電探測器把光信號轉換為電信號，并由示波器進行信號采集。

為了保證檢測系統的穩定性，將激光超聲檢測系統安裝于負載能力強、剛性高、隔振效果好的光學平臺上。另外，選用電控直線平移導軌作為被測試樣固定裝置，可以模擬金屬板帶生產過程中的移動工況。根據上述設計，基于激光超聲的金屬板帶晶粒尺寸檢測實驗研究平臺實物如圖2 所示，其中紅色為超聲波激發系統光路示意；綠色為超聲波探測系統光路示意。

圖2 實驗平臺實物圖

3 應用示例

采用搭建的激光超聲金屬板帶晶粒尺寸檢測實驗平臺，使用1060 鋁板作為試樣，其長度為50 mm，寬度為20 mm，厚度為5 mm，化學成分組成（質量百分比）：Si 0.25，Cu 0.05，Mg 0.03，Zn 0.05，Mn 0.03，Ti 0.03，V 0.05，Fe 0.35，Al 99.60。

將鋁板試樣夾持固定在電控直線平移導軌的移動平臺上，打開脈沖激光器與連續激光器并預熱20 min后進行檢測。結合示波器信號，微調超聲波激發系統與探測系統光路以提升檢測效果，設定平移導軌移動速度并啟動，記錄檢測過程中示波器信號。檢測完成后，將示波器中的信號數據導出，用于后續數據處理。示波器原始信號截圖如圖3 所示，其中1#窗口是全部采集信號；2#窗口是1#窗口信號的局部放大；黃線是超聲波探測系統信號；藍線為脈沖激光觸發信號，分別被示波器的1#和2#通道采集。激光超聲探測系統原始信號如圖4 所示，使用測得的第1 與第3 回波振幅，經式（4）可計算超聲信號衰減系數。

圖3 示波器原始信號截圖

4 結 語

圖4 激光超聲探測系統原始信號

激光超聲具有遠距離、無損檢測的特點，能夠應用于高溫等惡劣環境。為了開展激光超聲檢測金屬板帶晶粒的實驗，搭建上述實驗平臺。該平臺由超聲波激發光路、雙波混合干涉儀探測光路、電控直線平移導軌、示波器、隔振光學平臺組成，可以模擬生產中金屬板帶的移動工況，能夠對檢測過程中各項因素的定量影響關系開展實驗。應用表明，該系統功能完善、靈活性強，曾獲得北京科技大學實驗技術成果獎，為板帶生產中晶粒尺寸在線檢測提供寶貴的實驗研究環境，促進激光超聲技術在板帶生產中的應用轉化。