激光快速成型TC4超声衰减系数测量

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目： 激光快速成型激光快速成型 TC4 超声衰减系数测量超声衰减系数测量 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六月月 激光快速成型激光快速成型 TC4 超声衰减系数测量超声衰减系数测量 摘要：摘要：为了改进激光快速成型 TC4 的超声检测工艺，必需要了解激光快速成型 TC4 的衰减系数，常规的超声检测方法自动化程度不高，测量衰减系数选取的点不够多， 检测缺陷的灵敏度也不够，很难准确地测量出激光快速成型 TC4 的衰减系数。本文以 激光快速成型 TC4 为研究对象，利用超声射入工件的表面波、第一次底波和第二次底 波等这些可测参量，对激光快速成型 TC4 进行超声无损评价。 本文利用水浸式超声扫查系统对激光快速成型 TC4 试件进行超声数据采集， 采用 不同频率的探头进行扫查，测得激光快速成型 TC4 的声速，一次底波和二次底波，对 底波进行分析，利用基于 Python 进行编译的软件对数据进行处理，比较不同频率的 探头对实验数值的影响，根据处理过的数据，得到衰减图，得到激光快速成型 TC4 的超声衰减系数，分析实验数据得到最终处理结果。 关键词:激光快速成型 TC4衰减系数水浸式超声扫查系统底波 The Ultrasonic Attenuation Coefficient Measurement of Laser Rapid Prototyping TC4 Abstract: 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 TC4Attenuation coefficientUltrasonic scanning system for ultrasonic scanningBottom wave 目录目录 1 绪论 1.1 激光快速成型技术的原理及特点.1 1.2 研究现状2 1.3 未来发展趋势. 3 1.4 课题研究目标. 3 2 材料超声检测概述5 2.1 超声波的基本特性.5 2.2 超声波在固体中的传播速度.5 2.3 超声波的衰减特性.5 2.3.1 扩散衰减.5 2.3.2 吸收衰减.6 2.3.3 散射衰减.6 2.4 水浸超声 C 扫描系统原理及结构.6 2.4.1 超声 C 扫描原理.6 2.4.2 超声 C 扫描结构.7 2.5 超声检测仪器.8 3激光快速成型 TC4超声检测11 3.1 材料及试件11 3.2 实验参数选择及实验步骤.11 3.3 实验内容及方法11 3.4 声速测量12 3.5 超声衰减的测量. 12 4数据处理及结果分析13 4.1 数据处理13 4.2 结果分析.23 4.3 探头频率对声速及衰减系数的影响24 4.4 衰减系数测量误差的影响因素25 4.4.1 工件的影响25 4.4.2 人为因素的影响26 5 总结与展望27 5.1 总结27 5.2 展望27 参考文献29 致谢30 1 激光快速成型激光快速成型 TC4TC4 超声衰减系数测量超声衰减系数测量 1绪论绪论 1.1 激光快速成型技术的原理及特点激光快速成型技术的原理及特点 80 年代后期发展起来的快速成型技术是基于分层技术、 堆积成型,直接根据 CAD 模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。 快速成型技术不同于传统的去除 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、 金属及各种复合材料零件1。 以激光作为加工手段的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部分，它是 CAD、数控技术、激光和材料科学等现代科技成果的集成。激光快速成型原理是用 CAD 制成的三维实体模型,通过分层软件分层,每个薄层断面的二维数据用于驱动控 制激光光束，喷射液体，粉末或薄片材料，加工出所要求形状的薄层，逐层累积形成 实体模型。激光快速成型技术的俗称是 3D 打印技术，激光快速成形制造工艺（Laser Rapid Prototyping 或 Laser RapidManufacturing），简称 LRP 或者 LRM。快速制造 出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析及企业决策等,极 大地缩短新产品研发到制成成品的周期，降低产品的研发成本，有效的提高企业竞争 力。以此为基础进一步发展的快速精铸技术，快速金属粉末烧结技术，快速模具工装 制造技术等，可实现零件的快速成型。 激光快速成型技术有很多种工艺方法，其中相对成熟的有立体光固化（SLA)、 选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、激光熔覆成形(LCF)、激光近形制造 (LENS)2。这些技术应用相对较多，为目前主流的激光快速成型工艺。激光快速成型 技术流程图如下图 1.1。 2 图 1.1 激光快速成型技术流程图 激光快速成型技术主要特点: 1)制造速度快、成本低,节省时间和节约成本,为传统制造方法注入新的活力,而 且可实现自由制造,产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂性无关 3。 2)加工的方式不同于传统的接触式加工,不存在传统加工的残余应力等问题,没 有加工设备磨损和更换之类的问题,不会因为切割而产生的噪音和振动等污染,不会 对环境造成破坏。 3)可实现快速制造、快速模具制造,特别适用于新品研发和单件零件生产，特别 适用于实验室使用。 1.2 研究现状研究现状 美国 3DSystems 公司 1988 年生产出世界上第一台 SLA250 型光固化快速造型机, 开创了激光快速成型技术迅速发展和推广应用的新纪元。美国在设备研制、生产销售 方面占全球主导地位,其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和 日本也不甘落后,纷纷加大投入进行相关技术研究和设备研发。香港和台湾比内地起 步早,台湾大学拥有 LOM 设备,台湾各单位及军方安装多台进口 SL 系列设备。 香港生 产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有 RP 设备,其重点 是有关技术的应用与推广4。 国内自 20 世纪 90 年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清 3 华大学、北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。其中，西安 交大生产的紫外光 CPS 系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的 高度重视；华中科技大学研究 LOM、SLS 工艺，推出了系列成型机和成型材料；清 华大学主要研究 RP 方面的现代成型学理论，并开展了基于 SL 工艺的金属模具的研 究；北京隆源公司主要研究 SLS 系列成型设备和配套材料并承接相关制造工程项目 5。 1.3 未来发展趋势未来发展趋势 激光快速成型技术正在发生巨大的变化,主要体现在新技术、新工艺及信息网络 化等方面,其未来发展方向包括: 1)研究新的成型工艺方法,在现有的基础上,拓宽激光快速成型技术的应用,开展新 的成型工艺的探索。 2)开发新设备和开发新材料。LRP 设备研制向两个方向发展:自动化的桌面小型 系统,主要用于原型制造；工业化大型系统,用于制造高精度、高性能零件。成型材料 的研发及应用是目前 LRP 技术的研究重点之一。发展全新材料，特别是复合材料， 如纳米材料、非均质材料、功能材料是当前的研究热点。 激光快速成型技术是多学科交叉融合一体化的技术系统， 正在不断研究开发和推 广应用中，与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交 叉的微机电系统等为它集成制造提供了广阔的发展空间6。随着科技和现代制造业的 发展，它对制造业的作用日益重要，并且朝着更加集成的方向发展，将在未来占据举 足轻重的地位。 1.4 课题研究目标课题研究目标 TC4 作为一种最常用的的钛合金，因为其具有较低的密度和较高的比强度， 因而 被广泛的应用于航空航天工业当中。高推重比航空发动机中钛合金用量达 25%40%，大型整体钛合金关键结构件用量的高低，已成为衡量现代飞机和航空发 动机等国防装备先进性的重要标志之一7-8。现在使用较多的制备方法是锻造，而锻 造制成的 TC4 容易造成金相组织不均匀，而激光快速成型技术作为一种新兴的技术， 很多人已经开始使用激光快速成型的方法来制备 TC4，而作为新的制备 TC4 的方法， 检测工艺必须通过实验的方法研究，传统的普通超声检测方法存在较多弊端，采用水 浸超声 C 扫描的方法能够更好的采集数据，并且自动化程度高，这里通过测量激光 快速成型TC4的衰减系数来研究激光快速成型TC4的超声检测方法和超声检测工艺。 本课题是为了研究激光快速成型 TC4 的超声检测工艺，超声衰减系数是超声评 4 价的一个重要指标，测量激光快速成型 TC4 的超声衰减系数，有利于对激光快速成 型 TC4 的超声检测起指导作用。 5 2材料超声检测概述材料超声检测概述 2.1 超声波的基本特性超声波的基本特性 超声波检测主要是利用超声波传播具有声场指向性以及超声波在工件中的传播 特性，如声波在材料中传播会有能量的损失，也就是声衰减，遇到声阻抗不同两种介 质分界面会发生反射、透射等9-10。其基本工作原理是：声源产生的超声波以一定的 方式进入被检工件中，超声波与材料相互作用，若遇到非均质介质，如声阻抗不同两 种介质分界面、缺陷等，超声波的传播方向或特征会发生改变；检测设备接收到改变 后的超声波信号，根据波形等特征便可分析工件内部“非均质介质”的特性11。 2.2 超声波在固体中的传播速度超声波在固体中的传播速度 超声波的声速是介质声学特性以及材料的无损评价的重要参数之一。 声波在不同 的介质传播出现不同的波型， 纵波、 横波、 表面波等多种波形都可以在固体介质传播， 在液体中只能传播纵波。声波在不同的介质中传播声速不同，并且介质尺寸的大小也 会影响超声波的声速。 超声声速可定义为超声波在单位时间内传播的距离的倒数值。 体波在固体传播是 一个复杂的过程， 其传播速度与固体介质的密度、 弹性模量、 环境温度、 介质均匀性、 介质应力都有一定的关系。 可以通过公式推导出超声波的声速， 因为有超声波检测仪， 这里不做推导，直接测量即可。 超声波的声速可以用多种方法测量， 常用的几种测量超声声速的方法还有超声检 测仪测量法、测厚仪测量法、示波器测量法等。这里可以直接用超声检测仪测量法测 量声速。 2.3 超声波的衰减特性超声波的衰减特性 在实际的超声检测应用中，超声波在介质中传播时，其能量是随着传播距 离的增加而减小的， 这种现象称为超声波的衰减12。 超声波的衰减与透过晶粒时的散 射有关，所以也被用于评价和表征材料的晶粒尺寸13-14。引起衰减的主要原因有以下 三个方面。 2.3.1 扩散衰减扩散衰减 在超声波传播过程中，非平面波波束随着传播距离的增加而不断的扩散， 声束截面随之增大，因此单位面积上的声能随着传播距离而逐渐减弱，将这种 因声速扩散或衍射损失而产生的衰减称为扩散衰减。扩散衰减仅取决于超声波 的波振面的几何形状和传播距离，与介质的性质没有任何关联。若声波为平面 6 波，波速不扩散，无扩散衰减；若为柱面波或球面波，波束向四面扩散，声强 与传播距离成反比，能量衰减与距离成正比。在实际检测过程中，孔径大小相同的平 底孔在不同声程中反射回波高度不一样， 声程小的回波高度高， 声程大的回波高度低， 它们之间的比值与距离的平方成反比。 2.3.2 吸收衰减吸收衰减 声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导会引起声波能量 减弱15， 这种由于声能转化成其他形式的能量的超声衰减称为吸收衰减。 通常将吸收 衰减和散射衰减称为介质衰减。在固体介质中，吸收衰减与材料组织无关，只与超声 波频率有关，且吸收衰减远小于散射衰减，所以在实际的超声检测中， 介质的衰减一般只考虑吸收衰减和散射衰减。 2.3.3 散射衰减散射衰减 超声波在非均匀介质中传播会遇到不同程度的吸收和散射， 散射衰减与晶粒密切 相关，如粗晶、多晶体的晶界、晶粒的取向等都会造成散射衰减。当波长远大于材料 平均晶粒尺寸时，散射就成为衰减的主要因素，此时声波将偏离原来的传播方向而向 四面八方传播。材料内部组织、超声波波长及种类（纵波和横波等）、介质的非均匀 性程度等决定了散射现象的发生15。早在 20 世纪中期就已经由 Firestone16提出利 用超声的散射衰减来测量物质的内部粒度的理论。后被证实其正确性。 2.4 水浸超声水浸超声 C 扫描系统原理及结构扫描系统原理及结构 2.4.1 超声超声 C 扫描原理扫描原理 超声 C 扫描与常规超声区别较大，在检测时,数据的获取、处理、存贮与评价都 是在每一次扫描的同时由计算机在线同时进行。 两个信号都是由传输电路输入计算机 进行处理的:一个是来自水箱上探头位置的信号,另一个是来自超声波探伤仪探头的描 述超声波振幅的模拟信号。 这两个信号经过 A/ D 转换,将模拟信号转化为数字信号后 输入计算机,然后在计算机上生成一个确定其尺寸的数据阵列,并且在这个区域范围内 将图形显示出来。数据阵列里的每个点在显示器上显示出其波形。在坐标系中就可以 看到指定点的振幅,通常用 dB 数表示。在每一次扫描结束时,计算机可通过软件自动 完成对每一个点各种数据得记录。对显示出来的扫描图像都可以作出相应的解释,对 缺陷进行定量。在进行超声波 C 扫描前不仅要清洁探头，必要时对机械传动结构进 行润滑，而且必须对水箱进行清洁，晴出起哄的气泡等，否者会产生杂波信号，对检 测结果进行干扰，使结果出现较大误差。 7 超声波 C 扫描系统是使用计算机控制超声探头在工件上扫查, 将探测指定范围 内的表面波、一次底波、二次底波强度显示在计算机上, 绘制出工件内部缺陷截面图 形。 这个截面与超声波声束是垂直的, 即工件表面和内部缺陷截面,在计算机显示器上 的纵横坐标, 分别代表工件截面的纵横坐标。 2.4.2 超声超声 C 扫描结构扫描结构 超声波 C 扫描系统由机械传动装置和水箱、超声波 C 扫描控制器、超声波 C 扫 描探伤仪以及 PC 微机系统四部分组成，下面分别介绍四部分内容。 1）超声波探伤仪）超声波探伤仪 超声波探伤仪具有高频带,并能用尖脉冲激励和高阻尼探头,以便获得窄脉冲， 可 以检测出工件中的微小缺陷。因为窄脉冲具有较高的分辨率,也就是说声波在传播的 过程中遇到缺陷，利用窄脉冲可以精确地定出缺陷所在的位置和深度。但是利用窄脉 冲也有它的缺点,窄脉冲的声束扩散角要比同频率的要宽,导致它的横向分辨率较低, 所以通常用聚焦探头来缩小声束截面，进行补偿。另外探头的频率也影响着检测的灵 敏度。频率越高，检测的灵敏度越高,但是超声波的穿透力却降低了。 2）超声波超声波 C 扫描控制器扫描控制器 超声波 C 扫描控制器在扫查过程中由计算机控制。控制器控制着传动机构的运 动。本系统采用 EVA 控制面板，探伤前必须使用复位键将探头复位，通过前进和后 退按钮调节探头 X 、Y 轴位置，使探头位于被检区域的一角，通过计算机控制系统 自动控制 C 扫描控制器。 3）机械传动结构）机械传动结构 机械传动机构是由水箱上部两侧装的导轨、导轨上支杆、步进电机组成。两根导 轨分别代表纵轴、横轴,即 X 、Y 轴。支杆的交汇处就是探头所在处。可以通过手轮 来调节探头的高低。 4）计算机系统）计算机系统 本次实验采用的是自制的水浸式超声扫查系统，计算机系统为 EVA 系统。 扫描控制器控制两个步进电机来改变探头的位置。 传动机构的四角装有极限控制 用的光电传感器。在扫查机构超出扫查范围时自动停止扫查动作。停止扫查后,必须 关闭扫描控制器,使用复位键复位。 8 近年来，超声波扫描显微镜（C-SAN）已被广泛地应用在电子工业17。尤其是在 封装技术研究及实验之中。 由于超声波具有不顺坏封口就能测得内部结构的无损检测 能力，所以 C-SAN 可以有效的检测出结构包装中因水气或热能所产生的破坏如：脱 层、气孔及裂缝等。超声波在穿透介质时，如果遇到不同密度或弹性系数的物质时， 就会产生反射回波。而这种反射回波的强度会根据各方面特性的不同而有所差异。 C-SAN 就是利用这种特性来检测出材料内部的缺陷，并根据所接收到的波形的变化 在计算机上进行成像。因此， 只要被检测的物件上表面或内部芯片结构及组成材料的 接口有脱层、气孔、裂缝等缺陷，就可以由 C-SAN 影像得知缺陷的相对位置。超声 波扫描显微镜(C-SAN)主要用于封装内部结构的分析，因为它能提供结构封装因水气 或热能所造成破坏分析，例如裂缝、气孔和脱层。C-SAN 内部造影原理为电能经 由聚焦转换探头产生超声波传播在待测物品上， 将声波在不同接口上反射或投射信号 接收后进行影像处理，再以影像及接收到的超声波信号加以分析。C-SAN 可以在不 破坏封装的情况下探测到脱层、空洞和裂缝等各种缺陷，且 C-SAN 拥有类似射线检 测的穿透功能，并且可以找出缺陷信号的位置和提供缺陷处的信号。 2.5 超声检测仪器超声检测仪器 本实验所采用的自行研制的水浸式超声扫查系统如图 2.1 所示： 图 2.1 水浸式超声扫查系统 9 该系统集 5077PR 超声脉冲发生仪、 具有数据采集功能的 PicoScope 3207B 采集 卡、具有坐标编码器的运动控制卡和步进电机控制的水槽式三维坐标扫查系统、具有 数据采集、 分析和成像的交互式软件-EVA 等几大部分于一体， 其系统结构如图 1 所 示。超声水浸检测系统的原理是：首先由 5077PR 脉冲发射仪发出方波脉冲激励源， 激励源作用于超声换能器-水浸探头上，使得探头发出超声波；当超声波遇到障碍物 时会发生反射、 折射， 如果障碍物过小还会发生衍射； 探头接收发射回波， 经 5077PR 放大后送至采集卡，采集卡将模拟信号转换为数字信号，利用 EVA 数据处理软件可 以将采集的数字信号存储于计算机。在对试样检测时，通过 EVA 数据处理软件设定 合适的参数，如控制探头与试样的距离、扫查步距、扫查速度、采集卡采样的频率、 存储的数据长度、扫查的范围等。采集的超声信号数据利用基于 Python 进行编译的 数据处理软件进行分析和超声特征值提取， 该软件的优点是语言简练， 有许多库模块， 可以根据自己的工作需要增加不同的功能18。 本仪器采用的采集卡为 PicoTechnology 公司生产的 PicoScope3207B 采集 卡，其最高采样频率为 1GSPS，即时间分辨率可达到 1ns，5077PR 脉冲发射仪来自 奥林巴斯公司。 实验原理图如图 2.2 所示。 图 2.2 水浸超声扫查系统原理图 本实验使用的水浸式超声扫查不仅灵敏度高，而且自动化程度较高，能很好地完 10 成超声信号采集与存储，保证不丢失信号，而且可以使用本系统调出超声扫查得到的 信号，病将信号还原成波形，直观的看到各个点的波形情况。而且采样速率高，工作 效率较快。 本实验采用三种不同频率的超声探头， 目的是为了研究使用不同频率的探头对采 集的超声信号有何影响，频率分别为 5MHz、10MHz、15MHz，探头如下图所示。 图 2.3 实验室使用的探头 11 3激光快速成型激光快速成型 TC4 超声检测超声检测 3.1 材料及试件材料及试件 由于实验室材料有限， 本次实验只使用了一块激光快速成型 TC4， 如图 3.1、 3.2、 3.3 所示，试件的厚度为 15.08 。 图 3.1 激光快速成型 TC4 正面图 3.2 激光快速成型 TC4 侧面 3.2 实验参数选择及实验步骤实验参数选择及实验步骤 首先选择通道，这里使用了 A 通道，所以关闭 B 通道，将扫查范围设置得稍大， 以便能检测到整个试块。这里将扫查范围设置为 20000，并且将扫查脉冲时间间隔设 置为 8ns。 根据设置好的参数可以计算出表面波的位置，利用公式 vtd2 （3.1） 式中 d 一次底波距离探头的距离 v 水中的声速 t 扫查时间间隔 根据这个公式将数据代入公式中，可以求得超声波射入工件时表面波所在的位 置，超声波在水中的声速为 1450m/s，设置的 t 为 3 2即 8ns，计算后可得到控制面板 上超声波的起始位置。由于试块较小，扫查速度定为 4000m/s，步距定位 0.5 。 3.3 实验内容及方法实验内容及方法 实验内容：实验内容： 本实验使用经过自己改装的水浸式超声扫查系统对工件进行整体扫查， 得到激光 快速成型 TC4 的表面波、一次底波、二次底波。然后根据得到的底波各个参数对得 到的波进行数据处理，得到声速和衰减的分布图。通过测量激光快速成型 TC4 超声 衰减系数，掌握超声检测工艺，能熟练地使用水浸式超声扫查系统进行超声检测。 12 实验方法：实验方法： 首先给水浸式超声扫查系统水箱加水，将水加到可以将探头浸没在水中的深度， 然后将激光快速成型 TC4 试块平放入水中。打开控制面板，首先对探头进行复位， 保证实验数据的准确。打开控制面板，用方向键将探头调整到激光快速成型 TC4 试 块的上方，找到清晰的表面波、一次底波、二次底波的波形。调整探头的位置及水平 垂直位置，再使用控制面板调整探头位置，看波形是否会有变化，如无变化则说明探 头已经调平，可以开始扫查了。在控制面板上调节探头位置按空格键定点，选定三个 点，要求覆盖整个工件。选定区域后调用已经编好的程序，选定扫查速度和步距。扫 查完毕后素具即自动保存在选定文件当中。 3.4 声速测量声速测量 固体中声速是超声检测中可以直观看到的参数，声速与被检测物体的弹性模量、 均匀性、密度、环境温度、内部应力都有一定的关系，是材料超声无损评价的一个重 要参数19。 声速同时也是衡量材料声学特性的重要参数， 实际的工程检测中有时也需要测量 超声波在材料的声速，常用的测量声速的方法有超声检测仪器测量法、测厚仪测量法 和示波器测量法。这里直接采用超声检测仪器测量法，超声可以很直观地测量出来。 3.5 超声衰减的测量超声衰减的测量 在实际工程中，测量衰减系数一般有比较法和绝对法两种，所谓相对比较法，即 用相同探测条件对试样进行测定，得出试样衰减的严重程度，此方法并不能测定衰减 系数的具体值。绝对法则是用一定的测量方法测出试件衰减系数的具体数值。本实验 采用绝对法测量试件的衰减系数，使用水浸式超声扫查系统，首先在控制面板上定三 个点，选取一个范围作为扫查范围，选取的范围必须覆盖整个工件，以便所有的点都 能扫查到。本次实验分别用三种型号的探头进行扫查。 截取一个其中一部分进行数据处理，截取的部分应该避开试块边缘，这样更具有 普遍性，对截取的部分进行数据处理。 13 4数据处理及结果分析数据处理及结果分析 4.1 数据处理数据处理 采用 Python 为基础编译的软件进行数据处理，根据衰减公式 ）（ ）（ ）（ mm/d xm-n2 /lg20 nm B BB （4.1） 式中：m、n 底波反射次数； m B、 n B第 m、n 次底波高度； 反射损失，每次反射损失约为（0.51.0）dB； x 薄板的厚度； 可以得到衰减系数、声速的分布图和各个点的波形。 原始的波形图如图 4.1、4.2、4.3 所示。 图 4.1 5MHz 探头超声扫查图4.2 10MHz 探头超声扫查图图 4.3 15MHz 探头超声扫查图 在打开软件之前，首先对程序进行修改，将测得的工件厚度参数输入程序当中， 如图 4.1 所示，确保程序中的参数与工件参数一致。这样可以让一次底波和二次底波 的位置不会出现偏差，保证实验数据准确性。 图 4.4 调整后程序中的各个参数 14 对 5MHz 探头得到的数据用 Python 软件处理可得到以下数据如图 4.2、4.3、4.4， 由于选取的点较多，使用 WPS 植株散点图如下图 4.5、4.6 所示。 图 4.5 使用 5M 探头得到的波形 图 4.6 使用 5M 探头得到的衰减分布图 15 图 4.7 使用 5M 探头得到的声速 表 4.1 衰减系数表 序号衰减系数/(dB/mm)声速/m/s 10.0856188 20.0536188 2880.0136167 2890.0396167 平均数0.0596080 从衰减分布图中可以看到，衰减系数分辨率不高，容易造成较大误差。从衰减系 数散点分布图可以得到，衰减系数的平均值为 0.05907，衰减系数相对较小，声速的 平均值为 6080.296。 使用 EXCEL 软件对数据进行统计， 编写 COUNTIFS 函数， 将衰减系数和声速在 各个区域的分布进行统计，再作图得到如图 4.8、4.9 所示分布图 16 图 4.8 5MHz 探头得到的衰减分布图 图 4.9 5MHz 探头声速正态分布图 当探头为 10MHz 时用 Python 软件处理可得到以下数据如图 4.8、 4.9、 4.10 所示。 17 图 4.10 使用 10M 探头得到的波形 图 4.11 使用 10M 探头得到的衰减分布图 18 图 4.12 使用 10M 探头得到的声速 表 4.2 衰减系数表 序号衰减系数 dB/mm声速 m/s 10.0736157 20.0806157 7490.1216177 7500.1286177 平均数0.1016172 由选取的数据平均值可以看到：衰减系数的平均值为 0.10156，声速的平均值为 6172，同理做衰减系数和声速的正态分布图。 19 图 4.13 10MHz 探头得到的衰减分布图 图 4.14 10MHz 探头声速正态分布图 当探头为 15MHz 时用 Python 软件处理可得到以下数据如图 4.11、4.12、4.13 所 示。 20 图 4.15 使用 15M 探头得到的波形 图 4.16 使用 15M 探头得到的衰减分布图 21 图 4.17 使用 15M 探头得到的声速 表 4.3 衰减系数表 序号衰减系数 dB/mm声速 m/s 10.1826198 20.1746188 1200.1816178 1210.2056178 平均值0.1636176 根据平均值可以得到衰减系数为 0.16273，衰减系数相对较大，原因考虑为探头 频率太大，导致衰减系数显著升高。做正态分布图。 22 图 4.18 15MHz 探头得到的衰减分布图 图 4.19 15MHz 探头声速正态分布图 23 4.2 结果分析结果分析 通过数据处理之后得到超声激光快速成型 TC4 的波形、衰减系数、和声速的分布 图，因为超声波在材料中传播时除了声束扩散而产生的扩散衰减之外，还会由于材料 的内部组织结构界面的散射而产生散射衰减，这些衰减用衰减系数来表示，单位为 dB/cm。 对于探头频率的选择一般要明确以下几点： （1）由于波的绕射，超声波的检测灵敏度约为/2，所以提高探头的频率可以 发现更小的缺陷。 （2）频率越高，脉冲宽度越小，分辨力越高，可以区分相邻的缺陷并且做更准 确的定位。 （3）根据公式 D/22. 1arcsin（4.2） 式中声束扩散角 波长 D波源的直径 由公式可以得到频率越高，半扩散角越小,检测范围更小，精度更高。 （4）根据公式 4/ 2 DN （4.3） 式中N近场区长度 D波源的直径 波长 由公式可得频率越高时，近场区长度越大，检测盲区越大，无法检测到工件的所有区 域，影响检测精度。 （5）频率越高时，超声衰减显著增大，而且很容易出现杂波，导致信噪比下降， 很容易对缺陷进行漏检。 比较以上衰减系数分布图，图的右侧为衰减系数对照，对比可以得到各个点的衰 减系数。根据上述五点原则，分别对三种探头得到的衰减进行对比，可以看到：频率 为 5MHz 的探头测量的衰减精度不够高， 衰减系数的分布范围相对较大， 误差相对较 大。频率为 10MHz 的探头衰减系数较集中，衰减系数分布范围相对较小，数据比较 接近真实值，而频率为 15MHz 超声衰减系数明显要大于其他两种探头，考虑为探头 频率太大，衰减太大的缘故，因此选用频率为 10MHz 的探头测量衰减系数较好。 24 就试块中的衰减分布可以看到，试块边缘的衰减系数明显大于中心的衰减系数， 这是由于探头靠近试块边缘时，容易产生端角反射，加大边缘附近的声压值，使底波 发生改变，使衰减系数增大。 从得到的数据中随机选取几组数据，对数据进行计算和误差分析，由于边缘地方 误差明显较大，选取是应避开误差较大的点，以保证数据选取的正确性和客观性，这 里随机选取 10 个点，将各个点的衰减系数、声速、以及编号输入表中，以便于求取 平均值。 4.3 探头频率对声速及衰减系数的影响探头频率对声速及衰减系数的影响 以衰减系数为 X 轴，以探头频率为 Y 轴简历坐标系，得到图 4.21，可以看到衰 减系数随着探头频率的增大而增大。 图 4.21 探头频率与超声衰减系数的关系 同理对声速与探头频率的关系进行研究得到图 4.22，从图中可以看到，声速与 探头频率并无确定的关系。 25 图 4.21 探头频率与超声声速的关系 4.4 衰减系数测量误差的影响因素衰减系数测量误差的影响因素 4.4.1 工件的影响工件的影响 （1）工件尺寸的影响 当探头运动到靠近工件边界时， 直接射入工件的入射波与工件边缘的侧壁反射波 产生相互干涉，是声压发生改变，影响底波的高度，容易产生较大测量误差，所以为 了保证测量准确性，减小误差，选取的点应该在比较靠近试块的中心位置，一般要求 探头距离工件边缘大于DT /，这里为波长，T 为工件厚度，D 为探头的晶片直径。 （2）工件的表面粗糙度的影响 如果工件表面较为粗糙，不仅使波的入射时间不同，还容易产生散射，使超声波 的入射时声压改变，而且散射还会减小超声波的底波高度，使测量出的超声波衰减系 数产生误差。 （3）工件有无缺陷的影响 如果工件存在缺陷，会使底波高度降低。当存在较多小缺陷或者面积型缺陷时， 缺陷波不是很容易区分，但这些缺陷波却可以使底波下降，影响到衰减系数的测量， 应该避开缺陷区域。 26 4.4.2 人为因素的影响人为因素的影响 主要是工件平行度不好，如果工件底面与探头探测面不平行，导致测得的底面回 波不是最大波，这会使得测到的衰减系数增大。因此需要有前面的调平步骤，保证测 得的底波值为最大。 27 5.总结与展望总结与展望 5.1 总结总结 本文研究了激光快速成型 TC4 的超声衰减系数的测量，并且熟悉其超声检测工 艺，并制定了激光快速成型 TC4 的超声检测工艺。 （1）理论准备。针对所选取的课题，了解国内外激光快速成型技术的发展及研 究现状，了解 TC4 使用与发展状况，并且查找激光快速成型 TC4 相关的超声检测方 法。通过学习这些原理， 最终确定使用实验室自行研的制水浸式超声扫查系统对激光 快速成型 TC4 进行超声检测。制定好检测工艺，为下一步的水浸超声扫查做好准备。 （2）学习水浸式超声检测方法。首先了解水浸式超声扫查系统的工作原理，对 水浸式超声扫查系统有一个大体上的了解。学习水浸式超声扫查系统的使用方法，学 习操作系统的使用方法，并且了解各个参数所代表的含义。选择合适的参数并试着扫 查。 （3）扫查激光快速成型 TC4 试块。 将激光快速成型 TC4 试块洗净放入水浸扫查 系统水箱中，因为实验室有三种频率的探头，分别是 5MHz、10MHz、15MHz 三种 探头。分别使用三种探头对对激光快速成型 TC4 时间进行扫查，首先找到最大底波 的位置，确定扫查区域，扫查区域覆盖整个工件。将采集到的数据打开，通过控制软 件打开得到的数据，可以得到激光快速成型 TC4 试块的波形。截取表面波、一次底 波、二次底波并保存。 （4）数据处理。使用 Python 为基础编写的程序对得到的数据进行处理，调整软 件中的数据，将激光快速成型 TC4 试件的各项参数输入程序中。经过处理后得到超 声的波形图、衰减分布图以及声速分布图。 5.2 展望展望 本文采用了水浸式超声扫查系统，对激光快速成型 TC4 的超声刷金系数进行了 测量，再次基础上还可以深入的做其他方面的提高： （1）对激光快速成型 TC4 的晶相组织进行研究，研究其相和相比例及尺寸等 个方面的参数。 （2）对激光快速成型 TC4 力学性能及热处理状态进行深入研究。 （3）对激光快速成型TC4的各种无损检测方法进行比较， 选择合适的检测工艺， 对激光快速成型 TC4 的无损检测进行指导。 28 （4）对激光快速成型 TC4 的组织应力进行研究。 29 参考文献参考文献 1 朱林泉. 快速成型与快速制造技术M. 北京:国防工业出版社,2003:172. 2 荣烈润. 面向 21 世纪的激光快速成形技术J. 机电一体化,2001(4):9-12. 3 刘东华. 激光快速造型