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金属材料表面缺陷及残余应力的激光超声无损检测研究

石一飞  
【摘要】: 本文从有限元数值计算和实验两方面研究了扫描激光源法检测板状和柱状金属材料表面微小缺陷的机理和激光声表面波传播特性,并针对表面缺陷的重要成因——表面应力,建立了激光超声应力探测系统。 改进了差分式光偏转声表面波探测系统的光路结构,提高了超声表面波探测的空间分辨率,并采用蒙特卡洛算法对光束在测量系统中的传播过程进行了数值模拟,对系统的探测机制、线性度进行了讨论。为了验证该探测系统的有效性,采用扫描线光源法,以该探测系统来接收超声表面波,实现了平板金属材料表面微小缺陷的探测。 基于激光热弹性激发超声波的经典理论,利用有限元计算方法对脉冲激光线源作用于缺陷边缘时产生的温度场和声场进行了模拟,分析了缺陷的存在对温度场和声场的影响,讨论了不同缺陷深度下超声场分布的变化,并对激光线源扫描至缺陷边缘时产生的表面波峰—峰值增大的现象进行了解释。 将扫描线源技术应用于柱状金属材料表面缺陷的检测,用有限元方法分别模拟了传统pitch-catch法和扫描线源方法探测柱状材料表面缺陷的过程,比较了两种方法得到的缺陷信息,讨论了缺陷深度对这两种方法有效性的影响。从数值计算结果中发现,扫描线源法应用于柱状材料与平板材料上时产生的现象不同,建立了相应的实验验证系统。 建立了金属表面应力分布的激光超声探测系统,并利用该系统测量了铝合金表面焊接时遗留的残余应力。该探测系统采用激发源和被测样品二维平移方式,实现了在样品表面的快速二维扫描,根据测得不同传播距离的超声表面波信号,采用波形相关算法,计算出声表面波之间的相对延时,进而根据声弹性原理计算出对应的应力值。 本文的研究结果将对金属材料表面缺陷和残余应力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技术进一步发展和应用。


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