一种增材钛合金激光电磁超声缺陷检测系统及激光电磁超声SAFT成像检测方法

本发明涉及增材制造无损探伤的超声检测领域，特别涉及一种增材钛合金激光电磁超声缺陷检测系统及激光电磁超声saft成像检测方法。

背景技术：

1、现阶段，增材制造技术正逐步走出实验室，并投入到实际应用当中，但在具体的生产过程中，由于制造工艺的差异性，在构件的内部可能会有不同程度的气孔、裂纹等缺陷出现，以超声检测为主导的无损检测技术正融入到了增材制造的后期探伤中。在工业无损检测领域中，探伤手段正逐渐从一维时域分析过渡到二维图像重构，技术革新为增材试件的检测带来了诸多优势，一方面，减少了检测人员漏检和误报的现象；另一方面，有利于内部异质缺陷尺寸的直接检出，大大缩短了原来信号后处理所需的冗余时间。目前针对如钛合金的增材构件中缺陷探测问题，其重点突破方向之一是使用具有优良性能的激光超声检测法，高能脉冲激光束具有窄脉宽特性，超高的准直性、光子能量的强汇聚性等优点，在固体介质中能够激发出短波长、多模态的超声场。一般地，用于探测超声信号的压电探头由于需要涂抹耦合剂，因而具有较多局限性；另外，具有非接触式特点的激光干涉仪不但光路复杂，难以用于室外的工件检测，而且造价昂贵，仪器后期的检修较为困难，更重要的是干涉仪为确保检测灵敏度，需要接收足够的来自于工件表面反射回来的探测光，所以干涉仪难以检测表面粗糙度较高的试件。

2、因此，有必要针对钛合金增材制造技术，设计和研究一种结构复杂性低、成像分辨率高的介质内部缺陷检测系统和方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、本发明是针对钛合金增材制造的缺陷检测过程中，激光超声所使用的光学检测法光路复杂、难以用于表面抛光度低的工件，以及重构图像分辨率不高的问题，提出了一种克服上述问题的基于saft(synthetic aperture focusing technique)成像的激光电磁超声检测系统及方法，通过结合激光超声技术和电磁超声技术的基础之上，利用先进的合成孔径成像方法，完成钛合金试件内部缺陷的探测和成像。

3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

4、一种增材钛合金激光电磁超声缺陷检测系统，设有固体激光器、激光高速振镜、柱面镜、光触发电路，增材钛合金试件，电磁超声探头、信号接收单元、工控机，所述固体激光器输出的激光信号依次经高速振镜、聚焦透镜后，激光信号被转换为线性光源，并投至待检测钛合金材料工件表面；信号超声探头与待检测增材试件表面接触，并将采集后的信号送入信号接收设备，所述信号接收设备中设有依次相连的前置放大器、滤波器、模数转换器以及数据采集卡，其中前置放大器与所述信号超声探头的输出端相连，所述数据采集卡与工控机相连；所述光触发电路分别连接激光振镜内腔与信号接收装置。

5、针对本发明的一种增材钛合金激光电磁超声缺陷检测系统进行描述如下：

6、一种增材钛合金激光电磁超声缺陷检测系统，其特征在于，所述缺陷检测系统包括信号激发单元、信号接收单元、光触发电路和工控机，信号激发单元包括固体激光器、柱面镜和步进扫查装置，信号接收单元包括电磁超声探头(emat)、前置放大器(差分放大器)、滤波器(低通滤波器)、模数转换器和数据采集卡；

7、所述光触发电路分别连接信号激发单元和信号接收单元，用来获取初始信号，以及将所获取的触发信号反馈至信号接收单元(数据接收端)；电磁超声探头通过信号接收单元与工控机相连接；

8、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；

9、所述柱面镜设置在固体激光器上作为出光口，所述固体激光器的射出脉冲激光经由柱面镜的目的是将激光出射点源转换为线性光源，以增强光束能量及声场指向性，更利于抑制成像结果中的旁瓣；固体激光器搭载在步进扫查装置上；所述步进扫查装置用于实现光束的点阵扫描；

10、通过工控机中的扫查程序控制步进扫查装置中的扫描电机动作，实现二维矢量扫描，进而完成固体激光器入射光束在增材钛合金试件表面遍历；固体激光器通过光触发电路与电磁超声探头(emat)连接；

11、电磁超声探头(emat)将因脉冲激光打到增材钛合金试件表面而其内部产生超声振动信号(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)通过电磁超声原理转化为电信号；再将电磁超声探头(emat)输出的电信号依次通过前置放大器、滤波器、模数转换器信号处理后转给数据采集卡，数据采集卡连接所述工控机；

12、所述电磁超声探头置于待测试件表面上方，所述信号接收单元(信号接收模块)用于拾取试件内部的超声信号并作前期处理，同时将经过放大和滤波后的数据传输到工控机中，通过saft成像算法完成成像处理，从而获得增材钛合金试件内的缺陷分布位置、形状及大小。

13、进一步的，所述缺陷检测系统的信号激发单元还包括用于改为光路的光束调整单元，光束调整单元位于柱面镜与增材钛合金待测表面之前，光束调整单元为激光高速振镜，或者由反射镜和聚焦透镜构成的光束调整单元，或者由仅反射镜作为光束调整单元；光束调整单元搭载在步进扫查装置上。

14、进一步的，用于激发脉冲光束的固体激光器选用调q型nd：yag脉冲激光器，波长选用532nm或1064nm，光束脉宽优先选择10ns，出射的单脉冲激光功率密度控制在5×108至8×1013w/m2之间。

15、固体激光器型号可采用：ld-jgq调q灯泵浦脉冲激光器。

16、进一步的，所述激光高速振镜由工控机内置程序进行二维矢量扫描，改变光路后的点光源经过柱面镜后，柱面镜焦距为300mm，点光源经扩展后变为线性光束，线宽为200，线源长度为10mm。

17、进一步的，所述步进扫查装置的位移步长最大不超过增材钛合金试件内产生的超声波(超声场)波长的一半。这样是为满足了较高的成像分辨率。

18、进一步的，当所述线性光束垂直入射至待测增材钛合金试件表面，使用反射镜(反射棱镜)辅助光路偏转，以保证物体表面吸收的热沉积能量达到最大。

19、进一步的，所述电磁超声探头主要由铝制屏蔽外壳、n50钕铁硼永磁体、正交回型蝶式线圈、羟基铁板、塑料背板共同组成，且接收探头与激光激励区域分置。

20、进一步的，信号接收单元包含的差分放大器，用于对拾取到的超声信号振幅进行放大，然后利用低通滤波器对粗糙表面产生的大量噪声信号进行滤除，模数转换器经过信号转换后传输到数据采集卡进行储存，同时上传至工控机端以完成成像分析。

21、本发明还提供了一种增材钛合金激光电磁超声saft成像检测方法，将待测钛合金试件放置在上述检测装置的待扫查区域，调节样品放置高度，使试件上表面置于柱面镜焦距位置，通过工控机中的激光控制系统完成脉冲激光的发射，利用扫查点阵程序或二维扫查平移台控制光源的偏转，实现既定路径的激光源扫描，将电磁接收探头放置在固定位置，采取“移动激励源，固定检测端”的方式实现超声信号的激发和接收，采集到的数据经过信号接收单元放大和滤波后，将信噪比的声场数据传输至上位机，扫描的阵列数据经过合成孔径聚焦成像算法的程序后，最终完成试块内部缺陷的图像重构，其中所述合成孔径聚焦成像方法包括如下步骤：

22、s1：通过上位机设定激光能量和脉宽等基本参数，由扫描点阵程序控制光束的行进路径和激光出射频率，脉冲频率设置为5hz，每组声场数据接收端取5次平均值作为有效信号；

23、s2：每组脉冲光束出射完毕后，以超声波长的十分之一作为步进距离，改变激光辐照区域，将数据传输至上位机并编号，并重复这一步骤；

24、s3：当移动的线性光束完全覆盖待检测横向区域后，移动电磁超声探头至下一扫描分区，同时重新编号，重复上一扫描操作，直至线源遍历完整的待检测区域；

25、s4：将拾取到的数据传输至成像程序，为减少杂波和噪声对成像结果造成的影响，需进行信号预处理操作，首先，将提取到的声场信号与预估声信号频率做卷积，滤除无效的噪声和衍射信号；卷积公式可表示为：

26、

27、s5：将上述信号做希尔伯特变换，对复包络解析信号取绝对值，提取包络信号，以减少因卷积过程中延时和相位带来的误差，然后对包络信号进行峰值锐化处理，即根据信号的特点，在单个信号的极小值处分割信号，只保留每个子信号的极大值，使得子信号峰值更加尖锐，这样更有利于压缩重构图像中的模糊部分，增强成像的分辨率；经希尔伯特变换后的包络信号可描述为：

28、h(x)＝[hr(x)2+hi(x)2]1/2      (2)

29、式中，hr(x)和hi(x)分别表示信号的实部和信号的虚部。

30、锐化处理后的结果可描述为：

31、r(x)＝[k(x)/k]mk      (3)

32、式中，k(x)表示任意子信号，极值为k，m表示锐化处理系数。

33、s6：将经过预处理操作后的信号送入saft成像的信号处理主程序，通过合成孔径扫描路径后，聚焦点处的信号可表示为：

34、

35、式中，x为沿着直线扫描的方向，z为深度方向，n为总扫描步数，mi表示激发光束的位置，t表示探测信号的渡越时间，s为聚焦点信号，di1和di2分别为激发点和接收端到内部缺陷的直线距离，v1和v2分别表示入射波和反射波的波速大小；

36、s7：当试件内部的声场聚焦点(x，z)存在缺陷时，一维时域回波信号会在t时刻出现对应的波峰，通过叠加算法可增强该点的信号幅值，从而完成缺陷图像的重构，增强成像结果的准确度和分辨率；所述叠加算法为：导入经过步骤s4和步骤s5处理后的声场数据，设定初始坐标位，接下来给定成像图片的轴向和径向间隔，在波形持续时间内记录信号峰值，将各部分峰值的绝对值直接叠加，完成初步成像；进行阈值滤波以及色彩添加，以增强图像效果，最后利用边缘算子进行缺陷检测，得到最终的缺陷成像结果图。

37、本发明具有以下有益技术效果：

38、总体而言，通过本发明所提出的技术方案与现有技术相比，主要有以下特点：

39、1.本发明所采用的激光激励超声波、emat接收超声波的混合检测技术不仅降低了光学检测法需要搭建复杂光路的不足，避免了激光干涉仪所需的高昂设备费用，通过该种形式对钛合金增材试件进行结构健康检测，还具有激发端和检测端均为非接触式检测的优势。

40、2.不同于光学检测法对通光孔的进光量要求较高，需要对试件进行抛光才能获得较高信噪比的声场信号，利用所提出的电磁超声接收探头对待测试件的约束性较低，即可完成对表面较为粗糙的钛合金试件的无损探伤。

41、3.本发明所提出的利用激光-电磁超声技术进行saft法完成图像重构，通过窄脉宽的高能光束在试件中激发出超声波，具有波长短、能量高、频谱宽等特点，经过信号接受单元前期处理，以及在上位机中完成的预处理工作后，利用合成孔径聚焦算法进行超声成像，可以有效增强最终图像的分辨率，提升检测精度。