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扫描激光源法激发声表面波用于金属表面裂纹检测的研究

倪辰荫  
【摘要】:本文通过有限元数值模拟和实验两种手段,研究了基于全光学激发/探测的扫描激光源法检测铝材料表面微小裂纹的机理和激光声表面波传播特性。通过分析激光源和表面裂纹相距不同距离时激发超声波的特点,研究了表面裂纹对于激光线源激发远场、近场声表面波的作用机制。 利用有限元方法建立了线光源在铝板中激发超声波的物理模型,并用表面凹槽代替现实中的表面裂纹,模拟了扫描激光线源法在含表面裂纹样品表面的扫查过程;针对激光源入射于表面裂纹之上的情况提出“双光源法”,着重关注了此时超声波的激发和传播。通过分析激发的各模式超声波的到达时间可以获得表面裂纹的取向、深度等信息;接下来,将扫描激光源法与双光源法结合用于表面裂纹的探测,使得一个探测周期内可以同时获得表面裂纹的位置、深度以及取向等信息;最后,搭建相应的实验检测装置进行实验验证,所得结果与数值模拟结果吻合,从而验证了扫描激光源结合双光源法探测表面裂纹数值模型的正确性。 在前文模型的基础上,改变双光源激发超声波模型中表面裂纹的角度和深度,分析了当裂纹取向从5°到175°之间变化,和裂纹深度从1mm到5mm变化时,激光源激发的超声波的变化,并初步解释了各模态超声波的产生原因,详细研究了通过分析超声波各模态到达探测点的时间来反演表面裂纹取向以及深度的可行性。 从实验上改进了经典的扫描激光线源法,在原先实验装置的基础上将超声激发光源由线源改为点源,并将激发光源的扫描方式由单纯的一维线式扫描变成二维面式扫描,实现了样品表面的二维光声成像。基于这一思路,搭建二维光声裂纹检测系统,并利用这一检测系统分别对含有真实的可见表面疲劳裂纹以及不可见表面疲劳裂纹的金属样品进行检测,结果显示这一检测系统不仅可以得到表面疲劳裂纹的位置信息,还可以得到表面疲劳裂纹的长度信息。另外从检测结果中还可以看出,该检测系统对肉眼不可见的疲劳裂纹有一定的检测能力。 基于光热调制的激光超声用于缺陷检测的理论,综合了扫描激光源法的优点,提出并搭建了基于光热调制的声表面波的激光超声裂纹检测系统,并对含有疲劳裂纹的铝样品进行了检测。实验结果表明,这一实验系统相比于传统的线性光声裂纹检测系统,具有更高的检测灵敏度和信噪比,并从理论上对实验现象给出了初步的解释。 本文的研究结果将对金属材料表面裂纹的激光超声无损检测提供理论和实验依据,也有助于激光超声无损检测的进一步发展和应用。


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