掃查式激光超聲技術及其在表面缺陷檢測中的應用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的快速發(fā)展，金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中長期滿負荷工作，其結構難免受到不同程度的損傷。金屬材料結構的變化將給我們的工業(yè)生產(chǎn)造成嚴重的損失。為了實現(xiàn)對這些金屬材料進行快速檢測，出現(xiàn)了一種新的檢測方法-激光超聲技術。激光超聲技術以其遠距離、非接觸、高靈敏度、頻帶寬等優(yōu)點，得到了人們的廣泛關注和研究。本文主要采用有限元數(shù)值計算和實驗相結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，同時采用掃查式激光超聲檢測技術對奧氏體不銹鋼及

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

3、到0.5mm時，振蕩效應產(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間不同。根據(jù)縱波最大峰值時間不同，得到縱波 B掃圖及傳播圖像，可以實現(xiàn)對材料表面缺陷進行檢測。同時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。實驗結果表明：這種掃查式激光縱波檢測技術能對不同寬度、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先增加后減小的過程。同時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)有的其他算法進行比較。實驗結果表明：這種算法不僅可以實現(xiàn)對材料缺陷的位置檢測，還可以直觀高效的對缺陷大小、形狀進行初步檢測。同時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行比較分析得出，這種快速離