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    激光激发超声波检测带涂层铝板的表面缺陷

    来源:http://kushang66.com??发布时间:2019-11-26 08:52??浏览量:返回列表

    0 引言

    金属零件在应力集中和负载疲劳的作用下,容易在表面产生裂纹等缺陷[1]。为准确快捷无损地检测出这些表面缺陷,近年来提出了一种非接触、无损伤的激光超声无损检测技术[2,3]。目前已经有许多学者研究了激光在固体表面产生超声波的现象,并在传播机制和缺陷检测方面取得了一系列的研究成果[4,5,6]

    但是,在实际工业生产中,为了提高金属零件的强度和寿命,常在零件表面镀上不同的涂层材料,这为检测带涂层零件的表面缺陷带来极大的挑战。因此,需要对激光超声检测带涂层金属上的表面缺陷进行相关的研究。本文针对带均匀镍涂层的铝板,通过数值模拟和实验对比分析激光超声对带涂层铝板的表面缺陷的检测效果。

    1 有限元模型的建立

    采用有限元法模拟激光超声现象,将脉冲激光等效为表面热源,能量Q(r,t)可表示为:

    Q(r,t)=I0A0f(r)g(t) . (1)

    其中:I0为激光峰值功率密度;A0为铝表面能量吸收率,取为0.05;r为空间位置;t为时间;f(r)、g(t)分别为激光的空间与时间分布,表示为:

    f(r)=exp(-r2r02). (2)

    g(t)=tτexp(-tτ). (3)

    其中:r0为激光光斑半径,取为300 μm;τ为脉冲上升时间,τ=10 ns。激光单脉冲能量为13.5 mJ。

    将仿真模型设计为二维轴对称,如图1所示,左侧边界为对称轴。底部边界长L=35 mm,含涂层的整体高度H=10 mm,其中涂层厚度分别为0 μm(即无涂层)和50 μm,激光辐照点为左上角点A,表面信号接收点BCD分别与点A相距6 mm、8 mm、12 mm。表面缺陷设置为0.2 mm×0.5 mm的矩形,与点A的距离L1=20 mm。

    图1 仿真模型

    仿真模型   下载原图

     

    2 数值模拟的结果分析

    2.1 缺陷对超声波传播的影响

    图2为铝板不带缺陷与带缺陷时CD点的波形图。图2(a)显示了在传播过程中,先后出现了纵波P、横波S和瑞利波R,且瑞利波能量最高,适合检测表面缺陷。通过计算传播距离与时间差得出纵波的波速为5 717 m/s,横波的波速为2 778 m/s,瑞利波的波速为2 736 m/s,与现有的波速数据相接近。对比两图,发现图2(b)中CD点在10 μs之后都出现了新的波形Rr,并且点D的新波形比点C出现得早,说明检测点在激光辐射位置和缺陷位置之间,新的波形为缺陷反射引起的反射波。假设检测点C到缺陷位置的距离为s,瑞利波R与反射波Rr的时间差Δt=8.83 μs,瑞利波波速为ν,则2s=Δt·ν,通过计算得出s=12.1 mm,即缺陷位置距离入射点20.1 mm,与设计的缺陷位置近似相等。

    图3分别为铝板有无缺陷时上表面的B扫图。对比图3(a)和图3(b),发现图3(b)在20 mm位置处出现了新的波形,这是因为在该处有缺陷存在,超声波发生反射生成了反射波。以上两种分析计算都能够较准确地得出缺陷的位置,为实验中检测缺陷位置提供了一种可靠的方法。

    图2 数值模拟分析中铝板C、D接收点的波形图

    数值模拟分析中铝板CD接收点的波形图   下载原图

     

    图3 数值模拟分析中铝板上表面B扫图

    数值模拟分析中铝板上表面B扫图   下载原图

     

    2.2 涂层对超声波传播的影响

    为了分析镍涂层对激光激发的超声波传播的影响,在模型表面添加了50 μm厚的镍涂层。图4(a)为B接收点的波形,与图2(a)对比可以发现铝板中发生了色散现象,在纵波和瑞利波之后出现了一系列高频波形。因为激光激发的超声波在两种材料的边界不断地发生反射和透射,在表面逐渐形成色散波。该系统中传播的超声波中的低频成分比高频成分先到达接收点,因此低频成分传播较快。图4(b)为带涂层的铝板上表面的B扫图,相对图3(a)出现了较多新的直线,说明有新的波形产生,证明了超声波在带涂层铝板表面发生了色散现象。

    图4 数值模拟分析中带涂层铝板的波形与B扫图

    数值模拟分析中带涂层铝板的波形与B扫图   下载原图

     

    3 实验分析验证

    3.1 实验设计

    本实验采用西安金波检测公司提供的激光超声可视化检测系统(LUVI系统),该系统采用Nd-YAG激光器激发脉冲激光和压电传感式的超声波探头接收超声信号。LUVI系统激发的脉冲激光波长为1 064 nm,脉宽2 ns~30 ns,扫描装置的移动步长为0.2 mm。实验所用的铝板尺寸为120 mm×80 mm×15 mm,设计的缺陷参数为10 mm×1 mm×2 mm。

    3.2 带缺陷铝板上的表面波

    将实验装置的超声波接收点和激光入射点位置固定,获取单个接收点的超声波波形。图5(a)和图5(b)分别为无缺陷和有缺陷时的波形图,图5(b)相对图5(a)在30 μs处明显出现了新的波形,说明铝板中存在缺陷。将接收点固定,激光在导光束的指引下在铝板表面进行一维直线扫描,根据声场互异性原理,得到铝板表面的B扫图,如图6所示。图6(a)和图6(b)分别为无缺陷和有缺陷的B扫图,分别与图3(a)和图3(b)波形相似,图6(b)相对图6(a)在30 mm处出现了新的波形,说明铝板在该处存在缺陷,验证了有限元方法的正确性。

    3.3 对带涂层铝板的缺陷检测

    为了研究涂层材料对表面缺陷检测的影响,实验中在铝板表面添加50 μm厚的镍涂层。图7为带涂层的缺陷板上的超声波波形图,从中可以发现在15 μs时刻出现了多模态波形,30 μs时刻出现了缺陷反射的波形。图8为带涂层的铝板上无缺陷和有缺陷时的B扫图,图8(a)与图4(b)同样在瑞利波之后出现了一系列色散波,图8(b)在30 mm处出现的新波形说明了在缺陷位置发生了反射与透射。以上实验结果证明了激光同样能够对带涂层铝板表面上的缺陷进行检测。

    图5 实验中铝板信号接收点的波形图

    实验中铝板信号接收点的波形图   下载原图

     

    图6 实验中铝板上表面的B扫图

    实验中铝板上表面的B扫图   下载原图

     

    图7 实验中带涂层的缺陷板的波形图

    实验中带涂层的缺陷板的波形图   下载原图

     

    图8 实验中带涂层铝板的B扫图

    实验中带涂层铝板的B扫图   下载原图

     

    4 结论

    针对带涂层铝板的表面缺陷检测问题,采用了激光超声的无损检测方法对该结构进行了数值模拟和实验对比验证,得出以下结论:激光在无涂层铝板中激发出了纵波、横波和瑞利波等,瑞利波的能量最高且在表面传播,适合检测表面缺陷;涂层的存在使得超声波发生色散现象,生成一系列高频声波;当表面存在缺陷时,超声波在缺陷处发生反射与透射,B扫图在缺陷位置出现了新的直线,为检测带涂层铝板的表面缺陷提供了有效的方法。


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