金屬材料織構(gòu)的激光超聲檢測(cè)研究

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(guò)程中，晶粒在尺寸、取向分布和形狀上都會(huì)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(shí)，其性能也會(huì)發(fā)生變化。近幾年來(lái)，由于金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的重要影響，國(guó)際上大力發(fā)展了織構(gòu)測(cè)試技術(shù)。對(duì)薄板性能進(jìn)行在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，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(kāi)發(fā)一種有效的測(cè)量和計(jì)算方法，使金屬板材的性能通過(guò)測(cè)量信息直接得到。但是目前的檢測(cè)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(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的檢測(cè)方法有效解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的不足，具備一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 基于激光超聲的金屬材料織構(gòu)檢測(cè)方法

1.1 信號(hào)處理

信號(hào)采集也稱(chēng)為信號(hào)提取，一般來(lái)說(shuō)，獲得完整的信息必須滿(mǎn)足一定的條件[1]。當(dāng)采樣頻率超過(guò)信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，通過(guò)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)可以描述信號(hào)而不會(huì)失真，否則將發(fā)生頻率折疊和頻率重復(fù)。因此，當(dāng)信號(hào)的最大頻率小于尼奎斯特頻率時(shí)，采樣定理可以用采樣數(shù)據(jù)不失真的方式來(lái)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(hào)最高頻率的5-10倍。在數(shù)據(jù)采集后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，濾波技術(shù)是信號(hào)處理中最基本也是最重要的手段，過(guò)濾信號(hào)可以從復(fù)雜信號(hào)中提取需要的超聲信號(hào)，對(duì)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)。

1.2 脈沖激光激發(fā)超聲解析模型構(gòu)建

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(chǎng)即是激發(fā)超聲的聲場(chǎng)。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(gè)參數(shù)所存在的差異會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。因波速直徑對(duì)于金屬材料的橫向尺寸而言，激發(fā)超聲波傳播耗時(shí)要大于脈沖激光超聲用時(shí)，因此我們采用點(diǎn)源模型描述脈沖波傳播時(shí)間問(wèn)題。假設(shè)一個(gè)階躍函數(shù)H(t)來(lái)作為激光脈沖時(shí)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(xiàn)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。

1.3 檢測(cè)數(shù)值模擬

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(chǎng)問(wèn)題。金屬材料組織結(jié)構(gòu)檢測(cè)遇疑難問(wèn)題時(shí)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(wèn)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(gè)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(chǎng)函數(shù)是由各單元內(nèi)的假定近似函數(shù)表示的，無(wú)限連續(xù)自由度問(wèn)題的特點(diǎn)是有限離散自由度。為此經(jīng)過(guò)上述分析采用有限元方法，對(duì)激光激勵(lì)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(shí)，其瞬態(tài)過(guò)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(shí)，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(duì)外界的熱輻射和熱對(duì)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(lái)表示高斯函數(shù)的分布，用材料吸收的能量來(lái)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(shí)空分布函數(shù)的單獨(dú)表征。

1.3.3 時(shí)間步長(zhǎng)與單元長(zhǎng)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(shí)，數(shù)值積分的穩(wěn)定性容易受到時(shí)間步長(zhǎng)和單元長(zhǎng)度的影響。隨時(shí)間步長(zhǎng)減小，解的精度提高，超聲高頻成分識(shí)別量增加，用最少的時(shí)間步長(zhǎng)可以得到高精度的解[5]。采用二維傅里葉變換法分析時(shí)域波形時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)的選擇也將影響傅里葉變換的精度，同時(shí)，也避免了重疊的發(fā)生。但是，如果時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，就會(huì)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(shí)，首先要保證較高的求解精度，盡可能選擇合適的時(shí)間步長(zhǎng)，而時(shí)間步長(zhǎng)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(lái)確定預(yù)時(shí)間步長(zhǎng)，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(gè)波長(zhǎng)至少4個(gè)節(jié)點(diǎn)為元素長(zhǎng)度。

其中，上式可計(jì)算出材料中的超聲波波長(zhǎng)，在計(jì)算完成后得到激光超聲檢測(cè)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證所研究的激光超聲檢測(cè)方法的金屬材料織構(gòu)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并將傳統(tǒng)的檢測(cè)方法與所研究的檢測(cè)方法做對(duì)比，對(duì)比兩個(gè)檢測(cè)方法的檢測(cè)準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果如下。

圖1 檢測(cè)效果對(duì)比

基于上述對(duì)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(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確性較高，在幾次實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)準(zhǔn)確性都高于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，具有較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

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(cè)方法，能使紋理的檢測(cè)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(cè)方法在在線(xiàn)檢測(cè)金屬材料織構(gòu)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著研究的深入，紋理在線(xiàn)測(cè)量將會(huì)更快、更方便。