【摘 要】
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多晶体材料的晶粒尺寸作为金属内部微观组织的重要参数,对材料的力学及电磁等性能具有重要的影响。金属板带晶粒尺寸的在线快速无损检测是提高材料性能,实现金属板带生产智能化的必要手段。如何通过微观晶粒组织的在线检测与实时控制,实现金属板带产品力学性能的高稳定性精确命中,具有极为重要的意义。然而长期以来,由于缺乏金属内部组织性能参数的在线直接检测技术,只能采用离线和破坏性方式取样检测（如金相法,电子背散射衍
【基金项目】
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国家支撑计划“精密带钢产品质量优化与关键装备研发”; 北京市自然科学基金项目“基于激光超声的低合金高强钢晶粒尺寸与分布特性检测关键技术研究”; 国家自然科学基金项目“基于相控阵激光超声的铝合金晶粒尺寸在线无损检测关键技术研究”
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多晶体材料的晶粒尺寸作为金属内部微观组织的重要参数,对材料的力学及电磁等性能具有重要的影响。金属板带晶粒尺寸的在线快速无损检测是提高材料性能,实现金属板带生产智能化的必要手段。如何通过微观晶粒组织的在线检测与实时控制,实现金属板带产品力学性能的高稳定性精确命中,具有极为重要的意义。然而长期以来,由于缺乏金属内部组织性能参数的在线直接检测技术,只能采用离线和破坏性方式取样检测（如金相法,电子背散射衍射法等）,虽然能够获得准确的组织性能参数,但效率低、时效长,难以对突发的产品质量波动进行及时识别与干预调整,成为生产过程中金属板带内在质量及稳定性提升的瓶颈。本文基于激光超声无损检测技术,以纯铝板为例,研究了金属板带产品微观晶粒尺寸及其分布的检测方法,搭建了一套激光超声无损检测平台,对无损激发检测方法,衰减特征值提取,表征模型进行了优化,实现了晶粒尺寸及其分布的无损检测。本文的主要内容和研究成果如下:（1）搭建了一套金属材料晶粒尺寸的激光超声检测平台,通过脉冲激光器在金属板带内部激发超声波,利用双波混合干涉仪在金属板带对侧接收携带晶粒尺寸信息的超声波信号,实现了超声波的远距离激发和接收。设定连续激光器功率为800mw,干涉仪达到较好的干涉效果,同时避免对干涉仪组件的损坏。采用基于PXIe总线的高速信号采集系统,编写相关采集程序,采样率可达2.5GS/s,利用队列的方法进行存取数据,可以匹配10Hz激励的超声信号的高速采集和存储,并嵌入MATLAB程序进行信号处理,实现了超声波信号的实时高速连续采集存储和分析。搭建了基于环形脉冲激光的无损检测平台,实现了激光超声检测系统的无损检测优化。（2）针对传统的激光超声检测晶粒尺寸使用烧蚀机制会造成表面损伤的问题,利用锥透镜光学元器件实现了环形脉冲激光超声的热弹性无损检测机制的激发,并通过双波混合干涉仪对热弹性信号进行衰减信息的探测。利用建立的环形脉冲激光激发的有限元模型,以及搭建的激光超声实验平台,分析了超声波能量方向性,35.5度角为最佳角度,对于3 mm的样品,选择4（33.69度）至5（39.81度）mm的激光环直径作为合适的检测参数以进行实验。选取环的宽度为0.2mm。分析了环形热弹性激发的超声波聚焦效果,和环形脉冲激光的尺寸参数对超声波信号的影响规律。根据仿真和实验结果,得到了最优的环形脉冲激光参数。通过理论分析,建立了热弹机制下的晶粒尺寸无损检测方法,该检测方法同时解决了热弹性无损机制下的超声波能量低和与超声波能量强度有关的方向性的问题。（3）通过经验模态分解算法和集合经验模态分解算法,对激光超声系统获得的超声波信号进行了分解和重构。通过对分解获得的不同阶次固有模态函数的频域分析,采用了可以消除模式混叠的集合经验模态分解算法,对激光超声检测信号进行降噪预处理。通过对超声信号和不同阶次固有模态函数的相关性分析,丢弃了高频噪声和低频线性趋势,提取关键的信号分量进行信号重组,实现了超声波信号的高频降噪和低频线性趋势的去除。利用激光超声实验获得的超声波衰减信息和EBSD实验获得的晶粒尺寸信息,建立了平均晶粒尺寸预测模型,通过实验分析,建立的模型对晶粒尺寸的平均误差为2.96%。验证了集合经验模态分解算法对激光超声信号和晶粒尺寸预测模型的有效性。（4）建立了基于人工神经网络的微观晶粒尺寸分布的数据驱动检测模型。通过傅里叶变换频域计算方法,对获取的激光超声波信号进行预处理,得到超声波信号的频谱衰减信息,将超声波衰减信息作为输入参数。提取了 EBSD实验得到的不同1060铝试样的晶粒尺寸分布信息,将晶粒尺寸分布的均值和方差信息作为预测系统的输出参数。利用输入输出信息建立了人工神经网络系统,并利用粒子群算法优化了人工神经网络系统的初始参数。利用输入输出信息对人工神经网络进行训练,建立了晶粒尺寸分布的表征模型。利用激光超声实验数据,对建立的晶粒尺寸分布模型的精确性进行了验证。期望值μ和标准偏差σ的平均误差绝对值分别为3.15%和2.10%。
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