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      激光超聲檢測帶涂層金屬表面裂紋的數(shù)值研究

      2018-11-23 07:55:20徐志祥黃建華王錚恭黃義敏
      激光技術(shù) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:瑞利波速涂層

      徐志祥,黃建華,王錚恭,黃義敏,王 雨

      (大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,大連 116024)

      引 言

      表面裂紋大量存在于長期處于交變載荷下的金屬構(gòu)件中,裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)器致命性的損壞,并且引發(fā)安全問題,因此如何快速、便捷、準(zhǔn)確地識(shí)別并定位出表面裂紋是當(dāng)前無損檢測的一個(gè)熱點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)(如磁粉檢測、電渦流檢測)不適用于惡劣環(huán)境,而激光超聲檢測技術(shù)以其時(shí)空分辨率高、信號(hào)帶寬寬、無損壞、非接觸等優(yōu)點(diǎn),在無損檢測領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。為了研究激光超聲的產(chǎn)生、傳播過程以及表面裂紋的檢測機(jī)理,近十幾年來,國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,特別是利用激光激發(fā)出的瑞利波檢測表面裂紋的特征,并取得了重大的研究成果[4-11]。但是工程領(lǐng)域中,為了提高金屬構(gòu)件表面的硬度以及耐磨性等性能,通常會(huì)在構(gòu)件表面鍍上不同材料及厚度的涂層,這些涂層的存在使得瑞利波的產(chǎn)生機(jī)理與傳播更為復(fù)雜。雖然有學(xué)者研究了涂層/基底系統(tǒng)中激光激發(fā)的瑞利波[12-15],但是很少有人研究激光激發(fā)的瑞利波與帶涂層金屬表面裂紋相互作用下的規(guī)律。

      作者采用數(shù)值模擬的方法,通過對(duì)模擬得到的瑞利波時(shí)域信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換與傅里葉變換,分別研究了在鎳涂層下的涂層厚度、裂紋深度與瑞利波時(shí)頻域信號(hào)的關(guān)系,為通過瑞利波的時(shí)域特征定量表征裂紋的深度提供了參考。

      1 數(shù)值模型及計(jì)算參量

      1.1 激光作用力的函數(shù)

      為了使計(jì)算出的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況,將脈沖激光的作用等效成熱力源的形式。由于脈沖激光的能量符合高斯分布,材料吸收的能量Q(r,z,t)表示為:

      Q(r,z,t)=I0Af(r)g(t)

      (1)

      對(duì)于高斯熱源,有:

      (2)

      (3)

      式中,A為材料對(duì)激光的吸收系數(shù),I0為激光峰值功率密度,f(r)為脈沖激光的空間分布,g(t)為脈沖激光的時(shí)間分布,r是空間半徑,z是z方向長度,t是時(shí)間。計(jì)算中取激光波長λ=1064nm,脈沖上升時(shí)間τ=10ns,光斑半徑r0=300μm,單脈沖能量E0=13.5mJ。

      1.2 有限元模型的建立

      當(dāng)線源激光沿寬度方向均勻照射到板上時(shí),該問題可以簡化為一個(gè)2維的平面問題,又由于入射激光束光斑具有軸對(duì)稱分布的特性,因此所有數(shù)值計(jì)算都是基于2維軸對(duì)稱模型。數(shù)值計(jì)算過程中,取帶涂層鋁板的長度L=12mm,總厚度ha=10mm(含涂層),裂紋距離激光束作用中心dc=8mm。信號(hào)接收點(diǎn)距離缺陷左邊沿d的值分別為0mm,2mm,4mm,6mm,對(duì)應(yīng)點(diǎn)簡稱為A,B,C,D。模型如圖1所示。

      Fig.1 Model diagram

      Fig.2 Schematic diagram of finite element grid division

      為了精確計(jì)算出溫度場的分布以及模擬激光激發(fā)出的超聲波在模型內(nèi)的傳播過程,本文中采用變網(wǎng)格方法,在激光作用區(qū)域和缺陷區(qū)域采用10μm的密網(wǎng)格,在遠(yuǎn)離激光作用區(qū)域采用90μm的松網(wǎng)格,網(wǎng)格如圖2所示。

      1.3 有限元模型正確性的驗(yàn)證

      分別建立涂層厚度h為0μm(無涂層)和100μm、裂紋深度hc均為500μm、缺陷距離激光輻射中心dc均為8mm的模型,并進(jìn)行數(shù)值模擬,得到激光照射后不同時(shí)刻的全場位移,如圖3和圖4所示。從圖3a和圖4a可以清晰地區(qū)分激光激發(fā)出的頭波H、縱波P、橫波S和瑞利波R,并看到其能量的差別,其中瑞利波能量較大;從圖3b和圖4b可以看到界面反射縱波Pr;圖3c和圖4c是透射瑞利波Rt;圖3d和圖4d是瑞利波與缺陷作用后的反射瑞利波Rr和模式轉(zhuǎn)換得到的剪切波Rs。從圖3和圖4可以看出,帶涂層與無涂層模型的瑞利波在相同時(shí)刻到達(dá)位置不同,即波速不同;由于涂層對(duì)能量的衰減,帶涂層的模型中所有波的幅值都有所降低;帶涂層的瑞利波后面緊跟著更多頻率的波,出現(xiàn)了色散;帶涂層模型的負(fù)向位移被缺陷反射的掠面縱波正向位移抵消了一部分,因此帶涂層的Rr波負(fù)向位移值較小。以上表明,該數(shù)值模型可以有效模擬出激光激發(fā)的聲波以及瑞利波與缺陷作用的過程,為進(jìn)一步分析瑞利波與裂紋的相互作用奠定基礎(chǔ)。

      Fig.3 Full-field displacement diagram with 0μm thickness coating model at different moments

      a—t=1.53μs b—t=2.58μs c—t=3.63μs d—t=4.52μs

      Fig.4 Full-field displacement diagram with 100μm thickness coating model at different moments

      a—t=1.53μs b—t=2.58μs c—t=3.63μs d—t=4.52μs

      2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

      2.1 涂層對(duì)瑞利波信號(hào)的影響

      2.1.1 對(duì)瑞利波時(shí)頻域信號(hào)的影響 為研究鎳涂層對(duì)激光激發(fā)出的瑞利波信號(hào)的影響,在裂紋深度hc=0μm的前提下取不同厚度的涂層進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)h分別為0μm和100μm、接收點(diǎn)為A時(shí),時(shí)域信號(hào)如圖5所示。

      Fig.5 The influence of different coating thickness models on time domain signals of the receiving pointA

      從圖5中看到,無涂層模型瑞利波到達(dá)時(shí)間為2.67μs,帶100μm涂層模型的瑞利波到達(dá)時(shí)間為2.95μs,即鎳涂層的存在影響了瑞利波的傳播速度。這是因?yàn)槿鹄ǖ母哳l成分因波長短透入深度淺,低頻成分因波長長透入深度深,因此大部分高頻成分在鎳涂層內(nèi)傳播,低頻成分在基底鋁內(nèi)傳播;又由于鋁的瑞利波速度比鎳的快,因此高頻成分相對(duì)于低頻成分傳播得慢,導(dǎo)致在帶100μm涂層模型上的瑞利波在3.7μs時(shí)刻出現(xiàn)一定的色散,如圖5b所示。對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換,得到圖6。從圖6a中可以看到,對(duì)于涂層厚度為0μm的模型,無論高頻還是低頻的分布都集中在一個(gè)時(shí)間段內(nèi);從圖6b中可以看到,當(dāng)涂層厚度為100μm時(shí),低頻成分比高頻成分出現(xiàn)得更早,因此圖6同樣說明高頻成分傳播速度比低頻成分慢,存在著色散。

      Fig.6 The results of short-time Fourier transform of time domain signal of different coating thickness models at the receiving pointA

      2.1.2 涂層厚度對(duì)瑞利波速度的影響 表1中給出了在不同涂層厚度、接收點(diǎn)C和D的瑞利波到達(dá)時(shí)間。通過表中數(shù)據(jù)算出對(duì)應(yīng)波速,并取其平均值,采用B樣條插值方法擬合出波速和涂層厚度的曲線圖,如圖7所示。

      Fig.7 Relationship between Rayleigh wave velocity and coating thicknessh

      從圖7中可以看出,瑞利波的波速從接近基底鋁的瑞利波波速開始,隨著涂層厚度的增大,減小到最小值,然后逐漸增大為趨近涂層鎳的瑞利波波速。為分析帶涂層金屬表面裂紋深度hc與Rr和Rs到達(dá)時(shí)間差Δt的關(guān)系提供了參考。

      Table 1 Arrival time of Rayleigh wave at different receiving points and coating thickness h

      2.2 利用瑞利波信號(hào)分析裂紋深度

      2.2.1 裂紋對(duì)瑞利波信號(hào)時(shí)頻域的影響 圖8中給出了無涂層、信號(hào)接收點(diǎn)B處0μm裂紋和300μm裂紋的聲表面波時(shí)域波形??梢钥吹?,當(dāng)表面存在裂紋時(shí),除了R波峰外,會(huì)多出兩個(gè)明顯的特征波峰Rr波峰和Rs波峰。

      Fig.8 Rayleigh wave time domain waveform of uncoated 0μm crack and 300μm crack

      圖9為上述時(shí)域信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換得到的頻域信號(hào)。為解決頻域分辨率較低的問題,這里采用了局部的傅里葉變換的方法,加窗位置為1.6μs~5.6μs。觀察頻域波形發(fā)現(xiàn),有裂紋時(shí)的頻譜幅度有微量的增強(qiáng),這是由于缺陷的存在,使傳播到缺陷位置處的聲表面波發(fā)生反射,致使接收到的聲表面波的總體能量變大所造成的。

      Fig.9 Rayleigh wave frequency domain signal of uncoated 0μm crack and 300μm crack

      2.2.2Rr與Rs波到達(dá)時(shí)間差與裂紋深度的關(guān)系 圖10中分別給出了0μm,200μm,400μm的涂層厚度模型接收點(diǎn)B處的Rs波與Rr波到達(dá)時(shí)間差Δt與裂紋深度hc的關(guān)系。從圖10中可以看到,對(duì)于0μm涂層厚度模型,Δt與hc呈現(xiàn)出線性關(guān)系;對(duì)于200μm和400μm涂層厚度模型,Δt與hc在整體上是非線性的關(guān)系,但是它們都以各自涂層厚度為分界點(diǎn)的分段線性關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)缺陷深度hc小于涂層厚度h時(shí),Rs波大部分都在涂層內(nèi)傳播;當(dāng)hc大于涂層厚度時(shí),Rs波首先在基底鋁內(nèi)傳播,然后在鎳涂層內(nèi)傳播,兩者屬于不同的介質(zhì),因此導(dǎo)致不同的線性關(guān)系。

      Fig.10 Relationship between Δt and hc at different coating thickness

      3 結(jié) 論

      作者建立了帶涂層金屬表面裂紋的有限元數(shù)值模型,研究了涂層厚度對(duì)瑞利波波速的影響,以及瑞利波時(shí)域特征與表面裂紋深度之間的關(guān)系。

      (1)當(dāng)涂層厚度從0μm增加到500μm時(shí),瑞利波波速逐漸減小到一個(gè)極小值,再逐漸增大為接近涂層的瑞利波波速。

      (2)無涂層模型的Rr波與Rs波的到達(dá)時(shí)間差與裂紋深度成線性關(guān)系,有涂層模型的Rr波與Rs波的到達(dá)時(shí)間差與裂紋深度以涂層厚度為分界點(diǎn)成分段線性關(guān)系。

      (3)涂層的存在降低了激光激發(fā)出的波的幅值,且Rr波的負(fù)極性被缺陷反射回來的掠面縱波正極性抵消,幅值被極大地衰弱。

      以上結(jié)論為激光超聲無損檢測的實(shí)際測量提供了一種參考。

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