CN115639157A

CN115639157A - 一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法

Info

Publication number: CN115639157A
Application number: CN202211251999.8A
Authority: CN
Inventors: 卢科青; 杨大兴; 王传勇; 王文; 陈占锋; 杨贺; 居冰峰
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明公开了一种一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，包括以下步骤：S1、在被测工件的被检测表面依次设置脉冲激光器探头和激光测振仪，并固定脉冲激光器探头；S2、脉冲激光器探头发射脉冲激光，获取透射波信号和反射波信号；S3、提取表面波反射信号的最低波谷时间以及震荡部分的第一个波谷时间，同时提取表面波透射信号的震荡部分波谷对应时间；S4、计算得到裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离、裂纹长度、裂纹底部与激光测振仪探头之间的距离、表面裂纹的倾角α。该方法定量检测重要零部件中产生的表面裂纹位置、长度和角度，对制造的零部件进行合格性评价，或者对服役过程中的零部件是否需要更换以及如何维修提供参考。

Description

一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法

技术领域

本发明涉及定量无损检测技术领域，具体指一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法。

背景技术

随着科学进步和工业生产技术的发展，金属构件及各种高性能材料被广泛应用于生活生产中的各个领域，尤其是许多重大民用设备和武器装备，已经被提升到国家安全战略高度，如：民航客机、高速列车、战斗机和航空发动机等。这些重大装备在生产、加工、组装及服役使用的过程中，常常会因为不均匀受力导致零部件表面产生微裂纹，这些表面微裂纹若未被及时检测发现，不仅会使装备的各种性能下降，而且当裂纹继续生长，可能会引发零部件断裂失效，导致重大安全事故。因此为了保证装备的可靠性和安全性，需要对关键结构零部件进行定期检测，及时发现零部件结构的早期微裂纹。目前，众多学者致力于研究表面微裂纹的检测方法，但大多聚焦于研究反射表面波与竖直裂纹相关参数之间的关系。透射波方面的研究，也多使用频域透射系数来拟合计算得到裂纹相关参数。

在已有的研究中，吴瑞等人通过搭建激光超声检测平台，研究了6061铝合金中不同深度微裂纹的检测，发现在相同激光能量下，不同深度缺陷的反射回波的震荡时间差与缺陷深度线性相关，于是通过震荡时间差与缺陷深度的拟合关系，来实现不同深度微裂纹的定量检测。此种方法是从反射表面波分析缺陷信号的时域信号特征，只有知道反射表面波的震荡时间差与缺陷深度的拟合关系式，才能通过检测数据得到表面微裂纹的深度。邓进等人通过分析激光超声透射表面波最大频谱幅值的变化，研究得到透射系数和斜裂纹几何参数的关系，而后使用曲线拟合的方法，得到激光超声表面波透射系数分别与深度、宽度和角度的拟合方程。此种方法，是从频域方面对表面裂纹参数和透射系数关系的经验公式总结，且想要从检测数据得到表面裂纹的相关几何参数，需要进行相对繁杂的数据处理。张在东等人通过建立具有吸收边界的二维平面应变有限元模型，利用表面波频谱法对不同深度的表面开口裂纹深度进行测量，而后对透射波信号进行处理，得到了裂纹深度和吸收频率近似成反比。此方法仍然是使用透射波频域信息对裂纹进行计算，不仅需要事先知道裂纹深度和吸收频率反比关系方程，而且精度也仅能达到毫米级。在对表面裂纹的检测中，其他无损检测方法，如：传统超声检测，虽然可以实现对各种形式裂纹缺陷的检测，但是需要用压电探头传感器与样品表面接触，不适用于在高温高压强腐蚀等特殊环境下的检测。射线检测可以检测体积型裂纹，但对平面裂纹的检测效果不好，需要自己调节最佳的射线照射方向，且射线对人体有害，成本昂贵。涡流检测使用涡流效应，可以检测材料的表面和近表面缺陷，检测灵敏度高，但仅能检测导电材料。渗透检测虽然可以检测金属和非金属的表面开口缺陷，但检测工艺程序繁琐，检测缺陷的重复性较差。

发明内容

本发明的目的是，提出一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，定量检测重要零部件在加工和服役过程中产生的表面裂纹位置、长度和角度，对制造的零部件进行合格性评价，或者对服役过程中的零部件是否需要更换以及如何维修提供参考。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，包括以下步骤：

S1、在被测工件的被检测表面依次设置脉冲激光器探头和激光测振仪，并固定脉冲激光器探头；

S2、脉冲激光器探头发射脉冲激光，在被测工件的表面上激励出表面波，通过移动激光测振仪分别获取透射波信号TR和反射波信号rR；

S3、提取表面波反射信号的最低波谷时间t_R1以及震荡部分的第一个波谷时间t_R2，同时提取表面波透射信号的震荡部分波谷对应时间t_R3和t_R4；

S4、利用得到的时间t_R1和t_R2，计算得到测量反射波时，裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离x；利用得到的时间t_R1和t_R4，得到裂纹长度l；利用t_R2、t_R3、 t_R4，得到接收透射波时，裂纹底部与激光测振仪探头之间的距离m；而后结合x、 l、m可得到表面裂纹的倾角α。

作为优选，所述步骤S2中，透射波信号TR和反射波信号rR获取方法如下：利用激光测振仪探头接收一次数据，若第一次接收信号为透射波信号TR，则工件表面裂纹在脉冲激光器探头和激光测振仪探头之间；而后移动激光测振仪探头在工件表面上的位置，移动距离为x₁，使脉冲激光器探头和激光测振仪探头位于裂纹同侧，再次接收一次数据，此时接收信号为反射波信号rR；若第一次接收信号为反射波信号rR，则可以根据反射回波的时间，计算裂纹所在位置；而后移动激光测振仪探头在工件表面位置,移动距离为x₁，使裂纹处于脉冲激光器探头和激光测振仪探头之间，再次接收一次数据，此时接收到的为透射波信号TR。

作为优选，所述步骤S2中，超声表面波的激发方法为激光点源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。

作为优选，所述步骤S2中，超声表面波的激发方法为线源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜将激光聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。

作为优选，所述步骤S4中，裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离x的计算方法如下：

计算裂纹长度l，计算方法如下：

计算裂纹底部与激光测振仪探头之间的距离m，计算方法如下：

计算得到表面裂纹的倾角α，计算方法如下：

其中V_R为激光激励的表面波在被测工件表面的传播速度；V_s为激光激励的横波在被测工件内部的传播速度；x₁为两次测量时，激光测振仪探头的移动距离。

作为优选，激光激励的表面波在被测工件表面的传播速度V_R通过查找超声波速度表获得。

作为优选，激光激励的横波在被测工件内部的传播速度V_s通过查找超声波速度表获得。

作为优选，所述的激光测振仪采用激光干涉仪。

作为优选，所述表面裂纹的长度大于一个表面波的波长时，该表面裂纹为表面矩形倾斜裂纹。

本发明具有以下的特点和有益效果：

1)本发明为非接触式测量，无需移动和拆卸被测零部件，提高检测效率。

2)本发明仅需通过两次检测数据，即可得到裂纹的位置、长度和角度信息，具有方法简单，成本低，检测速度快的特点。

3)本发明利用透射波和反射波进行表面裂纹的位置、长度和角度测量，不需要事先知道脉冲激光器探头和激光测振仪探头的相对距离。

4)本发明适用于大部分倾斜角度的表面裂纹位置、长度和角度测量，实现了表面裂纹的定量检测。

5)使用激光超声透射表面波定量测量表面裂纹缺陷的位置、长度和角度，不仅能够检测服役中的装备零部件是否需要更换和维修，而且可以对制造零部件进行合格性评价，优化加工工艺。

6)使用激光超声透射表面波对表面裂纹位置、长度和角度进行定量测量，仅需两次定位检测，即可得到表面裂纹所处位置、长度和角度信息，适用于大部分倾斜角度的表面裂纹位置、长度和角度测量，适用范围广。

7)操作简单，检测速度快，精度高，且由于激励和接收超声波均采用激光，能够实现非接触检测，可以用于加工过程中的在位检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度检测方法的检测状态示意图。

图2为激光测振仪探测到的超声反射表面波信号图。

图3为激光测振仪探测到的超声透射表面波信号图。

图中，1-被测工件、2-表面裂纹、3-脉冲激光器探头、4-激光测振仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。

本实施例是为了检测制造零部件和服役零部件由于不均匀受力而产生的表面裂纹的位置、长度和角度，以便于能够检测服役中的装备零部件是否需要更换和维修，或者对制造零部件进行合格性评价，优化加工工艺。

本发明提出的一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其具体方案如下：

该定量测量方法采用一种基于激光超声表面波的表面裂纹定量测量装置，如图1所示，包括脉冲激光器探头3、激光测振仪4，脉冲激光器探头3固定在被测工件1的被检测表面，激光测振仪可活动设置在被测工件1的被检测表面。

该定量测量方法的具体步骤如下：

1)将脉冲激光器探头3和激光测振仪4放置于被测工件1中的任意表面位置，保持脉冲激光器探头3位置固定；

2)脉冲激光器探头3发射脉冲激光照射在工件1表面，在工件表面激励出表面波，利用激光测振仪4接收到第一次的检测波形图；

3)若第一次检测波形图是透射波波形图，则可以知道表面裂纹2在脉冲激光器探头3和激光测振仪4之间，于是移动激光测振仪4，移动距离为x₁，使裂纹处于脉冲激光器探头3和激光测振仪4同侧，重复步骤2)，接收到反射表面波的检测波形图。若第一次检测波形图是反射波波形图，则可以根据检测波形图，优先计算得到裂纹位置，而后移动激光测振仪4，移动距离为x₁，使裂纹处于脉冲激光器探头3和激光测振仪4之间，重复步骤2)，接收到透射表面波的检测波形图；

4)提取表面波反射信号的最低波谷时间t_R1以及震荡部分的第一个波谷时间 t_R2，和表面波透射信号的震荡部分波谷时间t_R3和t_R4；

5)利用得到的时间t_R1和t_R2，计算得到测量反射波时，裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离x；利用得到的时间t_R1和t_R4，计算得到裂纹长度l；利用t_R2、t_R3、t_R4，计算得到接收透射波时，裂纹底部与激光测振仪探头之间的距离m；而后结合前述计算所得参数，可计算得到表面裂纹的倾角α。计算公式如下：

以下结合具体的测量实验对本发明的效果进行验证：使用上述测量方法对某中碳钢表面裂纹进行检测，其中钢块长150mm、宽50mm、高15mm，且其上表面有一表面裂纹。将钢块放置在样品平台上，并使用脉冲激光器探头和激光测振仪探头在钢块的表面裂纹同侧激发表面波和接收反射波信号，获取表面波到达时间t_R1和t_R2。移动激光测振仪探头距离x₁，并使用脉冲激光器探头和激光测振仪探头在钢块的表面裂纹两侧激发表面波和接收透射波信号，获取表面波到达时间t_R3和t_R4。利用获取到的t_R1、t_R2、t_R3、t_R4，计算得到表面裂纹的位置、长度和角度信息。

最终实施例的测量结果及其误差如下表所示：

裂纹参数	裂纹位置x(μm)	裂纹长度l(μm)	裂纹倾角α(°)
				参考值	3000	900	75
测量值	3058.92	937.91	77.36
				相对误差	1.96％	4.21％	3.15％

从表中可以看出，本发明对于表面裂纹的位置、长度和角度的定量检测相对误差在5％以内，具有很高的精度。且该方法为非接触无损检测，能够实现零部件加工过程或者服役过程中的在位检测，提高了检测效率。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、利用得到的时间t_R1和t_R2，计算得到测量反射波时，裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离x；利用得到的时间t_R1和t_R4，得到裂纹长度l；利用t_R2、t_R3、t_R4，得到接收透射波时，裂纹底部与激光测振仪探头之间的距离m；而后结合x、l、m可得到表面裂纹的倾角α。

2.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，透射波信号TR和反射波信号rR获取方法如下：利用激光测振仪探头接收一次数据，若第一次接收信号为透射波信号TR，则工件表面裂纹在脉冲激光器探头和激光测振仪探头之间；而后移动激光测振仪探头在工件表面上的位置，移动距离为x₁，使脉冲激光器探头和激光测振仪探头位于裂纹同侧，再次接收一次数据，此时接收信号为反射波信号rR；若第一次接收信号为反射波信号rR，则可以根据反射回波的时间，计算裂纹所在位置；而后移动激光测振仪探头在工件表面位置，移动距离为x₁，使裂纹处于脉冲激光器探头和激光测振仪探头之间，再次接收一次数据，此时接收到的为透射波信号TR。

3.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，超声表面波的激发方法为激光点源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。

4.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，超声表面波的激发方法为线源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜将激光聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。

5.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，裂纹所处位置与激光测振仪探头的距离x的计算方法如下：

计算裂纹长度l，计算方法如下：

计算得到表面裂纹的倾角α，计算方法如下：

6.根据权利要求5所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，激光激励的表面波在被测工件表面的传播速度V_R通过查找超声波速度表获得。

7.根据权利要求5所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，激光激励的横波在被测工件内部的传播速度V_s通过查找超声波速度表获得。

8.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述的激光测振仪采用激光干涉仪。

9.根据权利要求1所述的基于表面波的表面裂纹位置、长度和角度测量方法，其特征在于，所述表面裂纹的长度大于一个表面波的波长时，该表面裂纹为表面矩形倾斜裂纹。