激光快速成型TC4超聲衰減系數(shù)測量

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目： 激光快速成型TC4超聲衰減系數(shù)測量 學(xué) 院： 測試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二Oxx 年 六月 激光快速成型TC4超聲衰減系數(shù)測量摘要：為了改進(jìn)激光快速成型TC4的超聲檢測工藝，必需要了解激光快速成型TC4的衰減系數(shù)，常規(guī)的超聲檢測方法自動(dòng)化程度不高，測量衰減系數(shù)選取的點(diǎn)不夠多，檢測缺陷的靈敏度也不夠，很難準(zhǔn)確地測量出激光快速成型TC4的衰減系數(shù)。本文以激光快速成型TC4為研究對(duì)象，利用超聲射入工件的表面波、第一次底波和第二次底波等這些可測參量，對(duì)激光快速成型TC4進(jìn)行超聲無損評(píng)價(jià)。本文利用水浸式超聲掃查系統(tǒng)對(duì)激光快速成型TC4試件進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集，采用不同頻率的探頭進(jìn)行掃查，測得激光快速成型TC4的聲速，一次底波和二次底波，對(duì)底波進(jìn)行分析，利用基于Python進(jìn)行編譯的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比較不同頻率的探頭對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)值的影響，根據(jù)處理過的數(shù)據(jù)，得到衰減圖，得到激光快速成型TC4的超聲衰減系數(shù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到最終處理結(jié)果。關(guān)鍵詞: 激光快速成型TC4 衰減系數(shù) 水浸式超聲掃查系統(tǒng) 底波The Ultrasonic Attenuation Coefficient Measurement of Laser Rapid Prototyping TC4Abstract: In order to improve the ultrasonic testing technology of laser rapid forming of TC4 requires an understanding of the attenuation coefficient of laser rapid forming of TC4, conventional ultrasonic testing method of degree of automation is not high, not enough measurements fall into the coefficient selection point, defect detection sensitivity is not enough, difficult to accurately measurement by laser rapid forming of TC4 attenuation coefficient. In this paper, a laser rapid forming of TC4 as the research object, using ultrasonic scoring of the work piece surface waves, the first bottom wave and the second bottom wave these measured parameters, the laser rapid forming of TC4 ultrasonic nondestructive evaluation.The water immersion ultrasonic scanning system of laser rapid forming of TC4 specimens of ultrasonic data acquisition, using different frequency probe was used to scan, measured by laser rapid forming of TC4 velocity, a bottom wave and second wave base, on the bottom wave is analyzed, The use of software compiled based on Python for data processing, the effects of different frequencies of the probe for the numerical experiments, according to data processing, obtained the attenuation map. Get laser rapid forming of TC4 ultrasonic attenuation coefficient and analysis of experimental information to get the final result.Keyword：Laser rapid prototyping TC4 Attenuation coefficient Ultrasonic scanning system for ultrasonic scanning Bottom wave目錄1緒論 1.1激光快速成型技術(shù)的原理及特點(diǎn)11.2研究現(xiàn)狀21.3未來發(fā)展趨勢(shì)31.4課題研究目標(biāo)32材料超聲檢測概述 52.1超聲波的基本特性52.2超聲波在固體中的傳播速度52.3超聲波的衰減特性52.3.1擴(kuò)散衰減52.3.2吸收衰減62.3.3散射衰減62.4水浸超聲C掃描系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)62.4.1超聲C掃描原理62.4.2超聲C掃描結(jié)構(gòu)72.5超聲檢測儀器83激光快速成型TC4超聲檢測 113.1材料及試件113.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)步驟113.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法113.4聲速測量123.5超聲衰減的測量124數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析134.1數(shù)據(jù)處理134.2 結(jié)果分析234.3 探頭頻率對(duì)聲速及衰減系數(shù)的影響244.4 衰減系數(shù)測量誤差的影響因素254.4.1工件的影響254.4.2人為因素的影響265總結(jié)與展望 275.1總結(jié)275.2展望27參考文獻(xiàn)29致謝30激光快速成型TC4超聲衰減系數(shù)測量1緒論1.1激光快速成型技術(shù)的原理及特點(diǎn)80年代后期發(fā)展起來的快速成型技術(shù)是基于分層技術(shù)、堆積成型,直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的先進(jìn)制造成組技術(shù)總稱?？焖俪尚图夹g(shù)不同于傳統(tǒng)的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料零件1。以激光作為加工手段的激光快速成型是快速成型技術(shù)的重要組成部分，它是CAD、數(shù)控技術(shù)、激光和材料科學(xué)等現(xiàn)代科技成果的集成。激光快速成型原理是用CAD制成的三維實(shí)體模型,通過分層軟件分層,每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，噴射液體，粉末或薄片材料，加工出所要求形狀的薄層，逐層累積形成實(shí)體模型。激光快速成型技術(shù)的俗稱是3D打印技術(shù)，激光快速成形制造工藝（Laser Rapid Prototyping或Laser Rapid Manufacturing），簡稱LRP或者LRM?？焖僦圃斐龅哪Ｐ突驑蛹芍苯佑糜谛庐a(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工程分析及企業(yè)決策等,極大地縮短新產(chǎn)品研發(fā)到制成成品的周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，有效的提高企業(yè)競爭力。以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步發(fā)展的快速精鑄技術(shù)，快速金屬粉末燒結(jié)技術(shù)，快速模具工裝制造技術(shù)等，可實(shí)現(xiàn)零件的快速成型。激光快速成型技術(shù)有很多種工藝方法，其中相對(duì)成熟的有立體光固化（SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實(shí)體制造(LOM)、激光熔覆成形(LCF)、激光近形制造(LENS)2。這些技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較多，為目前主流的激光快速成型工藝。激光快速成型技術(shù)流程圖如下圖1.1。圖1.1激光快速成型技術(shù)流程圖激光快速成型技術(shù)主要特點(diǎn):1)制造速度快、成本低,節(jié)省時(shí)間和節(jié)約成本,為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力,而且可實(shí)現(xiàn)自由制造,產(chǎn)品制造過程以及產(chǎn)品造價(jià)幾乎與產(chǎn)品的批量和復(fù)雜性無關(guān)3。2)加工的方式不同于傳統(tǒng)的接觸式加工,不存在傳統(tǒng)加工的殘余應(yīng)力等問題,沒有加工設(shè)備磨損和更換之類的問題,不會(huì)因?yàn)榍懈疃a(chǎn)生的噪音和振動(dòng)等污染,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。3)可實(shí)現(xiàn)快速制造、快速模具制造,特別適用于新品研發(fā)和單件零件生產(chǎn)，特別適用于實(shí)驗(yàn)室使用。1.2研究現(xiàn)狀美國3DSystems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)SLA250型光固化快速造型機(jī),開創(chuàng)了激光快速成型技術(shù)迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用的新紀(jì)元。美國在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位,其發(fā)展水平及趨勢(shì)基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢(shì)。歐洲和日本也不甘落后,紛紛加大投入進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺(tái)灣比內(nèi)地起步早,臺(tái)灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備,臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備,其重點(diǎn)是有關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與推廣4。國內(nèi)自20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行研究，現(xiàn)有西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京隆源公司多所研究單位自主開發(fā)了成型設(shè)備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，西安交大生產(chǎn)的紫外光CPS系列光固化成型系統(tǒng)快速成型機(jī)等新技術(shù)，引起了國內(nèi)外的高度重視；華中科技大學(xué)研究LOM、SLS工藝，推出了系列成型機(jī)和成型材料；清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論，并開展了基于SL工藝的金屬模具的研究；北京隆源公司主要研究SLS系列成型設(shè)備和配套材料并承接相關(guān)制造工程項(xiàng)目5。1.3未來發(fā)展趨勢(shì)激光快速成型技術(shù)正在發(fā)生巨大的變化,主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面,其未來發(fā)展方向包括:1)研究新的成型工藝方法,在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,拓寬激光快速成型技術(shù)的應(yīng)用,開展新的成型工藝的探索。2)開發(fā)新設(shè)備和開發(fā)新材料。LRP設(shè)備研制向兩個(gè)方向發(fā)展:自動(dòng)化的桌面小型系統(tǒng),主要用于原型制造；工業(yè)化大型系統(tǒng),用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研發(fā)及應(yīng)用是目前LRP技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。發(fā)展全新材料，特別是復(fù)合材料，如納米材料、非均質(zhì)材料、功能材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。激光快速成型技術(shù)是多學(xué)科交叉融合一體化的技術(shù)系統(tǒng)，正在不斷研究開發(fā)和推廣應(yīng)用中，與生物科學(xué)交叉的生物制造、與信息科學(xué)交叉的遠(yuǎn)程制造、與納米科學(xué)交叉的微機(jī)電系統(tǒng)等為它集成制造提供了廣闊的發(fā)展空間6。隨著科技和現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，它對(duì)制造業(yè)的作用日益重要，并且朝著更加集成的方向發(fā)展，將在未來占據(jù)舉足輕重的地位。1.4課題研究目標(biāo)TC4作為一種最常用的的鈦合金，因?yàn)槠渚哂休^低的密度和較高的比強(qiáng)度，因而被廣泛的應(yīng)用于航空航天工業(yè)當(dāng)中。高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金用量達(dá) 25%40%，大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件用量的高低，已成為衡量現(xiàn)代飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國防裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一7-8?，F(xiàn)在使用較多的制備方法是鍛造，而鍛造制成的TC4容易造成金相組織不均勻，而激光快速成型技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，很多人已經(jīng)開始使用激光快速成型的方法來制備TC4，而作為新的制備TC4的方法，檢測工藝必須通過實(shí)驗(yàn)的方法研究，傳統(tǒng)的普通超聲檢測方法存在較多弊端，采用水浸超聲C掃描的方法能夠更好的采集數(shù)據(jù)，并且自動(dòng)化程度高，這里通過測量激光快速成型TC4的衰減系數(shù)來研究激光快速成型TC4的超聲檢測方法和超聲檢測工藝。本課題是為了研究激光快速成型TC4的超聲檢測工藝，超聲衰減系數(shù)是超聲評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，測量激光快速成型TC4的超聲衰減系數(shù)，有利于對(duì)激光快速成型TC4的超聲檢測起指導(dǎo)作用。2材料超聲檢測概述2.1超聲波的基本特性超聲波檢測主要是利用超聲波傳播具有聲場指向性以及超聲波在工件中的傳播特性，如聲波在材料中傳播會(huì)有能量的損失，也就是聲衰減，遇到聲阻抗不同兩種介質(zhì)分界面會(huì)發(fā)生反射、透射等9-10。其基本工作原理是：聲源產(chǎn)生的超聲波以一定的方式進(jìn)入被檢工件中，超聲波與材料相互作用，若遇到非均質(zhì)介質(zhì)，如聲阻抗不同兩種介質(zhì)分界面、缺陷等，超聲波的傳播方向或特征會(huì)發(fā)生改變；檢測設(shè)備接收到改變后的超聲波信號(hào)，根據(jù)波形等特征便可分析工件內(nèi)部“非均質(zhì)介質(zhì)”的特性11。2.2超聲波在固體中的傳播速度超聲波的聲速是介質(zhì)聲學(xué)特性以及材料的無損評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一。聲波在不同的介質(zhì)傳播出現(xiàn)不同的波型，縱波、橫波、表面波等多種波形都可以在固體介質(zhì)傳播，在液體中只能傳播縱波。聲波在不同的介質(zhì)中傳播聲速不同，并且介質(zhì)尺寸的大小也會(huì)影響超聲波的聲速。超聲聲速可定義為超聲波在單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離的倒數(shù)值。體波在固體傳播是一個(gè)復(fù)雜的過程，其傳播速度與固體介質(zhì)的密度、彈性模量、環(huán)境溫度、介質(zhì)均勻性、介質(zhì)應(yīng)力都有一定的關(guān)系?？梢酝ㄟ^公式推導(dǎo)出超聲波的聲速，因?yàn)橛谐暡z測儀，這里不做推導(dǎo)，直接測量即可。超聲波的聲速可以用多種方法測量，常用的幾種測量超聲聲速的方法還有超聲檢測儀測量法、測厚儀測量法、示波器測量法等。這里可以直接用超聲檢測儀測量法測量聲速。2.3超聲波的衰減特性 在實(shí)際的超聲檢測應(yīng)用中，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量是隨著傳播距離的增加而減小的，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減12。超聲波的衰減與透過晶粒時(shí)的散射有關(guān)，所以也被用于評(píng)價(jià)和表征材料的晶粒尺寸13-14。引起衰減的主要原因有以下三個(gè)方面。2.3.1擴(kuò)散衰減在超聲波傳播過程中，非平面波波束隨著傳播距離的增加而不斷的擴(kuò)散，聲束截面隨之增大，因此單位面積上的聲能隨著傳播距離而逐漸減弱，將這種因聲速擴(kuò)散或衍射損失而產(chǎn)生的衰減稱為擴(kuò)散衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于超聲波的波振面的幾何形狀和傳播距離，與介質(zhì)的性質(zhì)沒有任何關(guān)聯(lián)。若聲波為平面波，波速不擴(kuò)散，無擴(kuò)散衰減；若為柱面波或球面波，波束向四面擴(kuò)散，聲強(qiáng)與傳播距離成反比，能量衰減與距離成正比。在實(shí)際檢測過程中，孔徑大小相同的平底孔在不同聲程中反射回波高度不一樣，聲程小的回波高度高，聲程大的回波高度低，它們之間的比值與距離的平方成反比。2.3.2吸收衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)會(huì)引起聲波能量減弱15，這種由于聲能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量的超聲衰減稱為吸收衰減。通常將吸收衰減和散射衰減稱為介質(zhì)衰減。在固體介質(zhì)中，吸收衰減與材料組織無關(guān)，只與超聲波頻率有關(guān)，且吸收衰減遠(yuǎn)小于散射衰減，所以在實(shí)際的超聲檢測中，介質(zhì)的衰減一般只考慮吸收衰減和散射衰減。 2.3.3散射衰減 超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播會(huì)遇到不同程度的吸收和散射，散射衰減與晶粒密切相關(guān)，如粗晶、多晶體的晶界、晶粒的取向等都會(huì)造成散射衰減。當(dāng)波長遠(yuǎn)大于材料平均晶粒尺寸時(shí)，散射就成為衰減的主要因素，此時(shí)聲波將偏離原來的傳播方向而向四面八方傳播。材料內(nèi)部組織、超聲波波長及種類（縱波和橫波等）、介質(zhì)的非均勻性程度等決定了散射現(xiàn)象的發(fā)生15。早在 20 世紀(jì)中期就已經(jīng)由Firestone16提出利用超聲的散射衰減來測量物質(zhì)的內(nèi)部粒度的理論。后被證實(shí)其正確性。2.4水浸超聲C掃描系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)2.4.1超聲C掃描原理超聲C掃描與常規(guī)超聲區(qū)別較大，在檢測時(shí),數(shù)據(jù)的獲取、處理、存貯與評(píng)價(jià)都是在每一次掃描的同時(shí)由計(jì)算機(jī)在線同時(shí)進(jìn)行。兩個(gè)信號(hào)都是由傳輸電路輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的:一個(gè)是來自水箱上探頭位置的信號(hào),另一個(gè)是來自超聲波探傷儀探頭的描述超聲波振幅的模擬信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過A/ D 轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī),然后在計(jì)算機(jī)上生成一個(gè)確定其尺寸的數(shù)據(jù)陣列,并且在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)將圖形顯示出來。數(shù)據(jù)陣列里的每個(gè)點(diǎn)在顯示器上顯示出其波形。在坐標(biāo)系中就可以看到指定點(diǎn)的振幅,通常用dB 數(shù)表示。在每一次掃描結(jié)束時(shí),計(jì)算機(jī)可通過軟件自動(dòng)完成對(duì)每一個(gè)點(diǎn)各種數(shù)據(jù)得記錄。對(duì)顯示出來的掃描圖像都可以作出相應(yīng)的解釋,對(duì)缺陷進(jìn)行定量。在進(jìn)行超聲波C 掃描前不僅要清潔探頭，必要時(shí)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤滑，而且必須對(duì)水箱進(jìn)行清潔，晴出起哄的氣泡等，否者會(huì)產(chǎn)生雜波信號(hào)，對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行干擾，使結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。超聲波C 掃描系統(tǒng)是使用計(jì)算機(jī)控制超聲探頭在工件上掃查, 將探測指定范圍內(nèi)的表面波、一次底波、二次底波強(qiáng)度顯示在計(jì)算機(jī)上, 繪制出工件內(nèi)部缺陷截面圖形。這個(gè)截面與超聲波聲束是垂直的, 即工件表面和內(nèi)部缺陷截面,在計(jì)算機(jī)顯示器上的縱橫坐標(biāo), 分別代表工件截面的縱橫坐標(biāo)。2.4.2超聲C掃描結(jié)構(gòu)超聲波C 掃描系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)裝置和水箱、超聲波C 掃描控制器、超聲波C 掃描探傷儀以及PC微機(jī)系統(tǒng)四部分組成，下面分別介紹四部分內(nèi)容。1）超聲波探傷儀超聲波探傷儀具有高頻帶,并能用尖脈沖激勵(lì)和高阻尼探頭,以便獲得窄脈沖，可以檢測出工件中的微小缺陷。因?yàn)檎}沖具有較高的分辨率,也就是說聲波在傳播的過程中遇到缺陷，利用窄脈沖可以精確地定出缺陷所在的位置和深度。但是利用窄脈沖也有它的缺點(diǎn),窄脈沖的聲束擴(kuò)散角要比同頻率的要寬,導(dǎo)致它的橫向分辨率較低,所以通常用聚焦探頭來縮小聲束截面，進(jìn)行補(bǔ)償。另外探頭的頻率也影響著檢測的靈敏度。頻率越高，檢測的靈敏度越高,但是超聲波的穿透力卻降低了。2）超聲波C掃描控制器超聲波C 掃描控制器在掃查過程中由計(jì)算機(jī)控制?？刂破骺刂浦鴤鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用EVA控制面板，探傷前必須使用復(fù)位鍵將探頭復(fù)位，通過前進(jìn)和后退按鈕調(diào)節(jié)探頭X 、Y 軸位置，使探頭位于被檢區(qū)域的一角，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制C掃描控制器。3）機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由水箱上部兩側(cè)裝的導(dǎo)軌、導(dǎo)軌上支桿、步進(jìn)電機(jī)組成。兩根導(dǎo)軌分別代表縱軸、橫軸,即X 、Y 軸。支桿的交匯處就是探頭所在處?？梢酝ㄟ^手輪來調(diào)節(jié)探頭的高低。 4）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本次實(shí)驗(yàn)采用的是自制的水浸式超聲掃查系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為EVA系統(tǒng)。掃描控制器控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來改變探頭的位置。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的四角裝有極限控制用的光電傳感器。在掃查機(jī)構(gòu)超出掃查范圍時(shí)自動(dòng)停止掃查動(dòng)作。停止掃查后,必須關(guān)閉掃描控制器,使用復(fù)位鍵復(fù)位。近年來，超聲波掃描顯微鏡（C-SAN）已被廣泛地應(yīng)用在電子工業(yè)17。尤其是在封裝技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)之中。由于超聲波具有不順壞封口就能測得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測能力，所以C-SAN可以有效的檢測出結(jié)構(gòu)包裝中因水氣或熱能所產(chǎn)生的破壞如：脫層、氣孔及裂縫等。超聲波在穿透介質(zhì)時(shí)，如果遇到不同密度或彈性系數(shù)的物質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射回波。而這種反射回波的強(qiáng)度會(huì)根據(jù)各方面特性的不同而有所差異。C-SAN就是利用這種特性來檢測出材料內(nèi)部的缺陷，并根據(jù)所接收到的波形的變化在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行成像。因此，只要被檢測的物件上表面或內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)及組成材料的接口有脫層、氣孔、裂縫等缺陷，就可以由C-SAN影像得知缺陷的相對(duì)位置。超聲波掃描顯微鏡(C-SAN)主要用于封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，因?yàn)樗芴峁┙Y(jié)構(gòu)封裝因水氣或熱能所造成破壞分析，例如裂縫、氣孔和脫層。C-SAN內(nèi)部造影原理為電能經(jīng)由聚焦轉(zhuǎn)換探頭產(chǎn)生超聲波傳播在待測物品上，將聲波在不同接口上反射或投射信號(hào)接收后進(jìn)行影像處理，再以影像及接收到的超聲波信號(hào)加以分析。C-SAN可以在不破壞封裝的情況下探測到脫層、空洞和裂縫等各種缺陷，且C-SAN擁有類似射線檢測的穿透功能，并且可以找出缺陷信號(hào)的位置和提供缺陷處的信號(hào)。2.5超聲檢測儀器本實(shí)驗(yàn)所采用的自行研制的水浸式超聲掃查系統(tǒng)如圖2.1所示：圖2.1 水浸式超聲掃查系統(tǒng)該系統(tǒng)集 5077PR 超聲脈沖發(fā)生儀、具有數(shù)據(jù)采集功能的 PicoScope 3207B采集卡、具有坐標(biāo)編碼器的運(yùn)動(dòng)控制卡和步進(jìn)電機(jī)控制的水槽式三維坐標(biāo)掃查系統(tǒng)、具有數(shù)據(jù)采集、分析和成像的交互式軟件-EVA 等幾大部分于一體，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。超聲水浸檢測系統(tǒng)的原理是：首先由 5077PR 脈沖發(fā)射儀發(fā)出方波脈沖激勵(lì)源，激勵(lì)源作用于超聲換能器-水浸探頭上，使得探頭發(fā)出超聲波；當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射，如果障礙物過小還會(huì)發(fā)生衍射；探頭接收發(fā)射回波，經(jīng) 5077PR 放大后送至采集卡，采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用 EVA 數(shù)據(jù)處理軟件可以將采集的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。在對(duì)試樣檢測時(shí)，通過 EVA 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)定合適的參數(shù)，如控制探頭與試樣的距離、掃查步距、掃查速度、采集卡采樣的頻率、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)長度、掃查的范圍等。采集的超聲信號(hào)數(shù)據(jù)利用基于 Python 進(jìn)行編譯的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析和超聲特征值提取，該軟件的優(yōu)點(diǎn)是語言簡練，有許多庫模塊，可以根據(jù)自己的工作需要增加不同的功能18。本儀器采用的采集卡為Pico Technology 公司生產(chǎn)的 PicoScope 3207B 采集卡，其最高采樣頻率為1GSPS，即時(shí)間分辨率可達(dá)到 1ns，5077PR 脈沖發(fā)射儀來自奧林巴斯公司。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2.2所示。圖2.2 水浸超聲掃查系統(tǒng)原理圖本實(shí)驗(yàn)使用的水浸式超聲掃查不僅靈敏度高，而且自動(dòng)化程度較高，能很好地完成超聲信號(hào)采集與存儲(chǔ)，保證不丟失信號(hào)，而且可以使用本系統(tǒng)調(diào)出超聲掃查得到的信號(hào)，病將信號(hào)還原成波形，直觀的看到各個(gè)點(diǎn)的波形情況。而且采樣速率高，工作效率較快。本實(shí)驗(yàn)采用三種不同頻率的超聲探頭，目的是為了研究使用不同頻率的探頭對(duì)采集的超聲信號(hào)有何影響，頻率分別為5MHz、10MHz、15MHz，探頭如下圖所示。圖2.3 實(shí)驗(yàn)室使用的探頭313激光快速成型TC4超聲檢測3.1材料及試件由于實(shí)驗(yàn)室材料有限，本次實(shí)驗(yàn)只使用了一塊激光快速成型TC4，如圖3.1、3.2、3.3所示，試件的厚度為15.08。 圖3.1 激光快速成型TC4正面 圖3.2 激光快速成型TC4側(cè)面3.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇及實(shí)驗(yàn)步驟首先選擇通道，這里使用了A通道，所以關(guān)閉B通道，將掃查范圍設(shè)置得稍大，以便能檢測到整個(gè)試塊。這里將掃查范圍設(shè)置為20000，并且將掃查脈沖時(shí)間間隔設(shè)置為8ns。根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)可以計(jì)算出表面波的位置，利用公式（3.1）式中d 一次底波距離探頭的距離 v 水中的聲速 t 掃查時(shí)間間隔根據(jù)這個(gè)公式將數(shù)據(jù)代入公式中，可以求得超聲波射入工件時(shí)表面波所在的位置，超聲波在水中的聲速為1450m/s，設(shè)置的t為即8ns，計(jì)算后可得到控制面板上超聲波的起始位置。由于試塊較小，掃查速度定為4000，步距定位0.5。3.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本實(shí)驗(yàn)使用經(jīng)過自己改裝的水浸式超聲掃查系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行整體掃查，得到激光快速成型TC4的表面波、一次底波、二次底波。然后根據(jù)得到的底波各個(gè)參數(shù)對(duì)得到的波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到聲速和衰減的分布圖。通過測量激光快速成型TC4超聲衰減系數(shù)，掌握超聲檢測工藝，能熟練地使用水浸式超聲掃查系統(tǒng)進(jìn)行超聲檢測。實(shí)驗(yàn)方法：首先給水浸式超聲掃查系統(tǒng)水箱加水，將水加到可以將探頭浸沒在水中的深度，然后將激光快速成型TC4試塊平放入水中。打開控制面板，首先對(duì)探頭進(jìn)行復(fù)位，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。打開控制面板，用方向鍵將探頭調(diào)整到激光快速成型TC4試塊的上方，找到清晰的表面波、一次底波、二次底波的波形。調(diào)整探頭的位置及水平垂直位置，再使用控制面板調(diào)整探頭位置，看波形是否會(huì)有變化，如無變化則說明探頭已經(jīng)調(diào)平，可以開始掃查了。在控制面板上調(diào)節(jié)探頭位置按空格鍵定點(diǎn)，選定三個(gè)點(diǎn)，要求覆蓋整個(gè)工件。選定區(qū)域后調(diào)用已經(jīng)編好的程序，選定掃查速度和步距。掃查完畢后素具即自動(dòng)保存在選定文件當(dāng)中。3.4聲速測量固體中聲速是超聲檢測中可以直觀看到的參數(shù)，聲速與被檢測物體的彈性模量、均勻性、密度、環(huán)境溫度、內(nèi)部應(yīng)力都有一定的關(guān)系，是材料超聲無損評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)19。聲速同時(shí)也是衡量材料聲學(xué)特性的重要參數(shù)，實(shí)際的工程檢測中有時(shí)也需要測量超聲波在材料的聲速，常用的測量聲速的方法有超聲檢測儀器測量法、測厚儀測量法和示波器測量法。這里直接采用超聲檢測儀器測量法，超聲可以很直觀地測量出來。3.5超聲衰減的測量在實(shí)際工程中，測量衰減系數(shù)一般有比較法和絕對(duì)法兩種，所謂相對(duì)比較法，即用相同探測條件對(duì)試樣進(jìn)行測定，得出試樣衰減的嚴(yán)重程度，此方法并不能測定衰減系數(shù)的具體值。絕對(duì)法則是用一定的測量方法測出試件衰減系數(shù)的具體數(shù)值。本實(shí)驗(yàn)采用絕對(duì)法測量試件的衰減系數(shù)，使用水浸式超聲掃查系統(tǒng)，首先在控制面板上定三個(gè)點(diǎn)，選取一個(gè)范圍作為掃查范圍，選取的范圍必須覆蓋整個(gè)工件，以便所有的點(diǎn)都能掃查到。本次實(shí)驗(yàn)分別用三種型號(hào)的探頭進(jìn)行掃查。截取一個(gè)其中一部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，截取的部分應(yīng)該避開試塊邊緣，這樣更具有普遍性，對(duì)截取的部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析4.1數(shù)據(jù)處理采用Python為基礎(chǔ)編譯的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)衰減公式（4.1）式中： m、n 底波反射次數(shù)； 、 第m、n次底波高度； 反射損失，每次反射損失約為（0.51.0）dB； x 薄板的厚度； 可以得到衰減系數(shù)、聲速的分布圖和各個(gè)點(diǎn)的波形。原始的波形圖如圖4.1、4.2、4.3所示。 圖 4.1 5MHz探頭超聲掃查圖 4.2 10MHz探頭超聲掃查圖 圖4.3 15MHz探頭超聲掃查圖在打開軟件之前，首先對(duì)程序進(jìn)行修改，將測得的工件厚度參數(shù)輸入程序當(dāng)中，如圖4.1所示，確保程序中的參數(shù)與工件參數(shù)一致。這樣可以讓一次底波和二次底波的位置不會(huì)出現(xiàn)偏差，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。圖4.4 調(diào)整后程序中的各個(gè)參數(shù)對(duì)5MHz探頭得到的數(shù)據(jù)用Python軟件處理可得到以下數(shù)據(jù)如圖4.2、4.3、4.4，由于選取的點(diǎn)較多，使用WPS植株散點(diǎn)圖如下圖4.5、4.6所示。圖4.5 使用5M探頭得到的波形圖4.6 使用5M探頭得到的衰減分布圖圖4.7 使用5M探頭得到的聲速表4.1 衰減系數(shù)表序號(hào)衰減系數(shù)/(dB/mm)聲速/m/s10.085618820.05361882880.01361672890.0396167平均數(shù)0.0596080從衰減分布圖中可以看到，衰減系數(shù)分辨率不高，容易造成較大誤差。從衰減系數(shù)散點(diǎn)分布圖可以得到，衰減系數(shù)的平均值為0.05907，衰減系數(shù)相對(duì)較小，聲速的平均值為6080.296。使用EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，編寫COUNTIFS函數(shù)，將衰減系數(shù)和聲速在各個(gè)區(qū)域的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再作圖得到如圖4.8、4.9所示分布圖圖4.8 5MHz探頭得到的衰減分布圖圖4.9 5MHz探頭聲速正態(tài)分布圖當(dāng)探頭為10MHz時(shí)用Python軟件處理可得到以下數(shù)據(jù)如圖4.8、4.9、4.10所示。圖4.10 使用10M探頭得到的波形圖4.11 使用10M探頭得到的衰減分布圖圖4.12 使用10M探頭得到的聲速表4.2 衰減系數(shù)表序號(hào)衰減系數(shù)dB/mm聲速m/s10.073615720.08061577490.12161777500.1286177平均數(shù)0.1016172由選取的數(shù)據(jù)平均值可以看到：衰減系數(shù)的平均值為0.10156，聲速的平均值為6172，同理做衰減系數(shù)和聲速的正態(tài)分布圖。圖4.13 10MHz探頭得到的衰減分布圖圖4.14 10MHz探頭聲速正態(tài)分布圖當(dāng)探頭為15MHz時(shí)用Python軟件處理可得到以下數(shù)據(jù)如圖4.11、4.12、4.13所示。圖4.15 使用15M探頭得到的波形圖4.16 使用15M探頭得到的衰減分布圖圖4.17 使用15M探頭得到的聲速表4.3 衰減系數(shù)表序號(hào)衰減系數(shù)dB/mm聲速m/s10.18261982018161781210.2056178平均值0.1636176根據(jù)平均值可以得到衰減系數(shù)為0.16273，衰減系數(shù)相對(duì)較大，原因考慮為探頭頻率太大，導(dǎo)致衰減系數(shù)顯著升高。做正態(tài)分布圖。圖4.18 15MHz探頭得到的衰減分布圖圖4.19 15MHz探頭聲速正態(tài)分布圖4.2 結(jié)果分析通過數(shù)據(jù)處理之后得到超聲激光快速成型TC4的波形、衰減系數(shù)、和聲速的分布圖，因?yàn)槌暡ㄔ诓牧现袀鞑r(shí)除了聲束擴(kuò)散而產(chǎn)生的擴(kuò)散衰減之外，還會(huì)由于材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)界面的散射而產(chǎn)生散射衰減，這些衰減用衰減系數(shù)來表示，單位為dB/cm。對(duì)于探頭頻率的選擇一般要明確以下幾點(diǎn)：（1） 由于波的繞射，超聲波的檢測靈敏度約為/2，所以提高探頭的頻率可以發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。（2） 頻率越高，脈沖寬度越小，分辨力越高，可以區(qū)分相鄰的缺陷并且做更準(zhǔn)確的定位。（3） 根據(jù)公式（4.2）式中 聲束擴(kuò)散角 波長D 波源的直徑由公式可以得到頻率越高，半擴(kuò)散角越小,檢測范圍更小，精度更高。（4） 根據(jù)公式（4.3）式中N 近場區(qū)長度D 波源的直徑 波長由公式可得頻率越高時(shí)，近場區(qū)長度越大，檢測盲區(qū)越大，無法檢測到工件的所有區(qū)域，影響檢測精度。（5） 頻率越高時(shí)，超聲衰減顯著增大，而且很容易出現(xiàn)雜波，導(dǎo)致信噪比下降，很容易對(duì)缺陷進(jìn)行漏檢。比較以上衰減系數(shù)分布圖，圖的右側(cè)為衰減系數(shù)對(duì)照，對(duì)比可以得到各個(gè)點(diǎn)的衰減系數(shù)。根據(jù)上述五點(diǎn)原則，分別對(duì)三種探頭得到的衰減進(jìn)行對(duì)比，可以看到：頻率為5MHz的探頭測量的衰減精度不夠高，衰減系數(shù)的分布范圍相對(duì)較大，誤差相對(duì)較大。頻率為10MHz的探頭衰減系數(shù)較集中，衰減系數(shù)分布范圍相對(duì)較小，數(shù)據(jù)比較接近真實(shí)值，而頻率為15MHz超聲衰減系數(shù)明顯要大于其他兩種探頭，考慮為探頭頻率太大，衰減太大的緣故，因此選用頻率為10MHz的探頭測量衰減系數(shù)較好。就試塊中的衰減分布可以看到，試塊邊緣的衰減系數(shù)明顯大于中心的衰減系數(shù)，這是由于探頭靠近試塊邊緣時(shí)，容易產(chǎn)生端角反射，加大邊緣附近的聲壓值，使底波發(fā)生改變，使衰減系數(shù)增大。從得到的數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取幾組數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和誤差分析，由于邊緣地方誤差明顯較大，選取是應(yīng)避開誤差較大的點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)選取的正確性和客觀性，這里隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，將各個(gè)點(diǎn)的衰減系數(shù)、聲速、以及編號(hào)輸入表中，以便于求取平均值。4.3 探頭頻率對(duì)聲速及衰減系數(shù)的影響以衰減系數(shù)為X軸，以探頭頻率為Y軸簡歷坐標(biāo)系，得到圖4.21，可以看到衰減系數(shù)隨著探頭頻率的增大而增大。圖4.21 探頭頻率與超聲衰減系數(shù)的關(guān)系同理對(duì)聲速與探頭頻率的關(guān)系進(jìn)行研究得到圖4.22，從圖中可以看到，聲速與探頭頻率并無確定的關(guān)系。圖4.21 探頭頻率與超聲聲速的關(guān)系4.4 衰減系數(shù)測量誤差的影響因素4.4.1工件的影響（1） 工件尺寸的影響當(dāng)探頭運(yùn)動(dòng)到靠近工件邊界時(shí)，直接射入工件的入射波與工件邊緣的側(cè)壁反射波產(chǎn)生相互干涉，是聲壓發(fā)生改變，影響底波的高度，容易產(chǎn)生較大測量誤差，所以為了保證測量準(zhǔn)確性，減小誤差，選取的點(diǎn)應(yīng)該在比較靠近試塊的中心位置，一般要求探頭距離工件邊緣大于，這里為波長，T為工件厚度，D為探頭的晶片直徑。（2） 工件的表面粗糙度的影響如果工件表面較為粗糙，不僅使波的入射時(shí)間不同，還容易產(chǎn)生散射，使超聲波的入射時(shí)聲壓改變，而且散射還會(huì)減小超聲波的底波高度，使測量出的超聲波衰減系數(shù)產(chǎn)生誤差。（3） 工件有無缺陷的影響如果工件存在缺陷，會(huì)使底波高度降低。當(dāng)存在較多小缺陷或者面積型缺陷時(shí)，缺陷波不是很容易區(qū)分，但這些缺陷波卻可以使底波下降，影響到衰減系數(shù)的測量，應(yīng)該避開缺陷區(qū)域。4.4.2人為因素的影響主要是工件平行度不好，如果工件底面與探頭探測面不平行，導(dǎo)致測得的底面回波不是最大波，這會(huì)使得測到的衰減系數(shù)增大。因此需要有前面的調(diào)平步驟，保證測得的底波值為最大。5.總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文研究了激光快速成型TC4的超聲衰減系數(shù)的測量，并且熟悉其超聲檢測工藝，并制定了激光快速成型TC4的超聲檢測工藝。（1） 理論準(zhǔn)備。針對(duì)所選取的課題，了解國內(nèi)外激光快速成型技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，了解TC4使用與發(fā)展?fàn)顩r，并且查找激光快速成型TC4相關(guān)的超聲檢測方法。通過學(xué)習(xí)這些原理，最終確定使用實(shí)驗(yàn)室自行研的制水浸式超聲掃查系統(tǒng)對(duì)激光快速成型TC4進(jìn)行超聲檢測。制定好檢測工藝，為下一步的水浸超聲掃查做好準(zhǔn)備。（2） 學(xué)習(xí)水浸式超聲檢測方法。首先了解水浸式超聲掃查系統(tǒng)的工作原理，對(duì)水浸式超聲掃查系統(tǒng)有一個(gè)大體上的了解。學(xué)習(xí)水浸式超聲掃查系統(tǒng)的使用方法，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的使用方法，并且了解各個(gè)參數(shù)所代表的含義。選擇合適的參數(shù)并試著掃查。（3） 掃查激光快速成型TC4試塊。將激光快速成型TC4試塊洗凈放入水浸掃查系統(tǒng)水箱中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室有三種頻率的探頭，分別是5MHz、10MHz、15MHz三種探頭。分別使用三種探頭對(duì)對(duì)激光快速成型TC4時(shí)間進(jìn)行掃查，首先找到最大底波的位置，確定掃查區(qū)域，掃查區(qū)域覆蓋整個(gè)工件。將采集到的數(shù)據(jù)打開，通過控制軟件打開得到的數(shù)據(jù)，可以得到激光快速成型TC4試塊的波形。截取表面波、一次底波、二次底波并保存。（4） 數(shù)據(jù)處理。使用Python為基礎(chǔ)編寫的程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)整軟件中的數(shù)據(jù)，將激光快速成型TC4試件的各項(xiàng)參數(shù)輸入程序中。經(jīng)過處理后得到超聲的波形圖、衰減分布圖以及聲速分布圖。5.2展望本文采用了水浸式超聲掃查系統(tǒng)，對(duì)激光快速成型TC4的超聲刷金系數(shù)進(jìn)行了測量，再次基礎(chǔ)上還可以深入的做其他方面的提高：（1） 對(duì)激光快速成型TC4的晶相組織進(jìn)行研究，研究其相和相比例及尺寸等個(gè)方面的參數(shù)。（2） 對(duì)激光快速成型TC4力學(xué)性能及熱處理狀態(tài)進(jìn)行深入研究。（3） 對(duì)激光快速成型TC4的各種無損檢測方法進(jìn)行比較，選擇合適的檢測工藝，對(duì)激光快速成型TC4的無損檢測進(jìn)行指導(dǎo)。（4）對(duì)激光快速成型TC4的組織應(yīng)力進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)1 朱林泉. 快速成型與快速制造技術(shù)M. 北京:國防工業(yè)出版社,2003:172.2 榮烈潤. 面向21世紀(jì)的激光快速成形技術(shù)J. 機(jī)電一體化,2001(4):9-12.3 劉東華. 激光快速造型技術(shù)及其應(yīng)用J.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2000,11(2):26-29.4 王華明. 航空高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形研究進(jìn)展J. 航空制造技術(shù), 200