CN101251522B - 一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光检测领域，特指一种基于激光冲击力效应的金属薄板分层的检测方法和装置。具体为：将激光器发出的激光束冲击试样表面激光束冲击试样后，在试样表面和背面形成高幅的应力波，背面应力波信号被压电薄膜传感器(PVDF)传感器接收，在数字示波器显示以后传输到计算机进行信号处理，并与标准试样的应力波图形进行对比，判断金属薄板是否有大面积分层。本发明可以将整个系统集成便携式装置，使其能方便地应用于高温、高压、高湿、有毒、酸、碱等检测环境工作，提高工作效率。

Description

一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及激光检测领域，特指一种基于激光冲击力效应的金属薄板分层的检测方法和装置，适用于较大分层的金属薄板的检测。

背景技术

近年来，我国每年进口钢材平均在1500万吨左右，其中数量较大的品种有厚度小于1mm的冷轧薄板、厚度小于3mm的热轧薄板、冷轧薄板、不锈钢板带材、轿车用板、家电用板、镀锌板、镀锡板、冷轧硅钢片等高附加值关键钢材品种。冶金工业“十五”规划也把这些品种定为加快发展的主要钢材品种，我国加入世界贸易组织后，国产的这些钢材品种受到的冲击也是较为突出的。对于厚度小于1mm的金属薄板。作为金属薄板的主要自然缺陷形式-分层，用常规的理化检验方法较难发现。

兰姆波用于金属薄板的无损检测已有数十年的历史，虽已取得了不少进展，但无论在理论上还是实践上都存在许多尚未解决的问题，如兰姆波在不连续体上反射机理尚未有一致的认识，以及如何选择最佳探伤参数，如何克服时有发生的分层漏检等。由于兰姆波的复杂性，难以做到针对具体牌号的板材绘制相应参考曲线，声速的差异可造成参考曲线存在较大的差异。遇到缺陷还可能发生模式转换。对比试块上人工缺陷和金属薄板上自然缺陷对兰姆波的响应也有着很大的差异。兰姆波的传播速度受板面及板厚变化的影响较大等等。这些，都使兰姆波难以满足检测金属薄板主要缺陷的要求，不能保证兰姆波检测金属薄板的可靠性。国内有用兰姆波对铝板检测发现，长175mm，宽3-4mm的分层缺陷，就已经出现漏检。国内一些研究表明，当金属薄板中的分层缺陷长度在175mm、宽度在3-4mm以上时，兰姆波就较难检测出来。

在金属薄板的兰姆波检测中，有如下弊端：(1)兰姆波检测时也有盲区存在；(2)薄板兰姆波检测时，缺陷回波的出现及其回波幅度的大小与缺陷进波端的边缘形状密切相关；(3)对于分层被轧合很紧密的轧制板材，兰姆波很难检测。

因此，在实际检测中，利用兰姆波往往难以检测出薄板中较大的分层缺陷，这个问题目前尚未很好解决。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够克服上述缺点，可以更加直接、科学准确地实现薄板中较大的分层缺陷的激光冲击波测定的方法和装置。其适用于各种金属薄板的较大面积的分层缺陷的测定。

一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法，将激光器发出的激光束冲击试样表面，其特征在于：激光束冲击试样后，在试样表面和背面形成高幅的应力波，背面应力波信号被压电薄膜传感器(PVDF)传感器接收，在数字示波器显示以后传输到计算机进行信号处理，并与标准试样的应力波图形进行对比，判断金属薄板是否有大面积分层。

上述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法，其特征在于：激光器发出的激光束的能量为10～100焦耳，持续时间8～80纳秒，激光束的光斑模式为基模。

上述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法，其特征在于：应力波信号接收传输系统由PVDF传感器的压电敏感区接收激光冲击试样产生的背面的应力波信号、经铝膜引出端、铜电极和积分电阻通过低噪声电缆传输到双通道数字示波器。

实施上述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法的装置，包括激光器控制装置、激光器、外光路系统、工装夹具系统、计算机，按照激光束的前进方向，依次为激光器、外光路系统、工装夹具系统，激光器控制装置控制激光器，其特征在于：设有应力波接收传输系统，应力波接收系统包括PVDF传感器、积分电阻以及双通道数字示波器，PVDF传感器设在工装夹具系统中的试样与橡胶垫之间，与积分电阻相连，积分电阻与双通道数字示波器相连，双通道数字示波器相连与计算机相连。

上述装置中，外光路系统由凹透镜、凸透镜及均质器组成。

上述装置中，工件夹具系统由夹具、柔性贴膜、试样、橡胶垫、工作台及工作台控制装置组成，按照激光束的前进方向依次为夹具、柔性贴膜、试样、橡胶垫、工作台，工作台控制装置控制工作台。

上述装置中贴在试样表面的柔性贴膜为中国专利ZL02138338.3所述的柔性贴膜。

本发明是按下述技术方案实现的：

(1)在工件贴设柔性贴膜，并把工件安装到夹具上；

(2)由激光器控制装置控制激光器按优化好的参数产生的脉冲激光，经外光路系统照射到试样表面，通过约束层照射到工件表面的柔性贴膜上引起吸收膜的汽化、电离形成冲击波，在试样表面和背面形成高幅的应力波；

(3)试样背面的应力波被PVDF传感器接收在数字示波器显示以后传输到计算机进行分析处理；

(4)与标准试样的的应力波图形对比，判别试样是否有大的分层缺陷。

本发明具有如下技术优势：

(1)通过激光器发射的激光，通过试样表面的柔性贴膜，在试样的背面产生应力波，通过信号接收系统接收，传输到计算机进行分析处理；

(2)激光束的优秀品质使得被测应力波场可以不受任何干扰，或者受到的干扰很小，具有极强的抗干扰能力；

(3)可以将整个系统集成便携式装置，使其能方便地应用于高温、高压、高湿、有毒、酸、碱等检测环境工作，提高工作效率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是基于激光冲击波薄板分层的检测装置；

图2是应力波信号接收传输系统；

图3是2024铝合金无分层缺陷式样的压力波形图；

图4是2024铝合金有分层缺陷式样的压力波形图。

1.激光器控制装置  2.激光器  3.激光束  4.外光路系统  5.夹具  6.柔性贴膜  7.试样  8.PVDF传感器  9.橡胶垫  10.工作台  11.工作台控制系统  12.积分电阻  13.数字示波器  14.计算机  15.压电敏感区  16.铝膜引出端  17.铜电极  18.低噪声电缆

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

实施该方法的装置包括依次相连的激光器控制装置1、激光器2、激光器发出的激光束3、外光路系统4、夹具5、柔性贴膜6、试样7、PVDF传感器8、橡胶垫9、工作台10、工作台控制系统11、积分电阻12、双通道数字示波器13以及计算机14。其中图2所示的应力波信号接收传输系统由PVDF传感器8的压电敏感区15接收激光冲击试样7产生的背面的应力波信号、经铝膜引出端16、铜电极17和积分电阻12通过低噪声电缆19传输到双通道数字示波器13，同时又将数据传送给计算机14进行存储和处理。

激光器产生能量在10～100焦耳，持续时间8～80纳秒的激光脉冲，激光束的光斑模式选择基模，由激光器的控制装置控制和调节。

其中该柔性贴膜6由两组不同组份的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂按一定配方混合而成(发明专利：一种用于激光冲击处理的柔性贴膜，专利号：ZL02138338.3)。

激光器产生的激光束经外光路系统4透过柔性贴膜6照射到试样7上，被其中的能量转换体吸收并引起约束层材料的汽化、电离产生冲击波，冲击波传递到PVDF传感器8的压电敏感区15发生变形，经过两电极和电阻，产生电位差经放大、量值转换后在双通道数字示波器13显示冲击波产生的应力波图形，并把数据送入计算机14进行存储和处理。。

通过调整激光功率、光斑直径，可测得不同激光能量下的应力波参数，最后根据双通道数字示波器13显示冲击波产生的应力波图形和相同条件下没有分层缺陷的应力波图形进行对比分析，就可以判断金属薄板是否有大面积分层。

图3和图4分别为2024铝合金无分层缺陷式样的应力波形图和有分层缺陷式样的应力波形图，应力波的峰值和应力波的形状不同。通过对实验结果的分析、计算、讨论、验证我们得到激光冲击波对金属薄板进行检测时，如果金属薄板没有缺陷时，激光冲击波的各个反射波之间在金属薄板中按照递减类指数函数的规律衰减传播，其数学模型为类指数函数，可以用表达式表示为：

                       y＝kax+b

其中a为小于1的实数，k和b为常数，它们的具体值在不同的金属薄板中有差别，主要取决于薄板的材料和物理性能以及激光功率的大小等因素。例如在铝合金中就可以求解出： $a=\sqrt[7]{1/2},$ k＝-10，b＝14。而激光冲击波在金属薄板中的传播则是按照递减类幂函数的规律衰减传播，其数学模型为类幂函数，可以用表达式表示为：

                     P＝A×Xⁿ

其中A、n为材料常数，不同的材料数值不同，在本专利实例中激光冲击波所产生的背面在2024铝合金中传播时衰减指数n＝-0.382。

这样依据实验结果分析讨论就验证了无缺陷时激光冲击波在金属薄板无损检测中的可行性和实用性。

Claims (6)

1.一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法，将激光器发出的激光束冲击试样表面，其特征在于：激光器冲击前，在工件贴设柔性贴膜；激光器发出的激光束的能量为10～100焦耳，持续时间8～80纳秒，激光束的光斑模式为基模；激光束冲击试样后，在试样表面和背面形成高幅的应力波，背面应力波信号被PVDF传感器接收，在数字示波器显示以后传输到计算机进行信号处理，并与标准试样的应力波图形进行对比，判断金属薄板是否有大面积分层。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法，其特征在于：所述应力波信号的接收传输为由PVDF传感器的压电敏感区接收激光冲击试样产生的背面的应力波信号、经铝膜引出端、铜电极和积分电阻通过低噪声电缆传输到双通道数字示波器。

3.实施权利要求1所述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法的装置，包括激光器控制装置、激光器、外光路系统、工装夹具系统、计算机，按照激光束的前进方向，依次为激光器、外光路系统、工装夹具系统，激光器控制装置控制激光器，其特征在于：设有应力波接收传输系统，应力波接收传输系统包括PVDF传感器、积分电阻以及双通道数字示波器，PVDF传感器设在工装夹具系统中的试样与橡胶垫之间，与积分电阻相连，积分电阻与双通道数字示波器相连，双通道数字示波器与计算机相连。

4.权利要求4所述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法的装置，其特征在于：外光路系统由凹透镜、凸透镜及均质器组成。

5.权利要求4所述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法的装置，其特征在于：工装夹具系统由夹具、柔性贴膜、试样、橡胶垫、工作台及工作台控制装置组成，按照激光束的前进方向依次为夹具、柔性贴膜、试样、橡胶垫、工作台，工作台控制装置控制工作台。

6.权利要求6所述的一种基于激光冲击波薄板分层的检测方法的装置，其特征在于：贴在试样表面的柔性贴膜为由两组不同组份的GN-521有机硅凝胶液以及添加剂混合而成的柔性贴膜。 

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