一种基于临界折射纵波和振动声调制技术的316L不锈钢早期疲劳裂纹检测方法与流程

本发明涉及一种基于临界折射纵波和振动声调制技术的316l不锈钢早期疲劳裂纹检测方法。

背景技术：

3d打印的不锈钢件具有优异的耐腐蚀、耐高温、耐磨损、抗蠕变以及良好的外观光泽度等特性，且成型件强度较高，同时能够满足大尺寸打印件的加工要求，在航空航天、医疗器械制造、汽车制造、日常生活等领域得到了广泛应用。316l不锈钢粉末是较早研发用于3d打印的不锈钢材料，如今已成为3d打印市场较为典型的加工材料。sml技术是基于“离散分层叠加”的原理，利用高能激光束将金属粉末直接成型为三维实体零件，成型后不需要任何工装模具，也不受零件形状复杂程度的限制。

但基于sml技术的316l不锈钢材料的构件在制造过程中，由于3d打印工艺参数会影响激光的能量密度及每道的搭接率，甚至会引起熔敷金属的球化，极易造成零件组织中出现空洞和微裂纹等缺陷，使工件不能完全致密。这样会严重降低316l不锈钢构件的综合性能，如若长期处在高温、高压、腐蚀等恶劣条件下，则极易发生疲劳，产生疲劳裂纹，其内部结构会产生位错、滑移和微裂纹等，这是材料早期力学性能退化的表现，随后扩展至宏观裂纹，进而导致工件服役的失效，严重威胁工业设备和人民生命财产安全。

因此，必须研究专门的无损检测方法和缺陷评估技术，实现100%覆盖检测。传统的线性超声由于原理上的限制只能检测尺寸较大、可见的缺陷。近年来研究发现，材料的损伤状态与超声波的非线性特性有着密切的关系，材料的早期疲劳裂纹会使其微观结构产生变化，进而使得声波与早期疲劳裂纹相互作用而产生非线性效应。振动声调制技术是目前比较热门的非线性超声技术，通过向被检材料中同时输入低频和高频信号，而这些信号会与早期疲劳裂纹相互作用产生非线性旁瓣信号，通过对旁瓣信号的观察，就可以对316l不锈钢构件中的早期疲劳裂纹进行有效的检测。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于临界折射纵波和振动声调制技术的316l不锈钢早期疲劳裂纹检测方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为:首先通过snell定理找出声波在有机玻璃楔块和316l不锈钢构件中传播的第一临界角，然后由fpga发射系统中发射模块分别发射相位相差的低频正弦信号和高频5峰正弦脉冲，信号经过功率放大至发射换能器产生声波，再由接受换能器接收临界折射纵波以及与疲劳裂纹相互作用产生的非线性损伤信号，最后通过fpga接收系统显示并存储，接收系统中时频转换模块和滤波模块分别用来实时显示检测信号的频谱和提取非线性旁瓣信号。通过观察检测信号的频谱则可确定是否存在缺陷，利用提取的非线性旁瓣信号即可用来实现早期疲劳裂纹的定位。

本发明的基本原理：在临界折射纵波原理的基础上结合振动声调制技术来检测早期疲劳裂纹并进行定位。临界折射纵波是当超声波以第一临界角入射到两种介质的界面时，会产生折射纵波和横波。折射纵波在第二种介质中以与试件表面平行的方向传播，传播深度可以达到几个波长。折射横波以折射角度在试件中传播。如果只使用振动声调制技术来检测，那么脉冲信号入射到316l不锈钢构件中后，得到的接收信号会包括直接入射信号、损伤信号、多次反射信号等多种信号，这样会导致信号难以分辨且定位困难。

因此，通过同时入射与折射横波折射角度相同，相位相差的声波，就可以在试件内部将折射横波抵消，接收信号就只包括纵波的直接入射信号和纵波与疲劳裂纹相互作用的非线性损伤信号。

本发明的有益效果在于：目前常规的振动声调制技术检测疲劳裂纹是通过压电陶瓷片垂直向试件发射超声波，声波在试件内部会出现多次反射、模式转换、多路径等效应，从而产生多种信号，包括：损伤信号、多重反射信号以及其他多种无法解释的信号，在频域上表现为多个不同频率信号，既影响检测信号中非线性旁瓣信号的提取，而且会影响早期疲劳定位的准确性。本发明在临界折射纵波原理的基础上结合振动声调制技术，可以减少甚至避免声波在构件内部出现多次反射、模式转换、多路径等效应，大大提高316l不锈钢构件中早期疲劳裂纹的检测和定位的准确性。

附图说明

图1是本发明装置的整体三维图。

图2是本发明装置的侧面图。

图3是fpga发射系统。

图4是有机玻璃楔块3、4示意图。

图5是有机玻璃楔块5示意图。

图6是fpga接收系统。

图7是振动声信号调制原始波形图。

图8是消声后所得检测波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。其中图1为整个装置的三维图；图2为侧面图。

如图1所示，该装置包括fpga发射系统1、发射换能器2、有机玻璃楔块3、有机玻璃楔块4、有机玻璃楔块5、接收换能器6、早期疲劳裂纹7、fpga接收系统8、316l不锈钢构件9。其中，fpga发射系统1如图3包括：信号发射模块、信号同步显示模块、功率放大模块；有机玻璃楔块3、4其角度设计如图3所示，其入射角度等于第一临界角，用来消除楔块中的反射波；有机玻璃楔块5其角度设计如图5所示，其入射角度等于折射横波的折射角，用来消除316l不锈钢构件中的折射横波；fpga接收系统6如图6包括：信号显示模块、滤波模块、时频转换模块。

如果只使用振动声调制技术来检测，那么脉冲信号入射到316l不锈钢构件中后，得到的接收信号如图7所示，其中包括纵波与横波的直接入射信号、损伤信号、多次反射信号等多种信号。因此本发明利用临界折射纵波原理结合振动声调制技术来检测早期疲劳裂纹，得到接收信号如图8，其中只包括纵波的直接入射信号和纵波与疲劳裂纹相互作用产生的非线性损伤信号。

具体操作方法如下：

由fpga发射系统1中的信号发射模块分别发射相位为0以及的低频正弦信号和高频5峰正弦脉冲串，信号经由功率放大后至发射换能器2产生大振幅声波，其中相位为0的声波经由有机玻璃楔块3传递到316l不锈钢构件9中；相位为的声波分别经由有机玻璃楔块4、5传播并分别与楔块3中的反射纵波和楔块5中的折射横波相互抵消；则入射到316l不锈钢构件中的声波只有临界折射纵波，并与疲劳裂纹7相互作用产生非线性损伤信号，由接收换能器6接收检测信号并通过fpga接收系统8显示并储存，其中时频转换模块和滤波模块分别用来实时显示检测信号的频谱和提取非线性旁瓣信号。通过观察检测信号的频谱则可确定是否存在缺陷，利用提取的非线性旁瓣信号即可用来实现早期疲劳裂纹的定位。

技术特征：

1.一种基于临界折射纵波和振动声调制技术的316l不锈钢早期疲劳裂纹检测方法，包括fpga发射系统、发射换能器、有机玻璃楔块、接收换能器、fpga接收系统、316l不锈钢构件,其特征在于：

fpga发射系统中信号发射模块通过功率放大模块和发射换能器连接，信号发射模块分别发射了相位相差的低频正弦信号和高频5峰脉冲串；该声波以第一临界角射入有机玻璃楔块，利用消声原理只产生沿316l钢构件表面的临界折射纵波，纵波与疲劳裂纹相互作用产生非线性损伤信号；由接收换能器接收检测信号并通过fpga接收系统显示并存储，其中在接收系统中时频转换模块和滤波模块分别用来实时显示检测信号的频谱和提取旁瓣信号；通过观察检测信号的频谱就可以确定是否存在缺陷，利用提取的非线性旁瓣信号即可以实现早期疲劳裂纹的定位。

技术总结
本发明涉及一种基于临界折射纵波和振动声调制技术的316L不锈钢早期疲劳裂纹检测方法。本发明包括FPGA发射系统、发射换能器、有机玻璃楔块、接收换能器、早期疲劳裂纹、FPGA接收系统、316L不锈钢构件,FPGA发射系统和发射换能器相连接，发射换能器发出的低频正弦波和高频脉冲串以第一临界角射入有机玻璃楔块，利用消声原理使进入楔块中声波只产生入射到316L不锈钢构件表面的临界折射纵波，纵波与疲劳裂纹相互作用产生非线性损伤信号，由接收换能器接收检测信号并通过FPGA接收系统显示并储存。本发明利用临界折射纵波和振动声调制相结合检测方法可以得到较为纯净的非线性损伤信号，进而实现对316L不锈钢早期疲劳微裂纹的检测。

技术研发人员：郑慧峰;凌田昊;呼刘晨;王月兵;曹永刚;张沫;朱勤丰
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2018.10.25
技术公布日：2020.05.05