一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法技术方案

一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法，涉及增材钛合金的超声检测领域。为了解决重构图像的过程中，出现的信号高衰减或较强结构噪声的情况，所导致的成像结果分辨率不高和检测准确度偏差较大的问题。检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪。制定光束的扫描路径，调整干涉仪中接收探头的角度，使其能够充分拾取钛合金试件中的声场信息，将干涉仪采集的超声回波数据输入示波器显示，对声场信号进行初步分析；最后将拾取到的矩阵数据传输至工控机，并将扫描矩阵数据导入相位相干成像算法的程序中，实现钛合金试块内部缺陷的成像检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法


[0001]本专利技术涉及增材钛合金的超声检测领域，特别涉及一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法。

技术介绍

[0002]钛合金以其强度高、质量轻、耐高温和耐腐蚀性强等特点已广泛用于航空航天、船舶潜艇、生物医疗等领域，结合增材制造这类高自由度的定制化加工技术，可小批量生产出个性化产品，满足特定场景下的装备需求。但是当沉积能量不稳定时，会导致增材钛合金内部的热应力水平发生变化，进而在试件体内出现裂纹等缺陷。目前，以超声检测为主要手段的无损检测技术已在增材金属领域展开丰富研究，具有非接触式特点的激光超声检测方式是当前的研究热点，其发射的高能光束具有窄脉宽的特点，使接收信号具有宽频带的特征，更加有利于信号特性的分析，为后期的数据二维成像提供良好的信息基础。但现阶段的后期处理普遍采用时域或频域的幅值信息对试件内部缺陷进行图像重构，这对于制造工艺不稳定的增材钛合金试件而言，单纯依靠幅值信息成像可能会导致目标域出现检测偏差。因此，有必要针对增材钛合金试件的超声检测技术，当检测信号表现为高衰减或较强结构噪声时，研究出充分利用数据中其他信息的分析手段，设计一种稳定性强、图像分辨率高的增材钛合金内部缺陷检测成像方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：
[0004]本专利技术是针对增材钛合金试件的内部缺陷检测，面对因增材工艺的差异性而出现的各向异性粗晶粒介质，利用传统幅值信息来二次重构图像的过程中，出现的信号高衰减或较强结构噪声的情况，所导致的成像结果分辨率不高和检测准确度偏差较大的问题，从而提出了一种克服上述问题的增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法，所述激光超声相位相干成像检测方法是一种基于相位相干成像的激光超声检测方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006]本专利技术所述增材钛合金激光超声缺陷检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、双波混合干涉仪、数字示波器、工控机，所述固体激光器与工控机连接，用于控制光束的基本参数及振镜的双轴偏转；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，振镜镜头采用聚焦透镜，激光光束经过振镜的双轴面反射后聚焦，辐照至增材钛合金试件表面；双波混合干涉仪的出射探头整体架设在步进扫查装置中，接收装置的出射光束将采集到的超声振动信号传输至干涉仪内部；通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理。
[0007]针对本明一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统具体描述如下：缺陷检测系统包
括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头(也称接收装置，通过发射激光光束作为载体，接收超声振动信号)以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪；所述工控机与固体激光器(通过光纤或光缆)连接，通过工控机制控固体激光器根据增材钛合金材料的物理属性预设的激光基本参数发出激光光束，预设激光基本参数包括光束波长、光束脉宽、出射的单脉冲激光功率密度、脉冲光束的出射频率；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，即固体激光器的出光口连接有激光高速振镜，高速振镜的出光镜头(含最后出光的镜片)的镜片为聚焦透镜，调整激光高速振镜与待测的增材钛合金试件上表面之间的距离，使激光高速振镜的出光镜头的焦点位于待测的增材钛合金试件上表面上；固体激光器及安装其下方的激光高速振镜一同搭载在所述步进扫查装置上，工控机控制步进扫查装置前后左右动作，使激光高速振镜发出的入射光束遍历待测的增材钛合金试件表面的指定区域；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的同一表面时，出射探头可固定；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的相对表面时，出射探头架设在所述步进扫查装置上，与激光高速振镜同步位移；IPG光纤激光器发出的一束激光通过分光器，分别送入接收探头和激光干涉仪；分光器送入至激光干涉仪的光束作为初始光束；接收探头的出射光束将采集到的超声振动信号(超声振动信号是入射的激光光束打到增材钛合金试件上产生的物理现象)传输至激光干涉仪内部，带有超声振动信号的反射光束作为参考光束；初始光束和参考光束在激光干涉仪内进行双波混合干涉外理后，通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据(与光束对对应)导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理，从而获得增材钛合金试件内的缺陷分布的位置、形状及大小。
[0008]进一步地，固体激光器(超声激发装置)选用调Q型Nd：YAG脉冲激光器，光束的波长选用1064nm，光束脉宽选择10ns或20ns，根据增材钛合金材料的物理属性，出射的单脉冲激光功率密度控制在5
×
1010至5
×
1013W/m2之间，脉冲光束的出射频率设置为5Hz。
[0009]固体激光器、双波混合干涉仪可选择的型号如下：固体激光器型号：LD
‑
JGQ调Q灯泵浦脉冲激光器，双波混合干涉仪型号：AIR
‑
1550
‑
TWM。
[0010]进一步的，所述激光高速振镜内设有用于调速光束入射角度的两个反射棱镜，激光光束经过振镜的两个反射棱镜(双轴面)反射后聚焦，通过出光镜头聚焦辐照至增材钛合金试件表面；通过工控机控制激光高速振镜内的两个反射棱镜进行转动，即双轴偏转，从而调整光高速振镜通过出光镜头出射光的角度。所述激光高速振镜设定的调节角度不宜过大，需满足出射光束的射点位移步长不超过声场信号的波长。
[0011]进一步的，扫查步长根据增材钛合金试件的大小来确定，先进行较大步长的粗描述，确定缺陷所在范围扣再进行较小步长的精描扫。
[0012]进一步的，双波混合干涉仪的探测光束应垂直辐照在钛合金介质表面的接收点域，以增强所接收声场数据的相位信息完整性。
[0013]进一步的，所述出射探测光路的探头架设在步进扫查装置(二维扫查架)中，并利用工控机设定的路径来调整探测光束的路径，保持探测光(接收探头发出)与激发光(激光高速振镜)束形成对应移动的光束对。
[0014]进一步的，双波混合干涉仪将拾取到的超声信号输入示波器中，对信号进行初步
判别，避免因探测光束的移动延迟而产生的无效信号。
[0015]进一步的，针对增材钛合金试件的一个水平面检测后，获得增材钛合金试件的缺陷分布水平位置、形状及大小后，可再检测增材钛合金试件的另一个与该水平面垂直的平面，检测后可获得获得增材钛合金试件的缺陷分布位置。
[0016]本专利技术还提供了一种增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法，将所制成的增材钛合金试件置于检测区域，调节工控机中的光束控制程序设定所需的激光参数，同时设置振镜在每次光路发射结束后的偏转方向，以制定光束的扫描路径；调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，所述缺陷检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪；所述工控机与固体激光器连接，通过工控机制控固体激光器根据增材钛合金材料的物理属性预设的激光基本参数发出激光光束，预设激光基本参数包括光束波长、光束脉宽、出射的单脉冲激光功率密度、脉冲光束的出射频率；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，即固体激光器的出光口连接有激光高速振镜，高速振镜的出光镜头的镜片为聚焦透镜，调整激光高速振镜与待测的增材钛合金试件上表面之间的距离，使激光高速振镜的出光镜头的焦点位于待测的增材钛合金试件上表面上；固体激光器及安装其下方的激光高速振镜一同搭载在所述步进扫查装置上，工控机控制步进扫查装置前后左右动作，使激光高速振镜发出的入射光束遍历待测的增材钛合金试件表面的指定区域；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的同一表面时，出射探头可固定；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的相对表面时，出射探头架设在所述步进扫查装置上，与激光高速振镜同步位移；IPG光纤激光器发出的一束激光通过分光器，分别送入接收探头和激光干涉仪；分光器送入至激光干涉仪的光束作为初始光束；接收探头的出射光束将采集到的超声振动信号传输至激光干涉仪内部，带有超声振动信号的反射光束作为参考光束；初始光束和参考光束在激光干涉仪内进行双波混合干涉外理后，通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理，从而获得增材钛合金试件内的缺陷分布的位置、形状及大小。2.根据权利要求1所述的一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，固体激光器选用调Q型Nd：YAG脉冲激光器，光束的波长选用1064nm，光束脉宽选择10ns或20ns，根据增材钛合金材料的物理属性，出射的单脉冲激光功率密度控制在5
×
10
10
至5
×
10
13
W/m2之间，脉冲光束的出射频率设置为5Hz。3.根据权利要求1或2所述的一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，所述激光高速振镜内设有用于调速光束入射角度的两个反射棱镜，激光光束经过振镜的两个反射棱镜反射后聚焦，通过出光镜头聚焦辐照至增材钛合金试件表面；通过工控机控制激光高速振镜内的两个反射棱镜进行转动，即双轴偏转，从而调整光高速振镜通过出光镜头出射光的角度。4.根据权利要求1或2所述的一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，扫查步长根据增材钛合金试件的大小来确定，先进行较大步长的粗描述，确定缺陷所在范围扣再进行较小步长的精描扫。5.根据权利要求1所述的一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，双波混合干涉仪的探测光束应垂直辐照在钛合金介质表面的接收点域，以增...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵扬，杨平华，张鹏辉，周志权，金涛，李剑锋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：