加强筋筋宽的激光超声C扫描检测方法研究

发布时间：2021-09-18 13:53

　　随着工业技术对轻量化设计的需求,加强筋结构的应用会越来越广泛。加强筋的宽度是评价加强筋力学性能的重要指标之一。因此,如何迅速、精确地检测出加强筋的宽度,对于在役设备上加强筋的刚度评价至关重要。激光超声技术作为一种新兴的无损检测技术,具有无损、非接触、检测频带宽、分辨率高、实时在线等优点,适合于特殊环境下材料的缺陷检测与评价。本论文研究了304不锈钢板上加强筋宽度的激光超声C扫描检测技术,主要包括以下几个方面。首先,介绍了激光超声的基本理论。详细阐述了热弹机制下激光超声的激发原理以及激发出的超声波模态。并简要概述了不同形式激励源下激光超声的传播特性以及激光超声的检测方式。通过有限元法分析了激光超声在304不锈钢板中的传播过程,计算了激光超声在304不锈钢板中的温度场以及位移场。其次,搭建激光超声C扫描检测系统。脉冲激光器激励脉冲激光,干涉仪接收超声波信号,通过自动位移台实现被测物体的移动,从而实现对被测物体的激光超声C扫描检测。然后,实现了加强筋宽度的激光超声C扫描检测。理论计算了脉冲激光在2mm厚的304不锈钢板上激励出的超声场,并实验验证了理论结果的有效性;结果表明:当激励点与接收点... 

【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校

【文章页数】：86 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

超声成像技术示意图

2激光超声C扫描技术的理论基础102激光超声C扫描技术的理论基础激光超声技术作为一种新技术，它融合进了声学、光学、电学、热学等多个学科的知识，具有无损、非接触、检测分辨率高、检测频带宽等多个优点，并且激光超声技术对于检测环境也没有限制，本章将介绍激光超声的激发机制以及激光超声波的几种方法，并对激光超声激发的不同形态的超声波及其传播特性进行介绍。2.1激光超声波的激发机制当被测试样表面受到激光超声检测系统激励的脉冲激光作用时，由于热传递的影响，一部分脉冲激光的能量会被试样所吸收，并且在试样内部转化成热能的形式，但是由于脉冲激光的作用时间过短，转化形成的热能无法在短时间内及时扩散，导致在试样表层的激光作用区出现了温度的迅速变化，进而在热膨胀的影响下，快速的温度变化导致试样表面激光作用区出现了热膨胀变形，膨胀区域产生热应力，在热应力的作用下，试样内部会出现瞬态脉冲的传播，如图2.1所示。根据脉冲激光能量密度的不同，激光超声的激发方式被分为热弹机制和烧蚀机制[55,56]。图2.1激光激发超声过程2.1.1热弹机制当入射激光的功率密度较低，未超过材料表面的损伤阈值时（金属材料一般为107W/cm2量级），在入射激光能量的作用下，试样表层由于吸收激光能量出现局部升温，导致出现局部热膨胀，并在周围介质的影响下，在试样表层的激光

2激光超声C扫描技术的理论基础11作用区内产生了一个应力变化场，进而产生不同模式的激光超声波（例如，超声纵波、超声横波、超声表面波等）。并且，随着时间的变化，激光能量所产生的影响会趋于消失，试样表层恢复原样，不对试样产生任何影响。而这种对于试样表面不产生损伤的激光激发机制叫做热弹机制[55]，如图2.2所示。在热弹机制的作用下，伴随着入射激光功率密度的增加，激励出的激光超声波信号幅值随之增加[56]。同时，由于较低的激光功率密度，材料表面只会出现一段时间内的热膨胀变形，不会出现任何损伤，属于无损检测范畴，具有良好的重复性。但同样由于较低的激光功率密度，导致试样表层吸收的能量不够高，在一些材料中激励出的超声波信号幅值较低，信噪比较差，使得检测效果不理想。为解决这个问题，通常采用一些措施来改善，如：通过柱面镜将点光源转换为线光源，在相同的激光功率密度下，通过提高激励面积来提高能量，产生更高的超声波信号幅值[57]。图2.2热弹机制下激发超声波2.1.2烧蚀机制当脉冲激光的激光能量密度进一步提高，超过了材料表面所能承受的损伤阈值时，在试样表面因吸收激光能量而转化成的热能也更高，导致试样表层激光作用区内产生更大的温度变化，造成的局部温升使激光作用区材料产生熔化、气化以及形成等离子等情况，此时试样表面在等离子体的作用下，对试样表面施加反作用力，在试样内部形成应力变化，进而形成超声波。这种激发方式在激光停止激励后，被熔化乃至气化的试样材料无法恢复原样，导致试样表面出现微量的损伤。这种对试样表面存在微量伤害的激光激发机制叫做烧蚀机制[58]，如图2.3所示。在烧蚀机制下，由于脉冲激光能量较高，因此在试样表面施加的反作用力也较大，导致激光激发产生的不同模式

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本文编号：3400257