激光熔覆再制造零件的超声检测

本书以激光熔覆再制造零件（包含涂层及毛坯）为研究对象，对影响其服役性能和服役寿命的缺陷和应力进行超声检测评价。本书介绍了激光熔覆再制造毛坯材料缺陷超声检测数值模拟，激光熔覆再制造试样中超声波传播及缺陷检测数值模拟，超声检测信号处理方法，激光熔覆再制造零件缺陷检测，激光熔覆再制造涂层应力检测等内容，着重于解决工程实际问题，实用性强。本书可供无损检测及相关专业研究生、科研人员在学习和研究时使用，也可作为从事无损检测的技术人员的培训或辅助教材。

前言
第１ 章　绪论 １
　１. １　超声检测技术的应用领域 ３
　　１. １. １　缺陷检测 ３
　　１. １. ２　应力检测 ５
　　１. １. ３　涂层性能检测 ８
　１. ２　超声检测技术的研究现状 ９
　　１. ２. １　超声检测数值模拟方法 ９
　　１. ２. ２　超声检测信号处理技术 １２
　　１. ２. ３　超声检测仪器的研发 １４
第２ 章　激光熔覆再制造毛坯材料缺陷超声检测数值模拟 １７
　２. １　固体介质的波动方程 １８
　２. ２　波动方程的有限元解法 １９
　　２. ２. １　波动方程的变分问题 ２０
　　２. ２. ２　波动方程的有限元公式 ２０
　　２. ２. ３　波动方程有限元公式的解法及其稳定性 ２２
　２. ３　网格大小和时间步长的选取 ２４
　　２. ３. １　网格大小 ２４
　　２. ３. ２　时间步长 ２４
　２. ４　边界条件 ２４
　　２. ４. １　基于势函数的应力人工边界条件 ２５
　　２. ４. ２　超声检测数值模拟应力人工边界条件 ２６
　　２. ４. ３　应力人工边界条件的施加 ２８
　２. ５　激光熔覆再制造毛坯材料中超声波传播的数值模拟 ２９
　　２. ５. １　碳素钢中超声波传播的数值模拟 ２９
　　２. ５. ２　碳素钢中常见缺陷的散射声场分析 ３１
　　２. ５. ３　碳素钢中常见缺陷的定性分析 ４１
　　２. ５. ４　碳素钢中缺陷的定性分析实验 ４３
　２. ６　主要结论 ４７
第３ 章　激光熔覆再制造试样中超声波传播及缺陷超声检测数值模拟 ４９
　３. １　Ｆｅ３１４ 激光熔覆层显微组织分析 ５０
　３. ２　激光熔覆再制造试样超声检测数学模型 ５１
　　３. ２. １　理论模型 ５１
　　３. ２. ２　声场计算模型 ５２
Ⅴ
　　３. ２. ３　缺陷远场散射模型 ５６
　　３. ２. ４　横通孔及裂纹缺陷回波预测及实验验证 ６０
　３. ３　激光熔覆层中的声场分析 ６３
　　３. ３. １　纵波直探头辐射声场分析 ６３
　　３. ３. ２　横波斜探头辐射声场分布 ６８
　３. ４　激光熔覆再制造试样缺陷超声检测实验 ７１
　　３. ４. １　试样的制备及检测工艺参数的选择 ７１
　　３. ４. ２　实验结果分析 ７２
　３. ５　主要结论 ７３
第４ 章　超声检测信号处理 ７５
　４. １　超声检测信号噪声分析 ７５
　４. ２　超声检测信号处理方法 ７８
　　４. ２. １　激光熔覆层超声检测信号消噪方法 ７９
　　４. ２. ２　激光熔覆再制造零件缺陷超声诊断方法 ８６
　　４. ２. ３　超声应力检测声时差分析方法 ９１
　４. ３　主要结论 ９６
第５ 章　激光熔覆再制造零件缺陷检测 ９８
　５. １　检测设备及方法 ９８
　５. ２　检测结果分析 ９９
　　５. ２. １　横通孔缺陷检测结果 ９９
　　５. ２. ２　裂纹缺陷检测结果 １０１
　　５. ２. ３　影响缺陷检测可靠性的主要因素 １０１
　５. ３　应用实例 １０５
　　５. ３. １　横通孔缺陷定量检测 １０５
　　５. ３. ２　激光熔覆再制造齿轮缺陷检测 １０６
　５. ４　主要结论 １０８
第６ 章　激光熔覆层应力检测 １１０
　６. １　表面超声波声弹理论 １１１
　６. ２　激光熔覆层声弹系数标定实验 １１２
　　６. ２. １　实验材料及设备 １１２
　　６. ２. ２　试样的制备 １１６
　　６. ２. ３　实验方法 １１６
　　６. ２. ４　激光熔覆层声弹系数标定 １１７
　６. ３　影响应力检测可靠性的主要因素影响分析 １２０
　　６. ３. １　激光熔覆层微观形貌影响分析 １２１
　　６. ３. ２　表面超声波传播时差计算精度影响分析 １２６
　　６. ３. ３　加载变形影响分析 １２６
　６. ４　应用实例 １２８
　　６. ４. １　服役状态下激光熔覆层应力检测 １２８
Ⅵ
　　６. ４. ２　激光熔覆层残余应力检测 １２９
　６. ５　主要结论 １３１
附录Ａ　基于ＡＮＳＹＳ 的超声波传播模拟命令流 １３２
附录Ｂ　超声检测信号消噪及缺陷诊断程序 １３７
附录Ｃ　超声应力检测相关计算程序 １４３
参考文献 １４６

激光熔覆凭借其技术优势， 已成为废旧产品绿色再制造的重要手段之一， 但实践表明， 激光熔覆再制造涂层（以下简称激光熔覆层） 应力及涂层、毛坯缺陷，是影响再制造零件服役性能和服役寿命的关键因素， 因此， 必须采用安全、可靠的方法对激光熔覆再制造零件的质量进行检测及评价。超声无损检测技术是五大常规检测技术之一， 也是目前应用广泛、技术成熟的无损检测方法。与其他无损检测技术（如射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测等） 相比， 具有检测对象范围广、检测深度大， 对裂纹类缺陷敏感、灵敏度高， 成本低， 使用方便， 速度快， 对人体无害， 以及便于现场使用等特点。目前， 国外每年发表的约３０００ 篇涉及无损检测的文献中， 约有４５％和超声无损检测相关。因此， 本书将重点介绍超声无损检测技术在激光熔覆再制造零件质量评价中的应用。研究如何实现评价结果定量化、提高评价结果的可靠性， 为保障激光熔覆再制造产品质量提供理论与技术支持， 这将对建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
一门技术成熟或上升为科学， 基本、显著的标志是进入了误差很小的定量化阶段。要提高超声检测的可靠性， 必须把握声场在零件中的传播规律， 建立超声声场与零件结构、材质、应力、缺陷类型、位置、取向、尺寸的定量关系。超声检测模拟仿真的形成和应用， 极大丰富了超声检测技术的理论及应用基础， 本书采用模拟仿真与实验相结合的方法， 研究激光熔覆再制造零件缺陷及应力的超声无损评价方法； 探讨影响缺陷与应力评价结果的内在及外在因素； 结合熔覆层内部组织结构， 分析超声检测信号噪声产生的原因， 探讨信号消噪的原理及方法。
本书力求在开展超声学理论基础研究的同时， 侧重解决工程实际问题。从理论分析的角度阐述解决实际问题的原理及方法， 以便更多的无损检测工作者能够掌握和应用， 成为解决更多类似工程问题的重要手段。
本书共分６ 章， 第１ 章为绪论， 介绍了超声无损检测技术在工业产品质量检测中的应用和研究现状。第２ 章介绍了激光熔覆再制造毛坯材料缺陷超声检测数值模拟， 并且利用建立的模型模拟了激光熔覆再制造毛坯材料中不同类型缺陷的散射声场， 分析了超声波声场与不同类型缺陷相互作用的规律。第３ 章介绍了激光熔覆再制造试样中超声波传播及缺陷超声检测数值模拟， 对于包含各向异性涂层及各向同性毛胚材料的超声检测建模还很少， 本章建立了Ｆｅ３１４ 激光熔覆再制造零件的超声检测数学模型， 利用该模型分析了各向异性激光熔覆层中晶粒取向和探头类型两种因素对超声波传播的影响； 计算了Ｆｅ３１４ 激光熔覆再制造零件中横通孔、裂纹缺陷的回波信号， 数值模拟结果为合理设计该类零件的超声检测工艺提供了重要的理论Ⅲ依据。第４ 章介绍了超声检测信号处理方法， 结合激光熔覆层内部组织特点， 分析了超声检测信号噪声产生的原因， 探讨了信号消噪处理的原理和方法。第５ 章结合工程实例介绍了对激光熔覆再制造零件缺陷进行超声无损检测及评价的方法。第６章介绍了基于表面超声波的激光熔覆再制造涂层应力检测的机理及方法， 探讨了影响应力评价结果的内在及外在因素。本书内容侧重激光熔覆再制造复合材质中的声场分析及应用， 方法上着眼于解决工程实际问题， 列举了一些激光熔覆再制造产品缺陷、应力的超声检测方法。
本书由闫晓玲博士独立撰写完成， 相关的研究成果得到了国家自然科学基金面上项目基于微单元形态表征的钛合金ＭＩＧ 焊增材再制造生长调控（ 编号：
５１３７５４９３） 的资助。中国工程院的徐滨士院士、中国人民解放军装甲兵工程学院的董世运教授、北京理工大学的张之敬教授自始至终关心和支持本书的创作， 仔细阅读了本书的手稿并提出了许多宝贵的修改意见， 在此谨向各位教授致以衷心的感谢。
鉴于笔者水平有限， 缺点和不足之处在所难免， 欢迎广大读者批评、指正。
闫晓玲