Page 56 - 无损检测2021年第四期
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武 兴, 等:
基于激光超声纵波的钢轨内部缺陷检测方法
( ) ( 4 ) 利波( R 波)、 掠面纵波( P 波)、 纵波( L 波) 和横波( S
L ≈ t 2 - t 1 v L
波)。当 L 波遇到内部缺陷时, 一部分 L 波在缺陷始
2 仿真结果与分析
端发生衍射, 转换为衍射波( LL1 ), 如图 3 ( b ), 3 ( c ) 所
图3 为不同时刻激光超声衍射纵波位移云图。 示; 另一部分 L 波会继续沿着缺陷上表面传播到缺陷
激光辐照到材料表面时会激发多种模式的声波, 如瑞 末端, 形成衍射波( LL2 ), 如图3 ( d ), 3 ( e ) 所示。
图 3 不同时刻的激光超声衍射纵波位移云图
LL1 的传播时间变化主要取决于缺陷 的埋藏 乎没有改变, 而 LL2 波的到达时间会随着缺陷长度
深度, 而 LL1 与 LL2 的到达时间差则取决于缺陷的 的增加而增加, 其规律与上述 B 扫描位移图像显示
长度变化。为了验证衍射纵波与缺陷长度之间的对 的一致。进一步说明可以用这种方法来定量检测内
应关系, 建立了不同长度内部缺陷的仿真模型。缺 部缺陷的长度。
陷长度 L 分别为 0.50 , 0.75 , 1.00 , 1.25 , 1.50mm 。 通过时域信息中 LL1 与 LL2 到达的时间, 结合
图 4 为钢轨内部无缺陷与不同长度内部缺陷的 公式( 3 ) 与( 4 ), 即可定量计算缺陷的埋藏深度和长
激光超声 B 扫描位移图像。当钢轨内部没有缺陷 度。图6为内部缺陷 D=4.0mm , L=0.5mm , H=
时, B 扫描图像以表面波和掠面纵波为主; 当钢轨内 0.01mm 时接收点距离激励点 8mm 处激光超声的
部存在缺陷时, 激光激发的 L 波与内部缺陷发生衍 归一化位移曲线。由图6可知, P波、 LL 波和 R 波的
射转化为 LL 波, 如图 4 ( b ) 所示。当缺陷的长度从 到达时间分别为 1.428 , 2.258 , 2.696 μ s 。计算得到的
0.5mm 增加到 1.5mm 时, LL 波的宽度也逐渐增 P波速度( 5602m · s ) 与理论值 [ 7 ] ( 5924m · s ) 基
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加, 如图 4 ( c ) ~4 ( f ) 中红圈部分所示, 这是因为缺陷 本一致, 同时计算得到的 R 波速度( 2967m · s ) 与
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的长度增加了, 而缺陷左端产生的 LL1 波到达接收 理论值 [ 8 ] ( 2977m · s ) 一致。将 LL1波的到达时间
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点的时间相同, 在缺陷右端产生的 LL2 波到达接收 ( 2.258 μ s ) 代入到式( 3 ) 中, 假设 LL 波波速( 与 P波相
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点的时间会随着缺陷长度的增加而增加。 同) 为 5924 m · s , 计 算 得 到 缺 陷 的 埋 藏 深 度 为
为了验证上述思路是否可以用于定量检测内部 4.29mm , 与实际深度基本一致; 将 LL2 波的到达时
缺陷, 需要进一步分析 LL 波的时域信号。图 5 为 间代入到式( 4 ) 中, 计算得到缺陷的长度为 0.52mm ,
接收点距离激励点 8mm 处激光产生的超声波与不 与实际长度基本一致。因此, 激光超声纵波可以有效
同长度内部缺陷相互作用的归一化位移曲线。由图 地对钢轨内部缺陷进行定量检测。
5 可知, 随着缺陷长度的增加, LL1 波的到达时间几 表 1 为 不 同 长 度 内 部 缺 陷 时LL1波 和LL2波
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2021 年 第 43 卷 第 4 期
无损检测
