金属材料表面缺陷及残余应力的激光超声无损检测研究

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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

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 激光超声技术发展概述

1.3.2材料缺陷超声检测研究进展

1.3.3 材料应力超声检测研究进展

1.4本文的主要工作

2差分式光偏转激光声表面波接收系统

2.1超声表面波探测方法简述

2.1.1 电学检测法

2.1.2光学干涉法

2.1.3 光学非干涉法

2.2差分式光偏转接收系统

2.2.1 系统结构

2.2.2系统传感机制

2.2.3系统特性分析

2.3实验结果

2.3.1典型波形

2.3.2扫描线光源法探测金属表面缺陷实验

2.4本章小结

3扫描线光源缺陷检测机制研究

3.1 扫描激光源技术简介

3.2有限元计算模型

3.2.1热弹性理论及控制方程

3.2.2热弹耦合的有限元方程

3.2.3网格大小

3.2.4 时间步长

3.2.5激光和材料参数

3.3数值计算结果及讨论

3.3.1 激光在无缺陷材料上激发的温度场及声场

3.3.2激光作用在缺陷上激发的温度场及声场

3.3.3缺陷深度的影响

3.4本章小结

4柱状材料表面缺陷的探测

4.1 圆柱表面瑞利波传播特性

4.1.1 周向导波特征方程

4.1.2表面波的色散

4.1.3利用声表面波进行表面缺陷检测

4.2柱坐标下的控制方程

4.3数值计算结果及讨论

4.3.1 pitch-catch法

4.3.2扫描激光源法

4.4实验结果及讨论

4.4.1实验装置

4.4.2实验结果

4.5本章小结

5金属表面应力的声弹性测量

5.1声弹性理论

5.1.1拉格朗日应变张量

5.1.2变形介质中的波动方程

5.1.3声表面波的声弹性方程

5.2瑞利波测量表面应力实验

5.2.1 实验装置

5.2.2波形相关法测量声速

5.3实验结果及讨论

5.3.1 实验步骤

5.3.2表面焊接应力

5.4本章小结

6总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致 谢

参考文献

附录