[發(fā)明專利]一種基于臨界折射縱波和振動聲調(diào)制技術(shù)的316L不銹鋼早期疲勞裂紋檢測方法

有效

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• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN111103359B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭慧峰;凌田昊;呼劉晨;王月兵;曹永剛;張沫;朱勤豐
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N29/12
• 分類號: G01N29/12;G01N29/34;G01N29/46
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本發(fā)明涉及一種基于臨界折射縱波和振動聲調(diào)制技術(shù)的316L不銹鋼早期疲勞裂紋檢測方法。本發(fā)明包括FPGA發(fā)射系統(tǒng)、發(fā)射換能器、有機玻璃楔塊、接收換能器、早期疲勞裂紋、FPGA接收系統(tǒng)、316L不銹鋼構(gòu)件,FPGA發(fā)射系統(tǒng)和發(fā)射換能器相連接，發(fā)射換能器發(fā)出的低頻正弦波和高頻脈沖串以第一臨界角射入有機玻璃楔塊，利用消聲原理使進入楔塊中聲波只產(chǎn)生入射到316L不銹鋼構(gòu)件表面的臨界折射縱波，縱波與疲勞裂紋相互作用產(chǎn)生非線性損傷信號，由接收換能器接收檢測信號并通過FPGA接收系統(tǒng)顯示并儲存。本發(fā)明利用臨界折射縱波和振動聲調(diào)制相結(jié)合檢測方法可以得到較為純凈的非線性損傷信號，進而實現(xiàn)對316L不銹鋼早期疲勞微裂紋的檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于臨界折射縱波和振動聲調(diào)制技術(shù)的316L不銹鋼早期疲勞裂紋檢測方法。

背景技術(shù)

3D打印的不銹鋼件具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫、耐磨損、抗蠕變以及良好的外觀光澤度等特性，且成型件強度較高，同時能夠滿足大尺寸打印件的加工要求，在航空航天、醫(yī)療器械制造、汽車制造、日常生活等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。316L不銹鋼粉末是較早研發(fā)用于3D打印的不銹鋼材料，如今已成為3D打印市場較為典型的加工材料。SML技術(shù)是基于“離散分層 疊加”的原理，利用高能激光束將金屬粉末直接成型為三維實體零件，成型后不需要任何工裝模具，也不受零件形狀復(fù)雜程度的限制。

但基于SML技術(shù)的316L不銹鋼材料的構(gòu)件在制造過程中，由于3D打印工藝參數(shù)會影響激光的能量密度及每道的搭接率，甚至會引起熔敷金屬的球化，極易造成零件組織中出現(xiàn)空洞和微裂紋等缺陷，使工件不能完全致密。這樣會嚴重降低316L不銹鋼構(gòu)件的綜合性能，如若長期處在高溫、高壓、腐蝕等惡劣條件下，則極易發(fā)生疲勞，產(chǎn)生疲勞裂紋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生位錯、滑移和微裂紋等，這是材料早期力學性能退化的表現(xiàn)，隨后擴展至宏觀裂紋，進而導致工件服役的失效，嚴重威脅工業(yè)設(shè)備和人民生命財產(chǎn)安全。

因此，必須研究專門的無損檢測方法和缺陷評估技術(shù)，實現(xiàn)100%覆蓋檢測。傳統(tǒng)的線性超聲由于原理上的限制只能檢測尺寸較大、可見的缺陷。近年來研究發(fā)現(xiàn)，材料的損傷狀態(tài)與超聲波的非線性特性有著密切的關(guān)系，材料的早期疲勞裂紋會使其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，進而使得聲波與早期疲勞裂紋相互作用而產(chǎn)生非線性效應(yīng)。振動聲調(diào)制技術(shù)是目前比較熱門的非線性超聲技術(shù)，通過向被檢材料中同時輸入低頻和高頻信號，而這些信號會與早期疲勞裂紋相互作用產(chǎn)生非線性旁瓣信號，通過對旁瓣信號的觀察，就可以對316L不銹鋼構(gòu)件中的早期疲勞裂紋進行有效的檢測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于臨界折射縱波和振動聲調(diào)制技術(shù)的316L不銹鋼早期疲勞裂紋檢測方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:首先通過Snell定理找出聲波在有機玻璃楔塊和316L不銹鋼構(gòu)件中傳播的第一臨界角，然后由FPGA發(fā)射系統(tǒng)中發(fā)射模塊分別發(fā)射相位相差的低頻正弦信號和高頻5峰正弦脈沖，信號經(jīng)過功率放大至發(fā)射換能器產(chǎn)生聲波，再由接受換能器接收臨界折射縱波以及與疲勞裂紋相互作用產(chǎn)生的非線性損傷信號，最后通過FPGA接收系統(tǒng)顯示并存儲，接收系統(tǒng)中時頻轉(zhuǎn)換模塊和濾波模塊分別用來實時顯示檢測信號的頻譜和提取非線性旁瓣信號。通過觀察檢測信號的頻譜則可確定是否存在缺陷，利用提取的非線性旁瓣信號即可用來實現(xiàn)早期疲勞裂紋的定位。

本發(fā)明的基本原理：在臨界折射縱波原理的基礎(chǔ)上結(jié)合振動聲調(diào)制技術(shù)來檢測早期疲勞裂紋并進行定位。臨界折射縱波是當超聲波以第一臨界角入射到兩種介質(zhì)的界面時，會產(chǎn)生折射縱波和橫波。折射縱波在第二種介質(zhì)中以與試件表面平行的方向傳播，傳播深度可以達到幾個波長。折射橫波以折射角度在試件中傳播。如果只使用振動聲調(diào)制技術(shù)來檢測，那么脈沖信號入射到316L不銹鋼構(gòu)件中后，得到的接收信號會包括直接入射信號、損傷信號、多次反射信號等多種信號，這樣會導致信號難以分辨且定位困難。

因此，通過同時入射與折射橫波折射角度相同，相位相差的聲波，就可以在試件內(nèi)部將折射橫波抵消，接收信號就只包括縱波的直接入射信號和縱波與疲勞裂紋相互作用的非線性損傷信號。