金属表面缺陷激光超声检测技术研究

摘要

金属构件在生产及使用过程中，外界的不均匀受力会造成材料表面微小裂纹的滋生，长期服役会造成裂纹的进一步生长和扩展，若得不到及时地检测会对生产安全造成巨大威胁。激光超声检测技术具有频带宽、非接触检测、检测灵敏度高以及可以对移动工件进行检测等优点，可以实现对金属材料表面缺陷的检测。因此，本文采用激光超声技术来研究表面波在铝合金材料表面缺陷处的传播特性及对不同表面缺陷的定量测量。
　　本文首先从脉冲激光激发超声的解析模型出发，分析了线光源的激励机理及激励过程中的样品表面温度场及应力场变化，介绍了热弹机制下激光激发的横波、纵波及表面波信号的传播方向;其次，介绍了激光超声扫描法检测表面缺陷的基本原理，制定了激光超声扫描法检测表面缺陷的实验方案;最后，搭建了激光超声检测实验平台，实现了金属材料表面不同深度的直裂纹、不同倾斜角度的斜裂纹及双表面裂纹的检测，根据B-Scan图像研究了激光激发的超声信号在表面缺陷处的传播过程，分析了透射表面波与缺陷参数的关系，采用透射系数（透射表面波与直达表面波的幅值比）实现了对表面缺陷的深度及角度的定量分析。
　　结果表明:激光激发超声过程中，在距离激光激发点小于一个光斑半径范围内温度会先增大后减小，应力也主要集中于该区域，且温度及应力的分布范围都是径向范围比轴向范围大;激光激发的声表面波在不同缺陷处发生的反射、透射及散射能力不同;根据表面波的透射现象可以实现对表面缺陷参数的判断。依据表面波的幅值变化可以实现对表面缺陷的定位，采用拟合曲线可得透射系数与缺陷深度及缺陷角度呈现一定的变化规律，可根据透射系数实现对缺陷深度及角度的检测。本文的研究成果将推动激光超声检测表面缺陷从实验室走向工业应用中，也为激光超声检测表面缺陷的进一步研究提供了理论依据和实验方法。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究进展

1．2．1表面缺陷检测的研究

1．2．2激光超声的国内外研究进展

1．2．3激光超声应用于表面缺陷检测的研究进展

1．3本文的主要工作

第二章激光超声的数值模拟分析

2．1．1激光激发超声机制

2．1．2热弹理论方程

2．2有限元仿真

2．2．1有限元分析步骤

2．2．2有限元分析结果

2．3激光激发的超声传播特性分析

2．4本章小结

第三章激光超声实验平台搭建及实验设计

3．1实验装置

3．2针对板状金属构件表面缺陷检测的实验设计

3．2．1检测对象

3．2．2检测方案

3．2．3检测原理

3．2．4实验步骤

3．3本章小结

第四章金属构件表面缺陷的检测

4．1不同深度表面缺陷的检测

4．1．1实验样品

4．1．2 B-Scan信号分析

4．1．3信号频谱特性分析

4．1．4缺陷参数的判断

4．2不同角度表面缺陷的检测

4．2．1实验样品

4．2．2 B-Scan信号分析

4．2．3信号频谱特性分析

4．2．4表面裂纹参数的判断

4．3双裂纹表面缺陷的检测

4．3．1实验样品

4．3．2 B-Scan信号分析

4．3．3表面裂纹参数的判断

4．4本章总结

第五章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果

致谢