基于激光超声的金属表面残余应力无损检测研究

摘要

航空铝合金等金属材料在航天航空、国防军工等重要领域中广泛应用，对航空铝合金等金属材料的质量检测显得尤为重要。而航空铝合金等金属材料在制造过程中由于加工工艺和热处理等都容易产生残余应力，如何实现对金属材料残余应力快速精确的无损检测，是当前研究的热点。在众多的无损检测方法中，激光超声具有非接触检测、高的时间和空间分辨率、易实现高精度测量等优越性。因此，本文采用激光超声实现对金属材料残余应力的无损检测。
　　第一章首先介绍了航空铝合金等金属材料的使用领域，分析了残余应力的产生、分类方式与影响，说明了论文的研究意义。其次分析了当前国内外残余应力检测技术的发展与优劣性，总结了激光超声在残余应力测量方面的研究进展。最后提出了论文的主要研究内容。
　　第二章首先分析了激光超声的激发机理与检测技术，其次对表面波的传播特点进行了阐述，最后推导了超声表面波在介质中的波动方程以及超声表面波测量残余应力的声弹性公式。
　　第三章首先搭建了激光超声测量残余应力的硬件平台，对关键部件进行选型，并设计了相应支架进行固定。其次设计并加工了多级放大电路和滤波电路来提高超声表面波回波信号的信噪比。最后对振镜扫描距离采用基恩士数码显微镜多次测量并校正振镜比例。
　　第四章首先设计了超声信号的同步采集程序实现对超声信号的快速采集。其次介绍了超声信号噪声的类型与特点。最后介绍了超声信号预处理方法，并采用波形相关分析法计算超声表面波的波速。
　　第五章首先介绍了6061铝合金声弹性系数的拉伸实验，接着采用搭建的激光超声残余应力测试系统对6061铝合金焊接件进行测试，得到了样品表面波波速的分布情况，并根据声弹性公式计算出样品残余应力的分布图。最后与X射线应力测定仪的测试结果进行对照。
　　第六章总结了论文的研究成果，并对论文存在的不足和改进方向进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 残余应力的产生与分类

1．2．2 残余应力无损检测方法

1．2．3 激光超声在残余应力检测方面的进展

1．3 论文的主要研究内容

2 残余应力的激光超声测量机理

2．1 激光超声基本原理

2．2 超声表面波应力检测的理论基础

2．3 本章小结

3 激光超声残余应力测量硬件平台

3．1 激光超声残余应力测量平台搭建选型

3．1．1 纳秒激光器选型

3．1．2 激光振镜工作原理与选型

3．1．3 超声波探头及其耦合剂

3．2 多级放大电路设计与加工

3．2．1 前置放大电路设计

3．2．2 可控增益放大电路设计与测试

3．3 带通滤波器设计与测试

3．4 光电二极管电路设计

3．5 振镜打点校正

3．6 本章小结

4 激光超声信号分析与处理

4．1 超声信号同步采集程序

4．1．1 振镜转动控制程序

4．1．2 示波器数据采集程序

4．1．3 STM32单片机同步程序

4．1．4 超声信号同步采集程序上位机程序

4．2 超声信号分析与处理

4．2．1 超声信号噪声类型

4．2．2 超声信号预处理

4．2．3 波形相关分析法计算时间差

4．3 本章小结

5 残余应力检测实验与结果

5．1 声弹性系数标定声弹性系数标定

5．2 残余应力检测实验

5．2．1 环境温度与材料表面等因素对测试结果的影响

5．2．2 激光超声残余应力测试实验

5．2．3 X射线衍射法对比实验

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献