CN113777047A - 基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，包括：在待测材料表面上选择入射点，并确定位置接收点；基于热弹效应，使激光在入射点入射材料表面，表面波沿着表面进行传播，当表面波遇到裂纹时产生反射表面波；以激光开始入射为时间零点记录位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，当有反射表面波存在时，记录位置接收点接收到反射表面波的时间，分别求解表面波的波速、裂纹的位置；当表面波到达裂纹底部时，表面波转换为反射横波在材料内部传播，记录位置接收点接收到反射横波的时间，以求解裂纹的高度。该方法可在确定待测缺陷金属件的表面裂纹缺陷是否存在的同时，能够定量表征表面裂纹缺陷的深度以及具体位置。

Description

基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法。
背景技术
超声无损检测技术在航空航天装备在役检测，核工业设备可靠性检测等领域有着广泛应用。超声无损检测技术包括压电超声无损检测技术、磁致伸缩超声无损检测技术以及激光超声无损检测技术。压电超声技术是通过压电换能器接触工件表面产生超声波，该种技术应用广泛。对于一些特殊场合如待测表面太小无法放置换能器，或者特殊环境无法直接接触待测物体，压电超声技术无法得到有效应用。磁致伸缩超声无损检测技术是通过在金属待测物表面激发磁场，使金属产生微小形变从而产生超声波，这种超声无损检测技术对待测件的材质有特殊要求，应用具有局限性。基于热弹效应的激光超声检测是一种非接触式的超声无损方法，具有高灵敏度，高带宽的优点，且在焊缝检测，金属裂纹检测以及复合材料检测等领域得到应用。
上世纪九十年代，基于热弹效应的激光超声检测技术首先应用在管道裂纹检测，之后激光超声技术不断发展，在更多领域得到应用。上海市特种设备监督检验技术研究院提出了一种用于微缺陷的激光超声检测方法，该方法涉及一种用于微缺陷的激光超声检测方法，包括：激光探头发出脉冲激光倾斜作用在被测工件上；将空气耦合探头放置在激光探头的同侧，并垂直对着被测工件表面，调节空气耦合探头与被测工件表面的距离接收因材料缺陷而产生的散射信号；通过空气耦合探头接收到的散射信号来判断材料中存在的缺陷。该方法能够克服盲区的影响,适合于检测较薄工件及近表面的缺陷、检测工艺简单、检测过程由机器控制、重复性好。但该方法无法确定缺陷的具体位置以及大小。
北京石油化工学院提出了一种基于激光超声检测管道表面缺陷的系统，该发明公开了一种基于激光超声检测管道表面缺陷的系统，包括水冷装置、脉冲激光发生器、激光激发探头、二维移动平台、超声波检测探头、光纤分离器、双波混合干涉仪、信号放大器、数据采集卡、终端设备和波形显示模块,脉冲激光发生器发出的光束经激光激发探头反射后垂直照射于被测管道的表面；被测管道放置于可移动的二维移动平台上；经被测管道反射后的光束射入所述超声波检测探头，经所述超声波检测探头反射后进入所述光纤分离器和双波混合干涉仪；再由终端设备根据放大滤波处理后的超声波信号获得被测管道的表面缺陷参数。利用上述系统可以有效检测管道表面缺陷的深度和角度等信息,提高管道缺陷检测效率。但该方法不能确定表面裂纹的位置以及大小。
综上，目前金属表面裂纹缺陷的检测手段不断发展，一般可以确定待测缺陷金属件的表面裂纹缺陷是否存在，但是却不能定量表征表面裂纹缺陷的深度以及具体位置。表面缺陷位置及大小检测一般是应用在制造件合格性评定以及在役装备某个构件是否需要更换以及维修，因此针对这类应用需求，需要一种方便可行的表面裂纹形貌识别方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，该方法可在确定待测缺陷金属件的表面裂纹缺陷是否存在的同时，能够定量表征表面裂纹缺陷的深度以及具体位置。
为达到上述目的，本发明实施例提出了基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，包括以下步骤：步骤S1，在待测材料表面上选择激光入射点，并确定与所述激光入射点相距m处为所述待测材料表面的位置接收点，m为正数；步骤S2，基于热弹效应，使激光在所述激光入射点入射所述待测材料表面，表面波沿着所述待测材料表面进行传播，当所述表面波遇到裂纹时，产生反射表面波；步骤S3，以激光开始入射为时间零点记录所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，当有所述反射表面波存在时，记录所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，分别求解所述表面波的波速、所述裂纹的位置、以及所述位置接收点到所述裂纹的距离；步骤S4，当所述表面波到达裂纹底部时，所述表面波转换为反射横波在材料内部传播，记录所述位置接收点接收到所述反射横波的时间，以求解所述裂纹的高度。
本发明实施例的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，可以检测到材料表面存在的微小裂纹，且对于大小在超声声波长度范围内的微小裂纹具有很好的检测效果，通过分析材料中不同种类的超声波信号可以有效识别出裂纹的位置及大小。
另外，根据本发明上述实施例的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，若所述位置接收点在裂纹及激光入射点之间，则接收到两次表面波信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述表面波R的波速为：
Figure BDA0003243653150000021
其中，vR为所述表面波的波速，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述裂纹的位置为：
Figure BDA0003243653150000031
其中，x为所述裂纹的位置，vR为所述表面波的波速，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述位置接收点到所述裂纹的距离为：
Figure BDA0003243653150000032
其中，n为所述位置接收点到所述裂纹的距离，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述裂纹的高度为：
Figure BDA0003243653150000033
其中，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，T3为所述位置接收点接收到所述反射横波的时间,m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的基于热弹效应的激光超声声波图；
图2是本发明一个实施例的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法的流程图；
图3是本发明一个实施例的激光超声裂纹缺陷检测图；
图4是本发明一个实施例的探测点Y方向位移图；
图5是本发明一个实施例的裂纹底部反射横波示意图；
图6是本发明一个实施例的激光脉冲时间分布与空间分布图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例是向待测材料表面发射激光脉冲，在入射表面及亚表面产生温度梯度，由于材料的热弹效应，在入射点会激发出不同种类的超声波如纵波、横波、表面波。如图1所示，基于热弹效应的激光超声，图中的R,S,L分别表示表面波、横波、纵波，其中纵波的传播速度最快，振幅相对较小，表面波在沿着物体表面的传播方向上振幅较大，横波与表面波的波速相近。由于表面波与纵波、横波性质各异易于分辨，因此本发明实施例利用各种不同种类的超声波完成金属表面裂纹位置及大小的识别工作。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法。
图2是本发明一个实施例的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法的流程图。
如图2所示，该基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法包括以下步骤：
在步骤S1中，在待测材料表面上选择激光入射点，并确定与激光入射点相距m处为待测材料表面的位置接收点，m为正数。
具体地，如图3所示，高功率窄脉冲激光从激光入射点入射到待测材料表面，入射点附近有一探测点(即位置接收点)，用来探测垂直于材料表面的位移情况。其中，当激光打到待测材料表面时激光能量主要转化为热能使得材料内部存在温度梯度，由于材料的热弹效应使得激光入射点处激发出超声波。
在步骤S2中，基于热弹效应，使激光在激光入射点入射待测材料表面，表面波沿着待测材料表面进行传播，当表面波遇到裂纹时，产生反射表面波。
进一步地，从图3中可以看到表面波R由入射点激发后沿着物体的表面进行传播，当表面波遇到裂缝时会产生反射表面波Rr，因此当信号接收探测点在裂缝及激光入射点之间时会接收到两次表面波信号。如图4所示，位置接收点接收到的材料表面Y方向位移图，对比无裂缝以及不同位置裂缝的材料表面Y方向位移图可以看出，当探测点处没有接收到反射表面波信号时图中仅可观察到纵波L以及激光激发的表面波R；当材料表面有裂纹缺陷时探测点会接收到反射表面波信号，且裂纹距离探测点越远，接收到反射表面波的时间越晚。
在步骤S3中，以激光开始入射为时间零点记录位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，当有反射表面波存在时，记录位置接收点接收到反射表面波的时间，分别求解表面波的波速、裂纹的位置、以及位置接收点到裂纹的距离。
具体地，以激光开始入射为时间零点记录探测点第一次接收到表面波所用时刻T1，当有反射表面波存在时记录探测点接收到反射表面波的时间T2，已知激光入射点与信号接收点之间的距离为m，可以得到表面波的波速为：
Figure BDA0003243653150000051
由表面波波速vR以及探测点接收到反射表面波的时间T2可以得到表面裂纹所在位置x为：
Figure BDA0003243653150000052
在步骤S4中，当表面波到达裂纹底部时，表面波转换为反射横波在材料内部传播，记录位置接收点接收到反射横波的时间，以求解裂纹的高度。
如图5所示，具体地，当激光激发出的表面波R遇到裂纹时，表面波R会沿着裂纹表面传播，当表面波到达裂纹底部时转换为反射横波RS在材料内部传播。
记录位置接收点接收到底面反射横波的时间为T3，由图5的几何关系可得：
Figure BDA0003243653150000053
其中，T2为位置接收点接收到反射表面波的时间，h为裂纹高度，β为裂纹与待测材料表面的夹角，s为裂纹底部到探测点的距离，vR为表面波波速，vS为底面反射横波波速，n为探测点到裂纹的距离。
已知探测点第一次接收到表面波所用时刻T1，探测点接收到反射表面波的时间T2，探测点接收到底面反射横波的时间为T3，由公式(1)和公式(2)可得探测点到裂纹的距离n为：
Figure BDA0003243653150000054
μ为材料的泊松比，根据固体力学的理论可知
Figure BDA0003243653150000061
对于实际的材料裂纹，其与材料表面的夹角β约为90°，且取sinβ＝1以补偿由表面波波速替代横波波速引入的误差。将公式(1)(4)(5)代入方程组(3)可以得到裂纹的高度h为：
Figure BDA0003243653150000062
下面结合具体示例对本发明的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法做进一步描述。
以图3为例说明裂纹位置检测步骤。选择待测材料上某一点为激光入射点，与入射点相距m处有一材料表面位移探测点。
设置合适的激光脉冲的光斑半径以及脉冲时间，激光脉冲的时间及空间分布函数分别为：
Figure BDA0003243653150000063
如图6所示是检测范围在10mm内的激光时间及空间分布函数，其中光斑直径为30um，脉冲上升时间为10ns。
激光脉冲发射同时在材料表面的探测点开始接收信号。记录接收信号，观察探测点接收到的信号波形。若只接收到一次表面波信号，说明在探测点附近没有表面裂纹存在，更换激光的入射位置与探测点的接收位置再次激发超声波；若接收到表面波反射信号，说明在探测点附近有表面裂纹存在，以激光开始入射为时间零点记录探测点第一次接收到表面波所用时刻T1，接收到反射表面波的时刻T2，由公式(1)(2)可以得到裂纹与激光入射点之间的距离x。
当有裂纹存在时，如图5所示，激光激发的表面波到达裂纹底部后会转换为横波在材料中传播。若激光入射点及探测点与裂纹距离较近时，表面波反射回波会Rr与表面波R发生混叠，且声时测量误差较大；若激光入射点及探测点与裂纹距离较远时由于声波的衰减，不利于在探测点处看到明显的回波波形。因此当探测到反射表面波时需要不断调整激光入射点与探测点，选择一个合适的激光入射点与探测点进行裂纹检测。
记录探测点与激光入射点的距离m，记录第一次接收到表面波所用时刻T1，探测点接收到反射表面波的时间T2，探测点接收到底面反射横波的时间为T3，根据公式(6)可得裂纹的大小h。
综上，本发明实施例提出的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，具有以下优点：
(1)对于未知固体力学参数的材料，也可以测得各种类型的超声波声速进而进行裂纹缺陷的检测与定位，适用范围更广；
(2)充分利用激光激发的各种超声波进行裂缝缺陷分析，可以确定裂缝的位置及大小，进而进行制造件的合格性评定或者确定在役装备是否需要更换维修；
(3)主要是利用热弹效应产生的表面波来检测裂纹，结合图3及图4以明显看出利用表面波分析可以更直观敏锐地观察到探测点接收信号变化，可以使得裂纹检测的灵敏度更高。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，在待测材料表面上选择激光入射点，并确定与所述激光入射点相距m处为所述待测材料表面的位置接收点，m为正数；
步骤S2，基于热弹效应，使激光在所述激光入射点入射所述待测材料表面，表面波沿着所述待测材料表面进行传播，当所述表面波遇到裂纹时，产生反射表面波；
步骤S3，以激光开始入射为时间零点记录所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，当有所述反射表面波存在时，记录所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，分别求解所述表面波的波速、所述裂纹的位置、以及所述位置接收点到所述裂纹的距离；
步骤S4，当所述表面波到达裂纹底部时，所述表面波转换为反射横波在材料内部传播，记录所述位置接收点接收到所述反射横波的时间，以求解所述裂纹的高度。
2.根据权利要求1所述的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，若所述位置接收点在裂纹及激光入射点之间，则接收到两次表面波信号。
3.根据权利要求1所述的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，所述表面波R的波速为：
Figure FDA0003243653140000011
其中，vR为所述表面波的波速，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻。
4.根据权利要求1所述的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，所述裂纹的位置为：
Figure FDA0003243653140000012
其中，x为所述裂纹的位置，vR为所述表面波的波速，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，所述位置接收点到所述裂纹的距离为：
Figure FDA0003243653140000013
其中，n为所述位置接收点到所述裂纹的距离，m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间。
6.根据权利要求1所述的基于热弹效应的金属表面裂纹位置及大小的识别方法，其特征在于，所述裂纹的高度为：
Figure FDA0003243653140000021
其中，T1为所述位置接收点第一次接收到表面波所用时刻，T2为所述位置接收点接收到所述反射表面波的时间，T3为所述位置接收点接收到所述反射横波的时间,m为所述激光入射点与所述位置接收点之间的距离。
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