CN107747922B - 一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法。其步骤为：1)将激光器探头安装到位移平台上；2)脉冲激光器探头和超声波探头分别放置在工件亚表面缺陷的两侧；3)脉冲激光器发出脉冲激光在工件上激励出超声波，超声探头分别测得直达表面波信号R和与缺陷相互作用后的反射回信号PR；4)控制位移平台运动，使脉冲激光在亚表面缺陷的一侧以某一距离Δd扫描n(n≥2)个点，超声探头在每扫描一个点时接收直达波和反射回波；5)通过超声探头接收得到的各个扫描点的直达波信号和缺陷回波信号的到达时间，计算出亚表面缺陷的埋藏深度。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埋藏深度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的无损测量方法。
背景技术
亚表面缺陷，是在表面之下几微米到几百微米之间，尺寸大小在几微米到数十微米之间的裂纹和压痕，是在诸如精磨、抛光等超精密加工过程中产生的微缺陷。在零件的使用过程中，亚表面缺陷会降低零件的强度和使用寿命，对设备的安全运行产生极大的威胁，甚至可能造成不可估量的后果，轻则设备故障，重则安全事故和严重的经济损失等等。因此，亚表面缺陷必须在后续的加工过程中予以去除。但是由于亚表面缺陷具有表面不可见，深度浅，尺寸小等特征，常规方法并不容易检测到，更别提对其深度进行定量检测。为此，众多学者致力于研究检测亚表面缺陷的方法。
在已有的研究中，Balogun等人开发了一套基于皮秒激光超声的全光学扫描超声显微镜***，该***利用皮秒激光激励出频率高达GHz的超声纵波，具有探测和定量检测微小浅表缺陷的能力。但是，由于纵波只进行单点检测，所以需要配上扫描***。同时，激励和接收上GHz的超声，也使得***复杂而昂贵。Kromine等人提出了一种基于线源激光扫描技术来探测亚表面缺陷，该方法通过线源激光激励出声表面波，在线源激光扫描过程中表面波回波会发生较大的变化，通过这个信号的变化来检测亚表面缺陷。该方法能够快速探测到亚表面缺陷并对其进行定位，但是对于亚表面缺陷的埋藏深度的测量却无能为力。Cho通过使用点源激光激发的表面波检测了粘接质量，同时通过机械扫描装置扫描，对亚表面横向缺陷进行了定位，该方法同样不能对亚表面缺陷埋藏深度进行定量测量。其他无损检测方法，诸如热波成像法和X射线检测法等，在亚表面缺陷的检测中也有所应用。但是热波成像技术对于微小缺陷不敏感，且不能进行定量检测。X射线方法虽然比较成熟，但是设备成本高，且射线对人体有害，不能很好的应用到在位测量中。
在无损检测领域，探测到缺陷和对缺陷尺寸进行定量检测同样重要，对于精密和超精密加工中产生的亚表面缺陷更是如此。亚表面缺陷的埋藏深度对于后续加工去除缺陷层是一个重要的参数。在已有的无损检测方法中，很少有能对亚表面缺陷的埋藏深度进行定量测量。本发明能够快速准确的探测到亚表面缺陷并对其埋藏深度进行定量测量。如果采用激光干涉仪探测超声，该方法还可以用于在位测量，或者用于高温高压等极端环境下的缺陷检测。
发明内容
本发明是为了检测精密以及超精密加工材料在加工过程中所产生的亚表面缺陷的埋藏深度，以指导后续加工把缺陷去除掉，而提出的一种基于激光超声表面波的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法。其具体方案如下：
一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法，包括以下步骤：
1)将脉冲激光器探头安装在位移运动平台上，位移运动平台的运动方向与亚表面缺陷的长度方向垂直；
2)脉冲激光器探头和超声探头分别放置在亚表面缺陷的两侧，且脉冲激光器探头照射在工件上的激光光斑与超声探头的连线与亚表面缺陷垂直；
3)脉冲激光器探头照射在工件上的激光光斑在工件的表面和内部激励出超声波，利用超声探头分别测得表面波信号R1和从缺陷反射回的超声波信号PR1，继而得到表面波信号R1到达超声探头的时间tR1以及从缺陷反射回的超声波信号PR1到达超声探头的时间tPR1；
4)控制位移运动平台向缺陷移动位移Δd，重复步骤3)，得到表面波信号R2到达超声探头的时间tR2以及从缺陷反射回的超声波信号PR2到达超声探头的时间tPR2，控制位移运动平台继续向缺陷移动Δd距离，继而得到表面波信号R3到达超声探头的时间tR3以及从缺陷反射回的超声波信号PR3到达超声探头的时间tPR3，依次类推，总共扫描n(n≥2)个点；
5)通过步骤3)和4)中超声探头测量得到的直达波信号和缺陷回波信号到达时间，计算出亚表面缺陷的埋藏深度h。
作为优选，所述的超声源的激发方法为点源激发，即：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过双凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声波。
作为优选，所述的超声源的激发方法可以为线源激发，即：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出超声波；也可以为点源激发，即：脉冲激光器探头发出脉冲激光经过聚焦透镜将激光聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声波。
进一步的，所述的亚表面缺陷为圆柱形缺陷，且所述的线源激光与亚表面缺陷的长度方向平行。
作为优选，所述的步骤5)中亚表面缺陷的埋藏深度h计算公式为：
其中d为步骤3)中激光光斑与亚表面缺陷之间的距离，vR为表面声波在工件中的传播速度，vP为纵波在工件中的传播速度，vS为横波在工件中的传播速度。
进一步的，上述公式中角度θ的计算公式为：
θ＝arcsin(vS/vP)
本发明相对于现有技术的有益效果为：第一，在使用干涉仪测量超声振动的情况下，本发明可以进行在位测量。不需要二次装夹，即可在位测量精密超精密加工后材料亚表面缺陷，以使得在后续加工过程中将缺陷去除。第二，精密超精密加工亚表面缺陷小，埋藏深度浅，如果使用纵波C扫描检测方法，需要高频超声，使得设备复杂，且检测速度慢。本发明方法简单，成本较低，测量速度快，精度高。
附图说明
图1是基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法的一种检测状态示意图；
图2是基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法点源激光和探测点示意图；
图中，工件1、二维运动平台2、脉冲激光器探头3、超声探头4、示波器5、亚表面缺陷6、激光光斑7。
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超声的亚表面缺陷埋藏深度的检测方法，该方法利用聚焦成点源的脉冲激光在工件表面产生超声波，超声波遇到亚表面缺陷而产生散射回波信号，通过对散射信号的接收和分析，从而实现对工件亚表面缺陷埋藏深度的检测。
本发明的基于激光超声的亚表面缺陷宽度的检测方法基本原则与发明内容部分一致，具体步骤如下：
1)将带脉冲激光器探头3放置在二维运动平台2上，并且使二维运动平台2的其中一个运动方向与工件长边平行，另一个运动方向与工件上表面垂直；然后分别放置脉冲激光器探头3和超声探头4在工件亚表面缺陷6的两侧(如图1所示)，且超声探头4和激光光斑7的连线与亚表面缺陷6的长度方向垂直(如图2所示)；
2)脉冲激光器探头3发出脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦成一点源激光光斑7，在工件1表面激励出超声波，超声探头4测得直达波信号R1和从缺陷散射回的波信号PR1，并显示在示波器5中，得到直达波信号R1到达超声探头4的时间tR1，和从缺陷散射回的波信号PR1到达超声探头4的时间tPR1；
3)控制位移运动平台2向缺陷移动位移Δd＝1mm，重复步骤3)，得到表面波信号R2到达超声探头4的时间tR2以及从缺陷散射回的超声波信号PR2到达超声探头4的时间tPR2，控制位移运动平台继续向缺陷移动Δd距离，继而得到表面波信号R3到达超声探头4的时间tR3以及从缺陷反射回的超声波信号PR3到达超声探头4的时间tPR3，依次类推，总共扫描8个点；
4)通过步骤2)和4)中超声探头4测量得到的直达波信号和缺陷回波信号到达时间，计算出亚表面缺陷的埋藏深度h，计算公式如下：
角度θ通过以下公式确定：
θ＝arcsin(vS/vP)
其中d为步骤2)中激光光斑7与亚表面缺陷6之间的初始距离，vR为表面声波在工件1中的传播速度，vP为纵波在工件1中的传播速度，vS为横波在工件1中的传播速度。
以上述方法对某中碳钢亚表面缺陷埋藏深度进行检测，其中钢块的长100mm、宽50mm、厚5mm，用KEYENCE VHX-600测量得到亚表面缺陷埋藏深度作为参照。将钢块放置在样品平台上，并用脉冲激光器探头和超声探头分别在钢块上的亚表面缺陷的两侧激发和接收表超声波，超声探头将先后接收到从激发源直接到达的超声波R和从缺陷散射回的超声波PR，超声探头将探测到的信号传输给示波器，将数据保存并在电脑上读取，以供后续计算使用。控制装有脉冲激光探头的二维运动平台向亚表面缺陷扫描8个点，同样记录超声探头接收到的超声信号，获取超声波时间，用于计算亚表面缺陷埋藏深度。
最终实施例的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埋藏深度的检测结果具有很高的精度，且本检测方法使用了接触式PZT探头，降低了使用该方法的条件和设备成本。本发明简单快速有效，不像显微镜测量需要将待测样品从加工中取下放到待测区。同时本发明也可使用干涉仪进行超声探测，以实现在位检测，提高检测效率。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，激光光斑既可以采用点光源，也可以采用线光源，即：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波。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于激光超声的亚表面缺陷埋藏深度的测量方法，所述亚表面缺陷为裂纹或压痕，其特征在于，包括以下步骤：
将脉冲激光器探头(3)安装在位移运动平台(2)上，位移运动平台的运动方向与亚表面缺陷(6)的长度方向垂直；
2)脉冲激光器探头(3)和超声探头(4)分别放置在亚表面缺陷(6)的两侧，且脉冲激光器探头照射在工件(1)上的激光光斑(7)与超声探头(4)的连线与亚表面缺陷垂直；
3)脉冲激光器探头(3)照射在工件(1)上的激光光斑(7)在工件(1)的表面和内部激励出超声波，利用超声探头(4)分别测得表面波信号R1和从缺陷反射回的超声波信号PR1，继而得到表面波信号R1到达超声探头(4)的时间tR1以及从缺陷反射回的超声波信号PR1到达超声探头(4)的时间tPR1；
4)控制位移运动平台(2)向缺陷移动位移Δd，重复步骤3)，得到表面波信号R2到达超声探头(4)的时间tR2以及从缺陷反射回的超声波信号PR2到达超声探头(4)的时间tPR2，控制位移运动平台继续向缺陷移动Δd距离，继而得到表面波信号R3到达超声探头(4)的时间tR3以及从缺陷反射回的超声波信号PR3到达超声探头(4)的时间tPR3，依次类推，总共扫描n个点，其中n≥2；
5)通过步骤3)和4)中超声探头(4)测量得到的直达波信号和缺陷回波信号到达时间，计算出亚表面缺陷的埋藏深度h，埋藏深度h的计算公式为：
其中d为步骤3)中激光光斑(7)与亚表面缺陷(6)之间的距离，vR为表面声波在工件(1)中的传播速度，vP为纵波在工件(1)中的传播速度，vS为横波在工件(1)中的传播速度；其中角度θ计算公式为：θ＝arcsin(vS/vP)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：超声源的激发方法为点源激发，即：脉冲激光器探头(3)发出脉冲激光经过双凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件(1)表面并激励出超声波。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：超声源的激发方法为线源激发，即：脉冲激光器探头(3)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(1)表面并激励出超声波。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的亚表面缺陷(6)为圆柱形缺陷，且所述的线源激光与亚表面缺陷(6)的长度方向平行。
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