CN104634876A - 一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法，该方法具体步骤如下：首先，根据被检材料的厚度和检测精度要求进行超声换能器的参数选型；然后，对样品进行逐层粗扫成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和三维形貌；调整换能器的轴向位置，使其准确聚焦于目标扫查层，进行精细C扫成像获得目标扫查层处夹杂物的平面分布信息；最后，由A扫时域波形获得夹杂物的深度信息，从而确定目标扫查层处夹杂物在材料内部的空间位置坐标。采用上述技术方案，本发明可实现材料内部夹杂物的无损检测，利用计算得到的水声程可较准确的调整换能器竖直高度，实现较高效率及精度的聚焦扫查，进而获得夹杂物在材料内部的准确空间位置。

Description

一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法

技术领域

本发明涉及超声扫描显微镜检测领域和超声波成像领域，尤其是一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法。

背景技术

在国家重大工程中，高品质钢内部的夹杂物可能会引发材料服役失效并造成严重事故，因此对金属材料内部的夹杂物进行检测非常重要。目前检测金属材料内部夹杂物的常用方法主要包括金相法、扫描电镜法、X射线透射法和电解法等。传统的金相法虽然简单方便且能定量表征夹杂物，但分析过程耗时，且只能对夹杂物的二维形貌进行观察；扫描电镜法可观察夹杂物的立体形貌及成分，但只能检测材料表面夹杂物，且对材料表面粗糙度要求较高，无法获得夹杂物在材料内部的整体分布信息；X射线透射法可以实现大面积大批量检查，但检测工作量大，检测费用高，且对人体有害；电解法可实现夹杂物的提取，但分析周期长，容易对夹杂物造成破坏。超声扫描显微镜可以实现材料内部夹杂物的无损检测，在无需对材料进行过多处理的条件下可获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和准确的空间位置坐标。

超声扫描显微镜是利用高频超声波(5MHz以上)对材料内部进行微观成像的无损检测设备，是检测材料内部夹杂物的有效手段。它利用高频聚焦超声波，对材料表面、亚表面及其内部一定深度的细微结构进行显微成像。超声扫描显微镜采用脉冲回波技术工作，如图1所示，系统主要由①超声换能器、②电子部分(信号转换、电脑控制)和③软件部分(各种扫描模式、参数存储)组成。其中，聚焦超声换能器主要用于发射和接收高重复率的超声脉冲信号，是系统最关键的部件之一。换能器的频率越高，焦斑直径越小，横向分辨率越高，在进行超声显微检测时，应尽量提高换能器的检测频率。但是，换能器的频率越高，声强衰减越大，穿透能力急剧下降；此外，过高的检测频率还会降低信号的信噪比，使得回波信号常湮没在噪声信号中而难以分辨。因此，如何选出合适参数的换能器是决定超声检测效果的关键因素之一。

超声扫描显微镜检测材料内部夹杂物时，聚焦换能器的压电晶片受脉冲发射器发出的负尖脉冲作用，由逆压电效应产生超声脉冲信号，在透镜-耦合剂的界面发生强烈折射，并在透镜的轴向聚焦。聚焦的超声脉冲信号与被测样品的表面及内部发生相互作用，经反射后被换能器接收，再利用压电晶片的正压电效应将声压信号转化为电信号，从而实现材料内部夹杂物检测的目的。

为了获得样品内部夹杂物在一定深度处的平面分布信息，扫描机构需在样品上方进行蛇形扫描，样品每一点的时域波形均按空间坐标进行记录，利用高速数据采集卡逐点采集接收A扫信号，并利用A扫信号的回波幅值实现快速成像。超声扫描显微镜接收扫查区域中某点的A扫波形示意图，如图2所示，横坐标为时间，表征了被测样品的深度信息，纵坐标为信号幅值。超声回波信号包含界面波、缺陷回波和底面回波，其中，界面波至缺陷回波之间的时间间隔t₀可用于计算夹杂物在样品内的深度。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声扫描显微镜检测材料内部夹杂物的方法，首先对聚焦换能器进行参数选型，然后通过分层成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息，由二次聚焦原理调整换能器的高度，最后根据精细C扫成像以及A扫时域波形确定夹杂物在材料内部的空间位置坐标。

本发明的实现步骤如下：

1)根据检测精度要求及样品厚度，给出换能器选型的依据是：由换能器的频率、焦距和晶片半径计算出的检测分辨率应小于检测精度要求(最小夹杂物尺寸)，防止漏检误判；聚焦换能器的可穿透深度应大于样品厚度，保证能对整个样品进行全厚度范围的成像检测；

2)对整个样品进行分层C扫获得夹杂物在样品内部的整体分布信息和三维形貌，并确定目标扫查层所处深度Z；

3)根据二次聚焦原理调整超声换能器的高度，使其准确聚焦于目标扫查层，如图3所示；

4)通过精细C扫成像获得目标扫查层上夹杂物的平面分布信息，并对感兴趣区域进行局部C扫成像；

5)提取夹杂物处的A扫时域波形，利用界面波至缺陷回波之间的时间间隔t₀计算夹杂物在被测样品中的深度，从而获得夹杂物的空间位置坐标。使用超声扫描显微镜来检测金属材料内部夹杂物的有益效果是：实现材料内部夹杂物的无损检测，利用计算得到的水声程可较准确的调整换能器竖直高度，实现较高效率及精度的聚焦扫查，进而获得夹杂物在材料内部的准确空间位置。

附图说明：

图1超声扫描显微镜系统示意图。

图2超声扫描显微镜A扫时域波形图示意图。

图3超声扫描显微镜的二次聚焦原理图。

图4超声扫描显微镜检测夹杂物的流程图。

图5某钢样内部夹杂物的C扫成像图。

图6对图5中虚线框内区域的局部C扫成像图。

具体实施方案

下面结合附图及实例对本发明的实现过程作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例：

以某块20#钢样内部夹杂物检测为例，如图4所示，对本发明的技术方案进行详细说明：

1.计算聚焦换能器的检测分辨率换能器的选择依据是：检测分辨率BD≤检测精度要求(最小夹杂物尺寸)，可穿透深度MD≥待测样品厚度。根据该钢样厚度选择f＝100MHz、F＝8mm、a＝1.5mm的换能器进行检测。

2.将钢样置于水槽中，除去样品表面及周围的气泡，将扫查机构移动至样品上方，对钢样进行逐层C扫成像，获得夹杂物在样品内部的整体分布信息和三维形貌，并确定目标扫查层的深度Z＝400μm；

3.根据二次聚焦原理计算水声程超声波在钢样中的声速c_tm＝5960m/s，在水中的声速c_w＝1495m/s，因此换能器到钢样表面的距离是(水声程)，调整聚焦换能器的高度，使其至钢样表面的距离为W_P，从而使得目标扫查层位于焦区内，提高缺陷回波的幅值。

4.调整高度后，换能器可聚焦到目标扫查层，对目标扫查层进行精细C扫成像，如图5所示，获得目标层上夹杂物的平面分布信息，并对感兴趣区域进行局部C扫成像，如图6所示。

5.提取目标层上夹杂物所在点的A扫时域波形，获得界面波至缺陷回波的时间间隔t₀＝141ns，计算目标层上夹杂物在钢样中的深度获得目标层上夹杂物在材料内部的深度值，由目标层上夹杂物的平面分布信息和深度信息，可准确获得目标扫查层上夹杂物在钢样内部的空间位置坐标。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种超声扫描显微镜检测金属材料内部夹杂物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，根据被检样品的厚度和检测精度要求进行超声换能器的参数选型；

步骤2，对被检样品进行逐层粗扫成像获得夹杂物在材料内部的整体分布信息和三维形貌，确定目标扫查层所处位置的深度值Z；

步骤3，根据二次聚焦原理计算换能器至被检样品的表面距离W_P，具体公式如下：

$W_P=F-Z\left(\frac{c_{\mathrm{tm}}}{c_w}\right)---\left(1\right)$

其中，F为焦距，c_tm为被检样品的声速，c_w为水的声速，Z为目标扫查层所处深度；根据计算得到的超声换能器至被检样品表面距离W_P，调整超声聚焦换能器的高度，使超声聚焦换能器至被检样品的距离为W_P，从而使得目标扫查层位于焦区内，提高缺陷回波的幅值；通过精细C扫成像获得目标扫查层上夹杂物的平面分布信息；

步骤4，提取目标扫查层上夹杂物所在点的A扫时域波形，获得界面

波至缺陷回波的时间间隔t₀，带入公式(2)中计算目标扫查层上夹杂物在

被检样品中的深度值h，公式如下：

$h=\frac{c_{\mathrm{tm}}\×t_0}{2}---\left(2\right)$

其中，t₀为测量界面波至缺陷回波的时间间隔，c_tm为被检样品中的声波的传播速度；

深度值h反映了目标层上夹杂物在被检样品内部的所处深度信息，结合精细C扫成像得到目标扫查层上夹杂物的平面分布信息，即可准确获得目标层上的夹杂物在被检样品内部的空间位置。