关于使用激光电磁声转换器超声波法内部缺陷检测的研究外文翻译资料

 2022-09-07 11:59:15

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关于使用激光电磁声转换器超声波法内部缺陷检测的研究

摘要

本文研究了超声波检测和使用激光产生和电磁声换能器探测金属内部缺陷的评价。有限元模型是来模拟相互作用激光在材料中产生的超声波与缺陷。不仅已观察到的直接散射横波，而且缺陷表面上转换爬波的模式。非接触式激光电磁声换能器超声波测试实验系统已成功应用验证在仿真结果中观察到的现象。该缺陷不仅可以检测并位于由直接散射横波，但也可以用一个新的方法来迅速评价基于所述直接散射波和模式转换波的缺陷表面上的定量分析。

1.简介

在许多行业，如机械结构和材料有内部容积的缺陷，如模腔，夹杂物，

等等，在生产经营过程，不具有所需的机械强度，它们的使用可能是很危险的，这取决于缺陷的严重性。因此，检查和评价内部缺陷是安全运行非常重要的环节。因为超声波能够通过金属非常有效地传播

并且对人体无害，所以它们广泛用于检验确定内部缺陷是否存在，并审查缺陷的尺寸和分布。然而，声耦合要求要处于压电换能器和测试结构之间，使得传统的超声波探伤方法难以或者甚至不可能在某些领域应用，如热的环境中，或在复杂形状的或快速移动的组件。超声波家族的新成员，激光产生超声吸引了越来越多无损测试的关注，因为其非接触功能的（NDT）并产生在材料高频超声波的宽带能力波。脉冲激光源可用于在热弹性体制产生具有低入射功率密度的超声波

，并在烧蚀制度具有更高的功率密度。在消融政权激光产生的超声波已成功在田中和井泽碳钢检测到直径为100微米的内部缺陷。然而，

由于激光干涉仪的灵敏度低，所以需要强大的超声一代消融。 因为

到照射表面的任何潜在的损害是最小化，所以热弹性产生为更理想中在应用无损检测。但是，因为热弹性盟友产生的超声波具有相对较低

信号强度，所以使用超声体波激光干涉仪目前是难以检测弱热产生弹性的。一般来说，非接触电磁超声换能器有一种超声波探测的灵敏度比激光干涉仪高得多。电磁声换能器也可以被设计成向面内超声运动（横波）使用激光干涉仪来灵敏检测，，虽然这样更困难。因此，作为一个有吸引力超声检测非接触式技术，在许多研究中电磁超声传感器已经使用激光干涉来代替超声波。虽然许多关于内部缺陷检测的研究用激光-电磁声学传感器的方法已被报道，但是评估缺陷大小与以前的方法相比它仍然是非常困难的。众所周知的是，当超声体波

遇到自由表面和入射角不垂直于表面，它不仅可以被反射，而且

被部分地转化成爬波的表面上缺陷。而爬行波传播围绕缺陷表面，它被逐渐散入材料中的体波的模式。因此，通过分析直接反射的体波与大部分模式转换波，不仅可以对缺位置进行测量，但有关缺陷尺寸信息也可以获取。在第二节为了研究，数值模型基于有限元法（FEM）被显影模拟激光产生的超声波的相互作用波的内部缺陷。在第三节，激光电磁声换能器的超声检测系统，用于检查和评估基于所述观察到的内部缺陷以及模拟结果的现象。基于一种新方法关于散射的定量时间飞行分析剪切波和剪匍匐剪模式转换周围的缺陷产生的波，提出快速评估内部缺陷的大小。

表一，材料参数

2. 模拟和讨论

2.1激光诱导超声理论当检体是由脉冲激光束照射与下面的材料的熔化阈值的能量密度，产生瞬时的和不均匀的温度场在加热的表面上。对于热膨胀机制超声生成的，热传导和热弹性方程可描述为：

其中T是温度分布，k是热导电系数，rho;为密度，c是容量，Q是激光热源，u是位移分布，lambda;和mu;是拉梅常数，gamma;是声阻尼系数，alpha;是热弹性膨胀确认，和T0是材料的基准温度。

目前，几种不同类型的脉冲激光器都可以用于产生超声波，然而，最常见的一种是固态脉冲Nd：YAģ激光器。在本文章中，Q开关YAģ激光产生10长单模激光脉冲在实验中使用。因此，在二维仿真模型，该激光热源Q可以表达为：

其中A是试样表面的光吸收，I0为激光的光强度，a0为半照该脉冲激光源的宽度，t0为的上升时间激光脉冲。

2.2有限元建模方法

为了调查的诱导激光的相互作用过程超声波具有内部缺陷，数值

有孔（d中的直径）模型示于图1。中心孔的坐标为：X =20mm时，Y =15mm时以下激光束被位于在x=10毫米模型表面。在模拟中，为了简化问题，假定激光源被线为中心，它的轴平行于内孔的相对长的持续时间。因此，产生和传播弹性波可以建模为一个二维平面应变热弹性问题。为了减少计算，仅检测区域附近的声场进行了模拟。两个吸收边界在两个加入两侧，以避免由人工诱导的波反射边界有限元法模型。该模型的材料取为铝和材料参数数值模型示于表I。

根据有限元法，热传导和热弹性方程可表示为：

其中[K]和[C]是导电基体和热能力矩阵，分别为，T是温度向量，{Q}是热源矢量。 [M]，[D]和[G]是质量矩阵，阻尼矩阵和刚度矩阵，

分别是[U]是位移向量，{F}是热弹性力。为了解决上述微分方程，（4）

和（5）通过使用布置成以下方程在时域的融合方法：

其中，sigmaf;是积分常数（sigmaf;= 0至1），Delta;T是数值积分的时间步长。

在仿真模型中，表面上的激光点宽度取为0.8毫米的。四边形元素在有限元模型中。为了准确地模拟诱导激光超声场，激光照射区域附近的最小单元尺寸是5times;50微米，所述元件大小出照射面积为50times;50微米。 时间步骤取为0.5纳秒。

图1.数值模拟模型

其中 Laser source 翻译为激光源 Absorbing boundary 翻译为吸收边界 Hole 为孔

2.3 模拟结果与讨论

图2.模拟激光诱导的超声场中与在不同时间的缺陷的检体

图2示出在激光诱导的超声场在不同的孔（直径d=3.0mm厚）试样

倍。可以观察到，当入射剪波前遇到缺陷表面，的一个部分横波的能量直接散在剪切波（SS）和纵波（SL;剪切纵模式转换波）模式。当波前附带的横波从缺陷表面离开（在时间6.7微秒）时，切变波的能量的一部分是模式转换成两个爬波（表示SC在图中），即在周围的缺陷传播顺时针和逆时针的方向。虽然这些波在孔周围传播，但是所述爬波基本上散射到在横波的模式的材料（记图中的SCS）在孔周围各个方向。因此，剪切匍匐剪模式转换的波前直接剪切分散眼波SS后SCS可以在超声领域中观察到的。时间间隔SCS和SS之间Delta;T是由边界缺陷的长度决定。

图。3.模拟激光诱导超声场在时间t =9.2微秒的具有各种直径的缺陷：（A）D= 0.3毫米，）D= 0.6毫米，（C）D =1.0mm时，（D）D =1.5毫米，（E）D= 2.0毫米，以及（f）D= 3.0毫米。

图3示出在时刻激光诱导的超声场T =9.2微秒的标本不同直径的缺陷。它可以观察到，在SCS波难以识别在超声场当缺陷直径le;0.3毫米，因为它太靠近SS波。 然而，既在SS和SCS波可以从超声波被识别场时的缺陷的直径gt;0.3mm左右。它也可以观察到，在时间间隔Delta;t之间在SS波和SCS波变得更大孔变得更大。因此，有可能通过测量的SS之间的时间间隔从缺陷波和SCS波判定该结构具有直径gt;0.3mm的内部缺陷。

3实验和讨论

3.1实验装置及方法

图4（一）实际路径和（b）简化路径：.超声波发送模式和路径内部缺陷测量用激光EMAT方法的示意图

为了验证在先前仿真的观察到的结果，使用激光的电磁声换能器的超声检测设置用于产生超声的脉冲激光和面内用于超声波检测电磁声换能器来测量内部缺陷。脉冲激光，具有的持续时间10纳秒和能源约3 MJ，由DIVI二极管产生泵浦Q开关激光，由一个柱面透镜被线聚焦到样品表面，以形成具有大约2mm的长度和0.8毫米宽度的热弹性源。该电磁声传感器制成参照设计在文献[8]。该电磁声传感器被安装在距离激光源10毫米处，同时高于约0.5plusmn;0.1毫米所述标本表面，以接收在试样产生的超声波激光。超声波波形检测由电磁声换能器扩增之前，他们被送到数字存储示波器（TDS3054B，泰克公司，比弗顿，OR），并通过一台个人计算机（存储后8平均值）进行信号处理。根据该仿真结果示于图。根据该仿真结果示于图。如图2所示，实际的超声波的传输模式和路径与缺陷的样品中的示于图图4（a）。当从源点A在路径AB入射剪切波（图中记为S）遇到缺陷表面，它被部分地反射从样品表面到路径上的检测器的接收点E背面BE，表示为SS。当入射横波的波前从在点C处的缺陷表面出发，该切变波的能量的一部分是模式转换成爬波（SC）沿路径光盘上的缺陷的表面传播（蠕动波在逆时针方向）。最后，SCS波模式转换来自各地的缺陷表面SC波到达路径DE的接收点。为了简化缺陷大小评估的过程中，超声波传输路径被简化，如图所示。图4（b）。点C和路径的AC和DE的D被移动到C和D，和SCS波DE的传送路径由简化路径DE取代。在简化引起的传输路径的误差可以当缺陷是非常小的被忽略。它也可以看出，AC近似等于AB当缺陷的大小比AB小得多和BE。根据该超声波的简化传输路径，缺陷信号的SS和SCS的到达时间可以由下式给出：

其中w是源和检测（AE）之间的分离，h是缺陷（BE），CS和CR是剪切波和爬波（对于铝的传播速度的顶部的深度，CS =3075米/多个）。据呈现，爬波的速度是曲率表面的函数，其速度可以从体波速度和缺陷的曲率直径，如下公式所示：

其中，KS是横波的波矢量（=2pi;/lambda;，lambda;是波长）。在这项工作中所施加的切变波的中心频率是大约5MHz。在应用于不同尺寸的缺陷而言，这里我们已经考虑D在0.5到5毫米之间的。因此，基于公式（10），匍匐波的速度可以在CR =（0.79plusmn;0.12）times;CS的范围进行预测。基于这些假设和理论，缺陷的深度h可以由公式（8）得到解决，该缺陷的横截面的边界长度l可以由下式给出：

为了验证该方法，如图5所示，铝标本四侧钻孔（记1孔，2孔，3孔和孔4）在使用了下面的实验。因为很难精确地钻一个孔的直径小于1毫米，直径四个孔分别被选择为1.0，1.5，2和3毫米。

图5.形状和铝试样的尺寸.

3.2实验结果与讨论

图6.在四个孔扫描路径的顶视图的示意

1）B-扫描成像：为了测量与试样中各种深度和直径的内孔通过检测散射波SS和模式转换波考察，将试样的激光束和垫传感器下扫描。 图6示意通过四个孔的扫描路径。上为1.0plusmn;0.1mm的工序中，通过EMAT获得的四个线扫描路径的超声波的波形，存储在用于信号处理的计算机。四个系列超声波信号然后在B扫描图像的形式呈现，以表示对灰度信号振幅，如图7所示在B扫描图像中，水平轴是EMAT传感器和在x方向上的孔之间的扫描距离。折射纵波和瑞利波沿表面，和剪切波反射从试样的底部在图中为LR，r和2秒表示。分别可以观察到，不仅是纵剪切模式转换波散射（LS），从图中呈现的缺陷横波散射（SS）的信号，但剪切匍匐剪切模式转换波的信号（SCS）从孔表面信号SS后也可以识别。它也可以被观察到的SS信号和SCS信号之间的到达时间间隔Delta;t变成作为空穴变得更大大。因此，可以说，实验结果成功验证的模拟结果所观察到的现象。

图7.从具有各种直径和深度的孔的四个扫描路径7. B扫描图像：（和=1.0毫米以10mm深度，

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