【《金属表面与内部缺陷检测模拟及定量分析综述》2500字】

金属表面与内部缺陷检测模拟及定量分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u23829金属表面与内部缺陷检测模拟及定量分析综述 1325981.1引言 1262031.2金属表面缺陷检测及有限元分析 1199361.3金属内部缺陷检测与有限元分析 2286091.3.1有限元建模及参数选择 2138911.3.2纵波定量检测理论计算分析 3322551.3.3仿真结果与分析 4引言由上文论述可知，激光激发的超声波拥有多种模态的波，其中包括横波、纵波、表面波等，正因为激光超声波的多种模态波，才区别于常规超声波适用于复杂金属缺陷的检测，前面针对金属表面缺陷我们利用激光超声波的表面波的首波与回波可以大概检测出金属有限元模型中缺陷的位置。而当缺陷位于金属内部时，表面波已经不能传播到，并且接受点接收到的表面波信号强度很弱，振幅很小。这时，为定量检测金属内缺陷，并且检测计算出内部缺陷的位置与大小，将利用激光超声波的纵波来对金属内部的复杂缺陷进行检测处理。金属表面缺陷检测及有限元分析经前文论述验证可知，激光照射在金属构件的表面并在其中传播会有多种模态的波，而对金属构件外部缺陷检测时，多观察其表面波来研究金属缺陷的位置信息。激光超声在金属中的传播如图4-1所示。aabbcc图4-1激光超声波在金属构件中传播遇到缺陷前中后（a为遇到前，b为遇到时，c为遇到后）声波传播如图所示，图（a）为激光激发的表面波在遇到缺陷之前在金属表面传播，图（b）为表面波在遇到金属缺陷时与缺陷相互作用，图（c）为表面波与缺陷作用之后部分波反射回去成为回波，部分波折射，还有部分波透射等情况，而反射回去的波能量最为强烈，可以被设置的接受点给清晰检测到。结合有限元模型进行研究分析，激发点和接收点草图如图3-1。设置的激励点与接受点同侧，同时激励点与接受点之间的距离设为0.5mm，而接受点与缺陷之间的距离为0.1mm，对金属构件的网格划分设置为0.06mm，由上文可知表面波在钢块里的速度为2941m/s，根据速度公式v=s∗t可知，接受点将在t1=5×10−4÷2941=0.17μs时刻第一次检测到激光激发的超声波中的表面波信号，即为首波信号，并在t金属内部缺陷检测与有限元分析由于激光超声波在金属制件中会产生横波、纵波、表面波以及掠面纵波等不同模态的超声波。不同模态波在不同材料以及不同环境温度等条件中传播速度都不同，在金属构件中传播方向也各不同，金属表面缺陷所使用的表面波能量主要在金属表面，在金属亚表面缺陷检测的时候很明显不适用，而激光超声波中的纵波能量主要集中在60°-80有限元建模及参数选择分析激光超声纵波作用于亚表面缺陷时，利用超声纵波的传播速度和传播时间定量计算金属内部缺陷的埋藏深度和长度。为简化模型，提高效率，本文选择长30mm、宽20mm的A60钢材，利用激光点源，激光半径RG为0.1mm，激光能量为1e12W/m2,内部缺陷点到激励点的横向距离为8mm，接受点从激励点右侧开始设置一直到据激励点右侧15mm的位置，每个点的间隔取0.1mm，内部缺陷设置为槽型缺陷，缺陷宽度H设置为0.01mm，缺陷深度D为4mm，长度从0.5mm、图4-2定量检测模型纵波定量检测理论计算分析由惠更斯原理可知，纵波在金属内部的传播方式有两种：一是经过缺陷左端点衍射之后继续传播然后到达激光接受点，二是在缺陷的表面传播，然后在缺陷的右端点衍射后继续传播至接收点。设纵波L波速为VL,激励点于接收点的距离为W，缺陷的深度为D。t1和t1=D2+D2+t2=D2+W2根据公式（5-1），可以计算出缺陷的深度为D，可表示为：D=VL2t12−W2检测距离W已知飞行时间可从检测点的振幅-时间图像中读出，则内部缺陷的深度可由公式（5-3）得到。当缺陷深度D远大于缺陷长度L时，缺陷长度可近似由下式计算得到：L≈(t2−t1)VL 综上所述，利用式（5-3）和式（5-4）可以计算出缺陷的深度D和长度L。仿真结果与分析图14为不同时刻激光超声在金属制件中发生衍射时的位移云图。激光辐射到金属构件的表面会有多种声波被激发。当纵波(L波)遇到金属构件的亚表面缺陷时，一部分纵波在缺陷左侧开始发生衍射，转换为衍射波(LL1),如图14（b,c），另一部分纵波在缺陷右侧开始发生衍射，从而转变成衍射波LL2，如图14（d,e）。其中，缺陷的深度D决定了LL1的传播时间，而缺陷的长度L决定了掠面纵波LL1和LL2到达接收点的时间。为验证衍射纵波与缺陷长度的关系，建立了不同长度缺陷的模型。缺陷长度从0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm到1.5mm变化。图4-4为金属构件内部有无缺陷以及不同长度缺陷的激光超声B扫描位移图像，金属构件内部无缺陷时，超声波B扫描图像主要以表面波和掠面纵波为主；当金属构件内部存在缺陷时，超声纵波会在金属缺陷部位发生衍射转化为LL波如图15（b），当缺陷长度不断增加，LL波的宽度也在不断增加，如图15（c-f）红圈部分，这是由于金属缺陷长度不断增加，有分析可知由于缺陷左侧位置和接受点之间的距离不变，因此LL1到达接受点的时间不变，而由于金属缺陷长度不断增加，则LL2到达接受点所需的时间也会随着缺陷长度的不断增长而增长。图4-3激光纵波在遇到金属缺陷前中后（a为前，b为到达缺陷左侧，c为到达缺陷右侧，d为到达缺陷之后）图4-4激光超声B扫描位移图像(a)无缺陷，不同内部缺陷D=4mm，H=0.01mm时长度;(b)0.5mm;(c)0.75mm;(d)1.0mm;(e)1.25mm;(f)1.5mm为验证上述研究分析的内容可以定量研究金属内部缺陷，观察纵波的时域信号可以得到。下图16为激励接收点接受到的纵波作用于不同内部缺陷时接受到的振幅图像。从下图小框可知随着缺陷长度的不断增加，不同情况下的LL1几乎同时到达缺陷接收点，而LL1的到达时间会逐次增加。上述规律与B扫描图像显示基本一致，侧面表示了这种方法可以用来定量检测金属内部缺陷