微裂纹的激光声表面波频域检测及激光加热辅助的时域检测研究

摘要

当工件结构不规则或材料非均匀时，很容易在局部形成应力集中，导致工件表面或亚表面形成微小的裂纹。早期微裂纹开口尺寸很小，裂纹壁容易互相接触。本文基于微裂纹易发生局部闭合的特点，针对微裂纹的检测和识别方法进行了理论和实验研究。
　　通过理论推导得到了裂纹受激光辐照发生温升和热膨胀的过程，证明了激光辐照能够引起裂纹壁的位移，且位移的大小与辐照激光的功率及作用时间密切相关。依据热传导理论及热弹性力学理论，用有限元方法模拟了相关温升及热膨胀过程，得到了裂纹壁不同深度处温度和位移随加热时间变化的情况，进而对材料微裂纹受热膨胀易发生局部闭合的现象进行了解释。
　　在明确了微裂纹受热膨胀易发生局部闭合的基础上，提出了基于激光加热辅助的微裂纹检测方法，通过比较对应不同扫描位置处加热与自然冷却后信号的差值，检测出了发动机叶片上的疲劳裂纹。在此基础上，改进了激发光与加热光同步扫描的实验系统，提出扫描加热源法，仅通过扫描加热激光源，实现了玻璃上的微裂纹检测。分别使用投捕法(pitch-catch)、扫描激光源法和扫描加热源法对表面同时含有裂纹和突起的样品进行检测，验证了扫描加热源法在识别微裂纹方面的优势。
　　基于脉冲激光源在材料中热弹激发超声的经典理论，建立了激光激发声表面波经裂纹传播的有限元模型。通过改变模型中V型槽的开口宽度和深度，分析了不同尺寸裂纹对透射声表面波幅值的影响。实验中，通过改变加热激光配置:固定加热时间，改变加热功率以及固定加热功率，改变加热时间，分析了裂纹闭合程度对声表面波透射率的影响。
　　研制了激光激发超声、差分式光偏转法检测超声的纯光学超声检测系统，得到了对应不同激发源位置的声表面波信号。通过对时域信号加窗的方式，分析了透射模式和反射模式下，信号中不同模态对信号总频谱的影响。通过频域信号的B-scan图，得到了信号频谱特征的变化趋势，实现了对裂纹位置的判断。
　　本文的研究成果将对材料微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技术的进一步发展和应用。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 激光超声的激发与检测机理

1．3．2 激光超声技术的应用

1．3．3 材料缺陷超声检测的研究

1．3．4 激光超声数值计算的研究

1．4 本文的主要工作

2 加热激光与表面裂纹相互作用研究

2．1 激光加热辅助导致裂纹局部闭合的理论计算

2．1．1 裂纹区域受激光辐照时的应力及温度场分析

2．1．2 裂纹受激光辐照时的热膨胀分析

2．2 激光加热辅助导致裂纹局部闭合的有限元模拟

2．2．1 热传导理论及热弹方程

2．2．2 热弹耦合的有限元方程

2．2．3 裂纹区域受激光辐照的有限元分析

2．3 本章小结

3 基于激光加热辅助的激光声表面波检测表面微裂纹研究

3．1 激发源和加热源同时扫描法检测发动机叶片表面疲劳裂纹

3．1．1 激发源和加热源同时扫描法检测疲劳裂纹的样品及实验装置

3．1．2 TEMPO干涉仪

3．1．3 激发源和加热源同时扫描法检测疲劳裂纹的实验方法

3．1．4 激发源和加热源同时扫描法检测疲劳裂纹的结果与讨论

3．2 利用扫描加热源法检测黑玻璃表面微裂纹

3．2．1 扫描加热源法检测表面微裂纹使用的样品及实验装置

3．2．2 扫描加热源法检测表面微裂纹的实验结果及讨论

3．3 扫描加热源法从样品表面缺陷中识别微裂纹

3．3．1 扫描加热源法识别微裂纹的实验样品及实验方法

3．3．2 扫描加热源法识别表面微裂纹的实验结果及讨论

3．4 本章小结

4 样品表面不同尺寸裂纹对透射声表面波的影响

4．1 利用有限元方法研究声表面波经不同尺寸裂纹传播

4．1．1 声表面波经裂纹传播的有限元模型

4．1．2 时间步长的选取

4．1．3 网格大小的选取

4．1．4 数值模拟的结果和讨论

4．2 加热激光功率及加热时间对透射声表面波的影响

4．2．1 加热激光源的选择

4．2．2 测量加热激光功率及加热时间对透射声表面波影响的实验方法

4．2．3 加热功率及时间对透射声表面波信号影响的实验结果及讨论

4．3 本章小结

5 超声信号频谱特征用于表面微裂纹检测的研究

5．1 差分式光偏转接收系统

5．1．1 差分式光偏转接收系统结构

5．1．2 光偏转系统检测机制

5．1．3 光偏转接收系统特性分析

5．2 利用信号频谱特征检测表面裂纹的实验结果及讨论

5．2．1 透射模式和反射模式下的典型时域信号

5．2．2 通过快速傅里叶变换(FFT)处理时域信号

5．2．3 激发源扫描过程中的典型频域信号

5．2．4 时域、频域结果的B-scan扫描图

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士期间参加的国际国内学术会议

攻读博士学位期间参加的科学研究情况