掃查式激光超聲技術(shù)及其在表面缺陷檢測中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中長期滿負(fù)荷工作，其結(jié)構(gòu)難免受到不同程度的損傷。金屬材料結(jié)構(gòu)的變化將給我們的工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。為了實(shí)現(xiàn)對這些金屬材料進(jìn)行快速檢測，出現(xiàn)了一種新的檢測方法-激光超聲技術(shù)。激光超聲技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、非接觸、高靈敏度、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注和研究。本文主要采用有限元數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了激光激發(fā)的超聲波在材料缺陷中的傳播特性，同時(shí)采用掃查式激光超聲檢測技術(shù)對奧氏體不銹鋼及

2、鋁合金材料中存在的缺陷進(jìn)行可視化檢測。本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：
　　根據(jù)激光產(chǎn)生超聲波的熱彈運(yùn)動方程及熱傳導(dǎo)方程，采用有限元技術(shù)對方程進(jìn)行求解，得到超聲波傳播圖像。當(dāng)聲表面波經(jīng)過近表面缺陷時(shí)，聲表面波與近表面缺陷之間產(chǎn)生一種振蕩效應(yīng)，通過近表面缺陷的振蕩波幅值存在一個(gè)先增大后減小的過程。當(dāng)聲表面波經(jīng)過不同深度的近表面缺陷時(shí)，振蕩信號的中心頻率存在一定的變化規(guī)律。數(shù)值仿真結(jié)果表明：當(dāng)近表面缺陷深度從0.1mm變化

3、到0.5mm時(shí)，振蕩效應(yīng)產(chǎn)生的振蕩信號中心頻率從0.4MHz變化到0.76MHz，振蕩信號中心頻率與近表面缺陷深度呈近似線性關(guān)系，這為近表面缺陷的深度檢測提供了條件。
　　采用有限元方法模擬了掃查激光源對含有表面缺陷材料進(jìn)行掃查，由于材料缺陷的存在，通過缺陷位置和無缺陷位置處的縱波最大峰值時(shí)間不同。根據(jù)縱波最大峰值時(shí)間不同，得到縱波 B掃圖及傳播圖像，可以實(shí)現(xiàn)對材料表面缺陷進(jìn)行檢測。同時(shí)搭建一套掃查式激光縱波檢測系統(tǒng)，對不同寬度、

4、不同深度、不同形狀的表面缺陷進(jìn)行一維掃查和二維掃查，得到了激光源在材料中產(chǎn)生的縱波 B掃圖及傳播圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種掃查式激光縱波檢測技術(shù)能對不同寬度、不同深度的表面缺陷定量檢測。
　　采用有限元方法模擬了掃查激光源在表面缺陷中激發(fā)超聲波的理論模型，分析了聲表面波在缺陷位置處的波形變化，經(jīng)過缺陷位置處的聲表面波最大幅值存在一個(gè)先增加后減小的過程。同時(shí)搭建掃查式激光聲表面波檢測系統(tǒng)，根據(jù)超聲波傳播的互易性原理，得到激光在材料中激

5、發(fā)的聲表面波傳播圖像，實(shí)現(xiàn)對材料缺陷的可視化檢測。針對鋁合金材料和奧氏體不銹鋼材料中的缺陷位置、大小無法檢測這一問題，提出了一種基于Wigner-Ville分析的算法，并與現(xiàn)有的其他算法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種算法不僅可以實(shí)現(xiàn)對材料缺陷的位置檢測，還可以直觀高效的對缺陷大小、形狀進(jìn)行初步檢測。同時(shí)針對奧氏體不銹鋼焊縫中缺陷無法定量檢測這一問題，提出了一種快速離散正弦變換的算法，并與傳統(tǒng)快速傅里葉變換的算法進(jìn)行比較分析得出，這種快速離