孫友昭， 楊 荃， 王曉晨， 薛仁杰， 張彥杰

（北京科技大學工程技術(shù)研究院，北京100083）

0 引 言

晶粒尺寸是表征金屬板帶材料內(nèi)部質(zhì)量的重要參數(shù)，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(nèi)在晶粒尺寸檢測主要依賴各種靜態(tài)、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(shù)，但是效率較低，不能在生產(chǎn)過程中對晶粒尺寸進行在線實時檢測，影響質(zhì)量穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率。因此，研究與開發(fā)板帶晶粒尺寸在線檢測技術(shù)，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(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)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(jīng)應用于探傷、晶粒尺寸等檢測［2-4］，而激光超聲技術(shù)是超聲檢測中的一項新興技術(shù)，相比于傳統(tǒng)超聲檢測方法，其具有遠距離激發(fā)和接收、無需耦合劑、可應用于高溫等惡劣環(huán)境的優(yōu)點［5］。采用激光超聲技術(shù)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(zhuǎn)等因素會影響檢測結(jié)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(jié)果的定量影響關(guān)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(fā)射脈沖激光，在金屬材料內(nèi)部激發(fā)超聲波，并采用雙波混合干涉儀探測試樣內(nèi)部往復傳播的超聲波。經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)的變化，使超聲波發(fā)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(jù)平均晶粒尺寸與超聲波波長之間的關(guān)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(shù)分別為：

式中：αs為散射衰減系數(shù)；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(guān)的常數(shù)。吸收衰減系數(shù)具有頻率依賴性，與超聲波頻率的關(guān)系為［9］

式中：Ca為材料常數(shù)。總的衰減系數(shù)是散射衰減系數(shù)與吸收衰減系數(shù)之和，其與平均晶粒尺寸D的關(guān)系為

式中：指數(shù)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(shù)。

基于激光超聲技術(shù)，以脈沖激光器為超聲波的激發(fā)源，采用雙波混合干涉儀探測超聲波在材料內(nèi)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(shù)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(shù)，通過對式（3）進行擬合獲得系數(shù)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(shù)，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(fā)源的超聲波激發(fā)系統(tǒng)；②基于雙波混合干涉原理的超聲波探測系統(tǒng)。

圖1 激光超聲檢測系統(tǒng)示意圖

超聲波激發(fā)系統(tǒng)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(tài)，從而形成超聲振動源。采用Nd：YAG激光器作為激發(fā)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(diào)Q 脈沖模式，參數(shù)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(fā)散角1 mrad，光斑直徑6 mm。脈沖激光依次經(jīng)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(tǒng)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(xù)激光器（參數(shù)為：波長（532± 1）nm，輸出功率2 W，線寬＜0.01 pm，功率波動2%，發(fā)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(jīng)1 / 2 波片后，振動方向由波片的旋轉(zhuǎn)方向決定，經(jīng)過偏振分光鏡后，分束為P光和S光，其中P光繼續(xù)向前傳播，而S 光（參考光）會被反射至垂直方向。繼續(xù)向前傳播的光由組合透鏡聚焦到被測樣品表面，經(jīng)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(jīng)過兩次1 / 4 波片，相當于一個1 / 2 波片，通過調(diào)整1 / 4 波片的旋轉(zhuǎn)角度，將收集的光線調(diào)整為S光（信號光）。最后，經(jīng)超聲振動調(diào)制后的信號光與參考光在光折變晶體內(nèi)發(fā)生干涉［16］，再經(jīng)光電探測器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由示波器進行信號采集。

為了保證檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將激光超聲檢測系統(tǒng)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(chǎn)過程中的移動工況。根據(jù)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(fā)系統(tǒng)光路示意；綠色為超聲波探測系統(tǒng)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(zhì)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，F(xiàn)e 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(xù)激光器并預熱20 min后進行檢測。結(jié)合示波器信號，微調(diào)超聲波激發(fā)系統(tǒng)與探測系統(tǒng)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(shù)據(jù)導出，用于后續(xù)數(shù)據(jù)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(tǒng)信號；藍線為脈沖激光觸發(fā)信號，分別被示波器的1#和2#通道采集。激光超聲探測系統(tǒng)原始信號如圖4 所示，使用測得的第1 與第3 回波振幅，經(jīng)式（4）可計算超聲信號衰減系數(shù)。

圖3 示波器原始信號截圖

4 結(jié) 語

圖4 激光超聲探測系統(tǒng)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(huán)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(fā)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(chǎn)中金屬板帶的移動工況，能夠?qū)z測過程中各項因素的定量影響關(guān)系開展實驗。應用表明，該系統(tǒng)功能完善、靈活性強，曾獲得北京科技大學實驗技術(shù)成果獎，為板帶生產(chǎn)中晶粒尺寸在線檢測提供寶貴的實驗研究環(huán)境，促進激光超聲技術(shù)在板帶生產(chǎn)中的應用轉(zhuǎn)化。