[發(fā)明專利]高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910982656.0
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110672047B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭凱;李俊燕;周沁喬;倪辰蔭;武興;沈中華;馬向東
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院;南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01B17/02
• 分類號: G01B17/02
• 代理公司: 南京千語知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32394
• 代理人: 尚于杰

本發(fā)明公開了一種高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法，基于激光超聲技術(shù)，通過對縱波脈沖信號在樣品內(nèi)傳播時間的高精度探測，從室溫到480℃的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了多塊樣品的厚度測量。在某一溫度下，首先使用脈沖激光線源輻照于樣品表面激發(fā)超聲并實現(xiàn)掃查，使用基于多普勒頻移的激光干涉測振儀探測多模態(tài)超聲波傳至探測點的位移。綜合考慮掃查激發(fā)點?探測點之間距離、超聲縱波渡越時間等參數(shù)，擬合得到樣品厚度。多溫度下、不同厚度的多樣品測量結(jié)果顯示，這一方法可實現(xiàn)誤差小于1.5％的高精度厚度測量，且這一方法不依賴于超聲縱波在樣品中傳播速度的測量，不需要考慮聲速測量誤差和材料溫度升高時引起的聲速改變對測厚結(jié)果的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法。

背景技術(shù)

承壓特種設(shè)備(鍋爐、壓力容器、壓力管道)一般工作在高溫、高壓的苛劣工況條件下，往往加之腐蝕、易燃/爆、有毒的介質(zhì)，極可能在工作條件下產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致設(shè)備失效，甚至災(zāi)難發(fā)生。腐蝕減薄，是承壓特種設(shè)備常見失效方式之一，設(shè)備壁厚測量是保障承壓特種設(shè)備安全和評價設(shè)備壽命的重要手段。目前一般采用定期停車檢驗檢測來保障設(shè)備的使用安全。因此，對高溫環(huán)境下工件厚度監(jiān)測一直是無損檢測研究中的重點內(nèi)容之一，尋找一種能完成高溫下工件厚度高精度測量的無損檢測方法，是現(xiàn)代無損檢測領(lǐng)域不可避免的問題。

目前主流的無損檢測手段，如超聲、電位、射線、渦流等，以及紅外、聲發(fā)射、機器視覺等技術(shù)均可對室溫下工件的厚度進行無損檢測。這些方法中，超聲無損檢測方法具有不破壞構(gòu)件完整性、可在役檢測等優(yōu)點，被認為是能夠徹底解決在役厚度檢測評價問題的檢測手段，也是被研究最多的方法。若在材料中傳播的聲速已知，則可通過測量超聲脈沖的飛行時間，獲得材料厚度等幾何尺寸。但使用傳統(tǒng)超聲換能器進行檢測多需使用耦合劑，屬于接觸式檢測，這一特性也限制了超聲技術(shù)在承壓容器所處的高溫以及其他高危狀態(tài)(如高壓、高空、高輻射等)下的應(yīng)用。

近些年來，使用激光作為激發(fā)和探測超聲進行無損檢測的方法，越來越受到人們的重視。利用激光束與被檢測物體表面相互作用，通過熱彈機制在材料中產(chǎn)生寬頻帶的超聲波，與傳統(tǒng)超聲相比，具有如下的特點：

(1)當(dāng)激發(fā)超聲的能量被限制在熱彈激發(fā)的范圍內(nèi)時，不會損傷測試樣品的表面，是真正的無損檢測；

(2)可實現(xiàn)完全非接觸式的激發(fā)和探測，這使得在各種惡劣環(huán)境中作業(yè)成為了可能；

(3)激光激發(fā)的超聲具有多模式激發(fā)的特點，可以同時在樣品中激發(fā)出縱波、橫波、表面波以及在板材中激發(fā)出Lamb波等模式的超聲波；

(4)激光激發(fā)的超聲還具有寬頻帶的特點，可以根據(jù)需要選擇窄帶探測或者寬帶探測；

(5)測量準(zhǔn)確度和分辨能力很高；

(6)激發(fā)/探測靈活，不易受材料形狀的限制，可實現(xiàn)復(fù)雜形狀試件的檢測和大范圍的掃查；

(7)與光纖技術(shù)結(jié)合，更可將超聲的激發(fā)光/探測光集成于一個系統(tǒng)之內(nèi)。

目前，激光超聲技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料性質(zhì)表征與缺陷檢測兩大領(lǐng)域。激光超聲技術(shù)用于體材料測厚的實驗室研究最早報道于1976年。Bondarenko^[37]等人在厚度約為1mm鋼板樣品同側(cè)激發(fā)和探測超聲波，測得一系列超聲脈沖回波的時間間隔，在已知超聲聲速的情況下，計算出了鋼板的厚度。Tam等人^[38]利用脈寬為0.5ns的氮分子激光在厚度為十幾到上百微米的鋼箔樣品中激發(fā)超聲，并對樣品厚度進行了檢測。

以上研究均需要在已知材料聲速的條件下測量，但是測量聲速時存在誤差，且在高溫環(huán)境下材料溫度升高會引起聲速改變，基于這兩方面因素導(dǎo)致現(xiàn)有的激光超聲技術(shù)測量高溫金屬厚度精度的降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種高溫金屬材料厚度的激光超聲測量方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中測量高溫金屬精度低的技術(shù)問題。