基于环形激光激发超声无损检测金属内部缺陷方法的研究

作     者：薛勇 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张斌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：激光超声 环形光源 内部缺陷 无损检测 有限元法 

摘      要：激光超声技术是一种新兴的无损检测技术,具有非接触、远距离、高时间空间分别率、适应复杂环境等优点,在航空航天、交通运输、工程机械、材料科学、生物医学等领域有着巨大的应用前景。但是,激光超声激发效率低是限制其应用的主要问题,改变激发激光的空间分布是解决此问题的方法之一。本文采用环形光源激发,研究超声的激发、传播与内部缺陷相互作用的规律,以实现金属内部缺陷的检测。主要展开了以下内容的研究。(1)基于激光超声的热弹性理论和有限元分析方法,建立了环形光源激光超声多物理场耦合模型,分析了环形光源激发超声的过程及其传播规律。环源的空间对称性使其激发出的超声波也具有空间对称性,表现为向环源内、环源外双向传播。向环源内部传播的超声波具有汇聚效果,强度逐渐增强。在环源中心轴线上,体波发生叠加,表现为在一定深度范围内沿环源中心轴线向环源对心方向传播。(2)使用建立的环形光源激光超声模型,进一步分析了所激发各类超声波的传播特性,提出了环源激发超声检测金属内部缺陷的方法。环源激发的表面波强度最高,但沿深度迅速衰减。体波向材料内部传播,横波较纵波有与材料表面法线更小的传播夹角,并且能量更为集中,横波更适合用于内部缺陷的检测。在环源激发模型内部设置了裂纹缺陷,分析了环源激发体波与缺陷的相互作用过程。提出了环源激发超声,使用叠加横波,在环源对心位置接收,检测缺陷位置信息,以及在环源同心位置接收,检测缺陷深度信息的金属内部缺陷检测方法。(3)使用建立的环形光源激光超声模型,分析了环光源部分参数对激发超声的影响。超声强度与环源的功率密度成正相关。环源半径的增加,使体波在环源中心轴线上的聚焦深度增加,叠加波强度略微衰减。环源的半宽减小,超声波强度增强,并且超声波的时域宽度减小,更容易激发窄带超声波。对含有内部裂纹缺陷的模型与不含内部缺陷的模型进行了仿真检测对比分析,验证了提出的环源激发检测内部缺陷方法的可行性。(4)搭建了环形光源激光超声实验平台,对系统的激发检测延时进行了校准、并对铝材料的体波声速进行了测量,验证了实验平台的系统可靠性。对预设了不同内部缺陷的铝试块进行了检测,分析了缺陷大小、深度、倾斜程度的对心位置信号特征,定量测量了缺陷位置信息和深度信息。并对预制裂纹缺陷的汽车轮毂辐条进行了检测,与商用超声探伤仪检测结果对比,结果符合预期。验证了环形光源激光超声实验系统和环源激发检测金属内部缺陷方法的可行性。