关键词：
激光光/声多模态检测
电弧增材制造
元素
缺陷
残余应力
晶粒
摘要：
增材制造技术在制造领域引起颠覆性的技术发展,其中,电弧增材制造因具有低成本、高效率和大尺寸制造的显著优势,使得该技术在船舶、汽车和航空航天等领域的关键部件制造中得到了广泛研究。电弧增材制造构件面向实际应用前需要对其元素、缺陷、残余应力和晶粒进行全面、快速检测,而传统的检测技术通常需要对样品进行破坏性前处理,且表征功能单一,无法满足构件的检测需求。为此,本论文提出了一种激光光/声多模态检测(Laser opto-ultrasonic dual,LOUD detection)方法,该技术采用高能量激光聚焦到样品表面激发产生等离子体,一方面通过采集等离子体原子发射光谱进行元素检测;另一方面,由于激光对材料作用时同时产生了超声波,因此,通过采集的超声信号可对样品的内部缺陷、应力和晶粒分布等进行分析。这意味着开创性地将激光诱导击穿光谱(Laserinduced breakdown spectroscopy,LIBS)技术与激光超声(Laser ultrasonic,LU)技术进行有机融合,可实现样品从表面元素成分到内部结构性质的三维、多模态同步检测。本论文从LOUD检测的理论研究出发,构建了LOUD检测系统;而后分别通过声学和光学的机理优化研究,获得了高信噪比、稳定的光/声信号;在此基础上,将LOUD检测技术成功应用于电弧增材制造构件的元素、缺陷、残余应力和晶粒分布等检测和分析。具体研究内容及创新点如下:(1)LOUD检测的理论研究与系统构建。针对增材制造复合检测的需求,首次提出了一种LOUD检测理论,并通过对LIBS和LU技术的深入分析,将两种技术有机融合,实现了单一激光同时激发光/声信号的LOUD技术。在此基础上,构建了LOUD检测平台和系统,探究了光/声信号的预处理方法,实现了LIBS光谱和LU信号的同时激发与同步探测。(2)LOUD检测的声学和光学优化研究。在LOUD检测理论研究的基础上,分别从声学和光学两个方面进行了优化研究。一方面建立了烧蚀机制激光超声波的COMSOL仿真模型,对其传播模式、激发规律和信号特征进行了研究,并通过实验进行了验证,研究结果表明所激发的激光超声波具有高频、多模态的特点,可对样品进行高精度检测。另一方面探究了激光波长、能量等关键光学参数对光/声信号的作用影响,并结合声学研究结果进行了优化探索,研究结果表明355 nm激光所激发的光/声信号在强度、信噪比与稳定性最优。在此条件下,采用LOUD技术对铝合金样品中铜和硅元素进行检测,其定量分析的确定系数可达0.999,平均相对误差低于2.5%;同时,实现了样品0.55 mm缺陷的探测成像,检测平均相对误差为5.59%。(3)LOUD检测电弧增材制造构件元素、缺陷和残余应力的应用基础研究。首先,通过对声弹性理论的解析,建立了“应力-超声飞行延迟时间”的模型,该模型的拟合曲线的确定系数平均为0.982,可实现残余应力的高精度检测;其次,利用光/声信号同时探测的优势,实现了激光焊接样品焊缝元素、预制缺陷和焊接残余应力的高精度同步检测;最后,将LOUD技术应用于电弧增材制造构件的元素、缺陷和残余应力的同步检测,其检测结果分别与电子探针、数字化X射线和超声检测技术等传统单一检测结果的平均相对误差低于9%。(4)LOUD检测电弧增材制造构件元素与晶粒分布的应用基础研究。首先,通过解析材料中的超声波衰减理论,建立了“晶粒尺寸-激光超声衰减系数”的模型,实现了电弧增材制造构件晶粒尺寸的高精度检测,检测结果与电子背散射衍射法的平均相对误差为2.56%;在此基础上,利用LOUD技术光/声信号同时检测的优势,实现了电弧增材制造构件元素与晶粒分布的检测成像,并通过融合分析,揭示了构件的元素分布对晶粒的作用影响。综上所述,本论文报道的LOUD检测技术成功克服了传统检测技术单一维度检测的问题,在近乎无损的条件下,有效实现了电弧增材制造构件从表层元素成分到内部结构性能的快速、高精度、多模态的三维检测成像,推动了先进制造检测领域的发展。
欢迎来到三峡大学图书馆！
