CN114295731B - 一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法。其步骤为：1)将脉冲激光器探头置于工件亚表面缺陷的一侧，与亚表面缺陷相距d₁；2)将激光测振仪放置在工件亚表面缺陷的另一侧；3)利用激光测振仪接收模态转换表面波R₁；4)将脉冲激光器探头向亚表面缺陷移动，使探头与亚表面缺陷距离为d₂；5)利用激光测振仪接收模态转换表面波R₂；6)通过模态转换波R₁和R₂的到达时间和距离d₁与d₂，计算纵波声速和亚表面缺陷的深度。本发明能够用于超精密加工在位检测和其他一些高温高压等特殊环境中的亚表面缺陷深度的检测。

Description

一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法

技术领域

本发明涉及定量无损检测领域，尤其涉及一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的的定量无损测量方法。

背景技术

亚表面缺陷，是在表面下方百微米左右深度地方，大小为几微米到数十微米之间的裂纹和气孔，往往是在精密或者超精密加工过程中产生的。亚表面缺陷的存在会大大降低零件的强度和缩短零件的使用寿命，对设备的安全运行带来极大的威胁，轻则使得设备发生故障，无法正常运行，重则引发重大安全事故，造成严重的经济损失。因此，如果能在加工过程中检测出亚表面缺陷，并且能够定量测得其深度，则便于在后续的加工过程中予以去除。但是由于亚表面缺陷在表面下方，无法通过普通的光学方法检测。然后其具有深度浅，尺寸小等特征，常规的无损检测方法也很难检测到，对其深度进行定量检测则更是难上加难。为此，众多学者致力于研究定量检测亚表面缺陷的方法。

在已有的研究中，Jin等人利用TOFD方法，对浅表亚表面裂纹深度进行了定量检测。该方法将TOFD检测方法的盲区从深度5.5mm减小到2.4mm。但是，该方法对于深度小于2mm的亚表面缺陷仍然无能为力。Paehler等人利用激光超声对硅片加工过程中的亚表面裂纹去除情况进行在线监测，他们发现随着硅片在加工过程中亚表面裂纹的去除，硅片的杨氏模量也会随之变化，通过对硅片杨氏模量的变化，可以对加工过程中硅片亚表面裂纹去除情况进行监测。该方法目前只能做定性分析，还无法做到定量检测。Xu等人利用经过频率调制后的连续激光器激励超声，同时对硅片下方埋藏缺陷深度进行了定量检测。由于所激励的超声频率与连续激光器的调制频率一致，因此该方法只能对于波长尺寸相当的缺陷进行检测。其他无损检测方法，如扫描超声显微镜法和X射线检测法等，在亚表面缺陷的定量检测中也有所应用。但是扫描超声显微镜法需要耦合剂，待测件往往是放置在水槽中，无法做到在位检测，且可能污染样品。X射线方法虽然精度高，但是对裂纹类型亚表面缺陷不敏感，且设备昂贵和X射线对人体有害。

在无损检测领域，检测到并定位缺陷不是终点，对缺陷尺寸能够进行定量检测才是最终目标，对于精密和超精密加工中产生的亚表面缺陷更是如此。只有在定量检测到亚表面缺陷的深度后，才能够优化加工参数，在后续的加工将亚表面缺陷去除掉。在已有的无损检测方法中，很少有能对亚表面缺陷的深度进行定量测量。本发明能够快速准确的对亚表面缺陷深度进行定量测量，并且无需提前获知超声波在待测材料中的传播速度。本发明还可以用于在位测量，或者用于高温高压等极端环境下的亚表面缺陷深度的定量检测。

发明内容

本发明是为了定量检测精密/超精密加工过程中在材料表面下方所产生的亚表面缺陷的深度，以指导后续加工将缺陷去除掉，而提出的一种基于激光激励纵波的亚表面缺陷深度的定量测量方法。其具体方案如下：

一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，包括以下步骤：

1)将脉冲激光器探头和激光测振仪分别放置于工件亚表面缺陷的相反侧，且脉冲激光器探头与被测亚表面缺陷之间的横向距离为d₁。

2)脉冲激光器探头发射脉冲激光照射在工件上，在工件内部激励出超声纵波，利用激光测振仪测得入射的超声纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₁，并记录表面波信号R₁的到达时间t_R1。

3)将脉冲激光器探头向靠近亚表面缺陷的方向移动，使得探头与亚表面缺陷之间的横向距离为d₂；之后，脉冲激光器探头在此发射脉冲激光照射在工件上，激光测振仪测得入射的超声纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₂，并记录表面波信号R₂的到达时间t_R2。

4)计算出亚表面缺陷的深度h如下：

其中，Δt＝t_R1-t_R2；v_p为超声波信号在被测工件中的传播速度。

作为优选，超声纵波的激发方法为激光点源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声纵波。

作为优选，超声纵波的激发方法为线源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜将激光聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出超声纵波。

进一步的，所述的亚表面缺陷为气孔形缺陷；脉冲激光器探头发射的脉冲激光为点源脉冲激光；所述的点源脉冲激光与亚表面缺陷和激光测振仪在同一直线上。

进一步的，所述的亚表面缺陷为圆柱形缺陷，脉冲激光器探头发射的脉冲激光为线源脉冲激光；所述的线源激光与亚表面缺陷的轴线平行。

作为优选，步骤4)中所述的传播速度v_p利用t_R1、t_R2、d₁、d₂计算得到，具体表达式如下：

v_p＝(d₁-d₂)/Δt

作为优选，脉冲激光器探头与亚表面缺陷的横向距离d₁和d₂，以及激光测振仪与亚表面缺陷的距离均为5～10mm，以保证接收到的超声波的信噪比。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1.本发明方法简单，检测速度快，只需测量两次即可获得亚表面缺陷深度；同时检测精度高，适用范围广，能够用于亚表面缺陷深度小于1mm的情况。

2.本发明无需提前获知待测材料中超声纵波传播速度，可直接通过本发明计算得到，更加方便。

3.本发明为非接触式测量，可以用于加工中的在位检测，无需二次装夹，对加工过程的质量控制更加友好。

附图说明

图1是基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法的一种检测状态示意图。

图2是激光测振仪探测到的超声信号图。

图中，工件1、亚表面缺陷2、脉冲激光器探头3、激光测振仪4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。

本发明的实施例涉及一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，该方法利用聚焦成点源的脉冲激光在工件内部产生超声纵波，超声纵波遇到亚表面缺陷而产生模态转换表面波信号，通过对模态转换表面波信号的接收和分析，从而实现对工件亚表面缺陷深度的定量检测。

如图1和2所示，该基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，具体步骤如下：

1)将脉冲激光器探头3放置于工件1亚表面缺陷2的一侧，与亚表面缺陷的横向距离为d₁；横向距离表示探头与亚表面缺陷的连线在垂直于深度方向的投影平面上的投影长度。亚表面缺陷的横向位置能够通过现有技术测得。

2)将激光测振仪4放置在亚表面缺陷2的另外一侧。

3)脉冲激光器探头3发射脉冲激光照射在工件上，在工件内部激励出超声纵波，利用激光测振仪测4得入射纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₁，继而得到该信号波谷的达到时间t_R1。

4)将脉冲激光器探头3向亚表面缺陷2移动一定距离，使得探头与亚表面缺陷横向距离为d₂，重复步骤3)，得到入射纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₂及其波谷达到激光测振仪的时间t_R2。

5)通过步骤3)和4)中激光测振仪测量得到的超声波信号到达时间t_R1与t_R2，和脉冲激光器探头3与亚表面缺陷2的距离d₁与d₂，先计算出超声纵波在工件中的传播速度v_p，进而计算出亚表面缺陷的深度h。计算公式如下：

v_p＝(d₁-d₂)/Δt

其中Δt＝t_R1-t_R2。

以上述方法对某中碳钢亚表面缺陷深度进行检测，其中钢块的长100mm、宽50mm、厚5mm，用基恩士VHX-600光学显微镜从工件侧面测量得到亚表面缺陷深度作为参照。将钢块放置在样品平台上，并用脉冲激光器探头和激光测振仪分别在钢块上的亚表面缺陷的两侧激发和接收表超声波，激光测振仪将探测到的信号传输给示波器进行存储，然后再将保存的数据转到电脑上读取，供后续计算使用。保持激光测振仪的位置不变，将脉冲激光器探头向亚表面缺陷移动一段距离，同样再次进行超声纵波的激励和接收，保存并读取超声信号，获取超声波时间，用于计算亚表面缺陷深度。

通过以上方法对深度分别为110.71μm、269.48μm的两个亚表面缺陷分别进行测量，测量结果及其相对误差如下表所示：

从表中可以看出，本发明对于材料亚表面缺陷深度的检测结果具有很高的精度，且本检测方法简单快速有效，为非接触检测，无需将待测样品从加工中取下放到待测区检测，可实现在位检测，提高了检测效率。同时本发明也可使用接触式PZT传感器探头接收超声，以降低设备成本，以便在工业中更加广泛使用。

Claims (4)

1.一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将脉冲激光器探头和激光测振仪分别放置于工件亚表面缺陷的相反侧，且脉冲激光器探头与被测亚表面缺陷之间的横向距离为d₁；

2)脉冲激光器探头发射脉冲激光照射在工件上，在工件内部激励出超声纵波，利用激光测振仪测得入射的超声纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₁，并记录表面波信号R₁的到达时间t_R1；

3)将脉冲激光器探头向靠近亚表面缺陷的方向移动，使得探头与亚表面缺陷之间的横向距离为d₂；脉冲激光器探头与亚表面缺陷的横向距离d₁和d₂，以及激光测振仪与亚表面缺陷的距离均为5～10mm，以保证接收到的超声波的信噪比；之后，脉冲激光器探头在此发射脉冲激光照射在工件上，激光测振仪测得入射的超声纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₂，并记录表面波信号R₂的到达时间t_R2；

4)计算出亚表面缺陷的深度h如下：

其中，Δt＝t_R1-t_R2；v_p为超声波信号在被测工件中的传播速度；

所述的传播速度v_p利用t_R1、t_R2、d₁、d₂计算得到，具体表达式如下：

v_p＝(d₁-d₂)/Δt。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，其特征在于：超声纵波的激发方法为激光点源激发或线源激发。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，其特征在于：所述的亚表面缺陷为气孔形缺陷；脉冲激光器探头发射的脉冲激光为点源脉冲激光；所述的点源脉冲激光与亚表面缺陷和激光测振仪在同一直线上。

4.根据权利要求2所述的一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，其特征在于：所述的亚表面缺陷为圆柱形缺陷，脉冲激光器探头发射的脉冲激光为线源脉冲激光；所述的线源激光与亚表面缺陷的轴线平行。

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