超声波显微镜在无损检测中的应用

 

陈昌华

马钢股份有限公司技术中心

 

     介绍了三种显微镜的原理及超声波显微镜在产品检测中的应用。声学显微镜是无损、精细、高灵敏度地分析物体内部及表层结构的新型检测设备,利用时间门电路技术可以区分和获得材料内部不同深度的尺寸为微米到百微米的结构和缺陷。研究结果表明,超声波显微检测技术具有层间结构图像直观等特点,可用于电子工业、化工行业及钢铁工业等领域材料质量等方面的检测。检测过程中可实时显示被测材料的A ,B C三种扫描图像,缺陷检测结果直观。

主题词   超声波;显微镜;C-SAM连续谱;灰度谱;深C扫描;幅C扫描

 

 


1. 前言

超声波显微镜(SAM)是以现代微波声学、硬件信号处理和计算机软件为基础,可以无损、精密地观察材料内部结构三维图像(3D Image)的新型声学设备。超声波检测具有良好的穿透性、反射性,易于穿透不透明的物体及二种声阻抗之间易形成反射波(声压反射率公式:rp=Z2cosα-Z1cosβ)/Z2cosα+Z1cosβ),式中:Z1-介质的声阻抗;Z2-介质的缺陷声阻抗;α-入射角;β-反射角,当超声波垂直入射时,cosα=cosβ=1;当入射波与反射波同为一种波型时,α=β,上述公式简化为:rp=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)),超声波显微反差的机理是被测材料微观声学参数或力学参数的差异与分布。

传统超声检测技术的工作频率是110MHz ,由于其使用频率较低,检测分辨率不高;而超声显微检测技术最常用的工作频率为10100MHz,甚至可以达到2GHz, 检测分辨率极高。超声波扫描显微镜的特点在于能够精确的反映出材料声波和微小的弹性介质之间的相互作用,并对从材料内部反馈声阻抗的信号进行分析,图像上(B-Scan, C-Scan)的每一个象素点对应着材料内某一特定深度的一个二维空间坐标点上的信号反馈。一副完整的图像逐行逐列的扫描材料完成,反射回来的超声波信号调理后送出检波或射频,这样就可以用信号传输的时间反映出材料的深度,用户可通过屏幕上的数字波形展示出接收到的反馈信息(A-ScanTOFD)。设置相应的门控电路,用这种定量的时间差测量(反馈时间显示),就可以选择您所要分析的材料深度。

扫描超声显微镜方法是分析材料多层结构分布的最重要的无损检测方法,可以很好地探测出空洞、分层和水平裂纹,而光学显微镜(属于破坏性检验)、X射线检测方法是无法替代的。由于超声波检测原理主要是平面波反射,因而对垂直裂纹(如绝大多数的开口裂纹、垂直分量较大的弯曲裂纹)的分辨能力不强,一般材料多层结构的检测需要较高的超声频率,图1为典型的空洞的扫描超声显微镜检测结果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. 光学显微镜、电子显微镜与超声波扫描显微镜区别

联邦德国最早发明了一种新型的显徽镜,它不再用光,而是用超声波扫描进行工作。这种显徽镜对于物质最纤细的组织结构能够做出准确判断,该显徽镜是世界第一台用超声波扫描进行工作的显徽镜。超声波扫描显微镜,扫描分辨率为0.1微米,最小扫描范围为0.25微米*0.25微米,德国KSI超声波扫描显微镜C-SAM(SAT)是世界上最先进的机器,见图2照片。超声波扫描显微镜,主要应用领域是半导体器件芯片,复合材料及钢铁组织等内部的失效分析。其可以检查到:材料内部的晶格结构,杂质颗粒,夹杂物,沉淀物;内部裂纹;分层缺陷;空洞,气泡,空隙等。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


普通光学显微镜的构造主要分为三部分:机械部分、照明部分和光学部分。光学显微镜是在1590年由荷兰的杨森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1500倍,分辨的最小极限达0.2微米。光学显微镜的种类很多,除一般的外,主要有暗视野显微镜是一种具有暗视野聚光镜,从而使照明的光束不从中央部分射入,而从四周射向标本的显微镜。荧光显微镜以紫外线为光源,使被照射的物体发出荧光的显微镜。

电子显微镜是1931年在德国柏林由克诺尔和哈罗斯卡首先装配完成的。这种显微镜用高速电子束代替光束。由于电子流的波长比光波短得多,所以电子显微镜的放大倍数可达80万倍,分辨的最小极限达0.2纳米。1963年开始使用的扫描电子显微镜更可使人看到物体表面的微小结构。

超声波扫描显微镜是1990年由德国KSI公司在世界上领先完成。近年来,超声波扫描显微镜(C-SAM)已被成功地应用在电子工业、化工行业及钢铁工业等领域,尤其是封装技术研究及材料分析的实验室。由于超声波具有不用拆除组件外部封装之非破坏性检测能力,故C-SAM可以有效的检出材料中因水气或热能所造成的破坏,如:结合层、气孔及裂缝等。超声波在行经介质时,若遇到不同密度或弹性系数之物质时,即会产生反射回波。而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异,C-SAM利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收的信号变化将之成像,因此可由C-SAM影像确定缺陷的相对位置。

超声波扫描显微镜的特点是可以放置多个门电路,我们就可以在监控屏幕下得到材料内部不同深度的多幅图像。在超声波频率高达2GHz2000MHz)时,仪器最高可以达到0.1微米的分辨率。根据需要可以选择多个传感器,这样就得到不同频率的声波信号。对每一个扫描点反馈回来的信号进行振幅及其正负和传输时间的分析,并用颜色(连续谱、灰度谱)表示出声波相位的反转情况。

德国KSI公司扫描显微镜的发展规轨迹:

l         1990年,世界上第一个做出频率超过GHz的超声波扫描显微镜,到目前为止,其他同类仪器公司只能做到200MHz左右;

l         1991年,世界上第一个在超声波显微镜中做出GHz V(z), V(f)定量测量系统;

l         1996年,推出世界上第一台数字超声波显微镜;

l         1998年,世界上第一个做出带有球面透镜的超声波换能器;

l         2002年,世界上第一个在超声波显微镜上实现材料阻抗测量;

l         2004年,世界上第一个在超声波显微镜扫描控制平台中采用空气垫悬浮线性马达驱动的超高精度X-Y扫描系统;

l         2004年,世界上第一个实现超声波显微镜自动对焦系统,并受到专利保护;

l         2004年,世界上第一个实现多探头同时扫描大件样品的超声波显微镜系统,并受到专利保护。

 

3. XRAYC-SAM成像原理

XRAY:射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用,因吸收和散射而使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被透照物体的局部存在缺陷,且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件,该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透过射线的作用下感光,经暗室处理后得到底片。底片上各点的黑化程度取决于射线照射量,由于缺陷部位和完好部位的透射射线强度不同,底片上相应部位就会出现黑度差异。底片上相邻区域的黑度差异定义为“对比度”。把底片放在观片灯光屏上借助透过光线观察,可以看到由对比度构成的不同形状的影像,评片人员根据此判断缺陷情况并评价试件质量。

CSAM:声波扫描显微镜内部造影原理为电能经由聚焦转换镜产生超声波触发在待测材料上,将超声波的反射或穿透信号接收后影像处理,再以影像及信号加以分析。声学显微镜是无损、精细、高灵敏度地观察物体内部及表层结构的新型检测设备,能用于观察材料内部不同深度的尺寸为微米到百微米的结构和缺陷。声学显微镜由声学部件(包括换能器、声透镜等)、高低频电路、高速程控运放、高速AD、精细扫描装置、微机软硬件系统等几部分组成。换能器产生的声波被声透镜聚焦,遇检测试件表面发生折射,声波进一步聚焦,声波遇试件内部缺陷时产生反射,反射波返回换能器,经处理后在显示器上呈现出其内部不均匀性的图像。

C-SAM可以在不需破坏封装的情况下探测到结合层、空洞和裂缝,且拥有类似X-Ray的穿透功能,并可以找出问题发生的位置和提供分析数据。

 

4. 超声波扫描显微镜应用

超声显微检测系统主要由声透镜、脉冲发射/ 接收装置、超高速A/ D 卡、机械扫描装置等部件组成,见图3接触法平面式探伤扫描架及图4水浸法转动式探伤扫描架照片。利用时间门电路技术可以区分和获得材料内不同深度z处的反射回波信号。SAM通常有以下三种工作模式:(1).内部成像:显示器上呈现出内部不同深度z处的声学图像。(2).表层、亚表层成像:此时声透镜的理想焦点在材料的内部。材料的反射信号由入射纵波的反射波和透镜边缘区的入射波在材料表面形成泄漏表面波的再辐射波两部分相干叠加而成,此时可从材料表面反射波中获取表层和亚表层的结构信息。(3).z轴扫描工作状态和V(z)曲线,由表层成像工作可知,表面反射信号由两个分量组成。当声聚焦透镜在同一试样中沿垂直于表面的z方向扫描时所得输出电压信号Vz的变化称之为V(z)函数。V(z)函数具有瑞利波半波长的周期性振荡。不同材料的V(z)曲线不同,V(z)函数可作为材料的声学特性,因此,也称为材料的声学指纹。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


目前声显微检测应用比较成功的是在生物医学工程中对活体组织和细胞的研究,及在微电子工程中对集成电路内部结构的分析与研究。而国内外无损检测人员已开始有人将SAM应用于材料科学中晶格组织、结构失效的研究。本文就是试图将超声波扫描显微镜应用于金属及非金属缺陷的检测分析,利用超声显微镜的C扫描(或B扫描)功能获得金属及非金属缺陷的超声层析成像,进而获得金属及非金属缺陷的具体形状和精确尺寸,这就为重要金属及非金属产品结构的安全评定,寿命评估和有限元应力计算等提供了准确的预测依据。

这些特点非常适合于进行各种二维、三维检测和微焦点计算纵、横向断层扫描(μCT)应用。可获取材料整个三维空间内的内部和外部信息,包括组成,结构,虚拟断面分析、应力和尺寸测量等。下面举例应用试验结果与案例分析:

(1). 金属试样平底孔的连续谱深C扫描图像。在平底孔试样上获得了同深度z处的C扫描图像,平底孔直径为φ2mm, φ1.6mm, φ1.2mm, φ0.8mm, φ0.5mm

 

 

 

 


(2). 灰度谱和连续谱幅度C描图像。在试样上获得的不同深度z处的两幅C扫描图像(灰度谱C-scan连续谱C-scan)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


(3). 层间连续谱幅度C描图像。z轴上每层0.1mm深度变化,反应出材料结构的组织形貌,缺陷的发展趋势。5mm厚度的复合材料,选择了15层的影像剖析。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5. 结束语

超声显微检测技术发展的初期阶段,人们通常认为高频率的检测在超声显微检测技术应用中占有优势。然而,由于材料声衰减与声频率的平方相关,频率越高,声衰减越大,穿透材料厚度越浅。所以,材料内部的无损检测, 最常用的频率范围为10100MHz。压电换能器在高频电信号的激励下,产生频率f10100MHz的超声波,通过声学聚焦透镜在耦合介质(如水中)中会聚,会聚的声束遇到材料试样表面发生折射,声束在试样内部进一步会聚聚焦,最终在一定深度z处聚成焦点。此焦点形状并不是几何上简单的园点,而是聚焦成一个沿纵深方向的纺锤形狭窄区域。该区域横向尺寸越小,声学显微镜的横向分辨率就越高,主要取决于超声换能器的工作频率。纵向尺寸与声透镜的凹面曲率半径有关,它直接影响声学显微镜的纵向分辨率及探测深度。

利用声显微检测技术功能可以获得材料缺陷在不同深度(或纵度)层面上的超声C扫描(或B扫描)图像。实验结论表明:二维声学图像可以显示出缺陷在一定深度(或纵度)处的剖面图像。三维图像可以得到缺陷的立体图像、三维几何尺寸和相对空间分布。通过减小机械扫描步长,可以获得具有更高分辨率的图像质量,特别适合于分散的单点细小夹杂、气孔类的检测以及大尺寸缺陷的局部精细检测。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

Ultrasonic microscope in the application of NDT

Chen Changhua

Technology Center of Maanshan Iron & Steel Company  Limited

 

Abstract:  Introduced the three principles of the microscope, and ultrasonic testing products on the application of the microscope. Acoustic Microscope is non-destructive, sophisticated, high-sensitivity analysis of the internal objects and the surface structure of the new testing equipment, use of time gate and access to technology can distinguish between different materials within the depth of the size of microns to 100 microns the structure and defects. The results show that the ultrasonic detection technology with microscopic layer of visual images, and other characteristics, can be used for the electronics industry, chemical industry and steel industry and other fields, such as the quality of the materials testing. In the course of testing can be measured real-time display of A, B and C are scanned images, visual defect inspection results.

 

Keywords: Ultrasonic; microscope; C-SAM; continuous spectrum; gray spectrum; Depth C-scan; Amplitude C-Scan