具体描述
内容简介
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。
目录
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
前言/序言
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， 也是目前应用最广泛、技术最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， 最基本、最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
用户评价
在工作中，我经常会遇到一些精密机械零部件的维修和维护问题，尤其是一些关键受力部件，其材料性能的任何细微变化都可能导致严重的后果。激光熔覆再制造技术，为这些老旧或损坏的零件提供了新的生命周期，这无疑是一个巨大的进步。但是，如何保证再制造后的零件质量，使其能够达到甚至超越原有的性能标准，才是决定这项技术能否广泛应用的关键。这本书的书名，《激光熔覆再制造零件的超声检测》，正好触及了我的核心关切。我期望它能够详细阐述超声检测在评估激光熔覆层质量方面的具体应用。这不仅仅是简单的找找“洞”或者“缝”，而是需要深入到对熔覆层内部组织结构、微观缺陷（如气孔、夹渣、裂纹、未熔合等）以及残余应力等进行精确诊断。我非常期待书中能够包含一些关于超声波与激光熔覆层材料相互作用的深入分析，例如，不同熔覆材料（如不同成分的合金）的声学特性差异，以及激光熔覆过程中形成的特殊微观结构（如柱状晶、等轴晶）对超声波传播的影响。此外，我希望书中能够提供一些实用的超声检测技术，比如相控阵超声、全聚焦超声等先进技术在熔覆层检测中的应用案例，以及如何利用这些技术来提高检测的精度和效率，甚至能够实现对熔覆层内部应力状态的评估。
评分我一直对材料科学和工程制造领域的新技术保持着高度的关注，尤其是那些能够推动工业进步，提升产品可靠性的技术。激光熔覆再制造，这项能够赋予金属零件“第二春”的工艺，听上去就充满了吸引力。而“超声检测”，则是我理解的，确保这份“第二春”质量过硬的“守护神”。所以，当我看到《激光熔覆再制造零件的超声检测》这本书名时，我脑海里立刻联想到了一幅技术画像：一位严谨的工程师，他不仅仅是掌握了激光熔覆的技巧，更重要的是，他能够通过精密的超声检测手段，来验证这项技术的神奇之处。我期待这本书能够成为一本百科全书式的指南，详细解释超声波在检测激光熔覆层中所扮演的角色。这不仅仅是关于如何操作超声检测设备，更重要的是，它应该深入剖析激光熔覆层自身的特点，比如其非均质性、表面粗糙度、以及可能存在的内部微观缺陷（如气孔、夹渣、裂纹、未熔合、过熔等），这些特殊的结构和缺陷是如何影响超声波的传播路径和反射信号的。我希望书中能够有针对性地介绍不同类型的缺陷，以及它们在超声信号中呈现出的典型特征。此外，我非常期待书中能够探讨如何根据激光熔覆层的厚度、形状以及使用的熔覆材料，来优化超声检测方案，比如选择合适的声波频率、探头类型、扫描模式，以及如何对检测信号进行有效的处理和分析，以达到最佳的检测效果。
评分这本书的封面设计倒是挺吸引人的，那种金属质感的光泽，还有模模糊糊的激光束图案，一下子就抓住了我的眼球。拿到手里，纸张的厚度适中，印刷的字迹也很清晰，初步感觉是一家认真做书的出版社。我一直对材料的修复和再利用技术很感兴趣，尤其是那些能够延长金属零件使用寿命的方法。激光熔覆这项技术，在我看来，简直就是一种“化腐朽为神奇”的神奇工艺，能够让那些因为磨损、腐蚀或者设计缺陷而报废的零件重获新生，这本身就充满了科技的魅力。而“再制造”这个词，更是直接触及到了现代工业可持续发展的核心理念，减少浪费，提高资源利用率，这都是我们这个时代急需解决的问题。所以，当我在书架上看到这本书的名字时，立刻就联想到了一系列关于金属疲劳、表面工程、3D打印金属以及精益制造的知识点。我脑海里浮现的，是一个详细阐述激光熔覆原理、工艺参数控制、不同合金材料在激光熔覆过程中的表现、以及如何通过再制造技术来恢复零件原有性能的深度解析。我期待书中能够涵盖那些具体的工艺流程，例如激光源的选择、送粉方式、扫描策略，以及如何根据零件的服役环境和失效模式来选择合适的熔覆材料。更重要的是，我希望能看到一些案例研究，真实的工业应用场景，比如航空发动机叶片、模具、轴承等关键零部件是如何通过激光熔覆再制造技术进行修复的，以及修复后的性能检测和寿命预测。这些细节能够帮助我更直观地理解这项技术在实际生产中的价值和潜力。
评分我最近在研究一些高性能金属材料的失效分析，尤其关注那些由于制造缺陷或者服役损伤造成的性能下降。激光熔覆再制造技术，看起来像是给这些“伤痕累累”的零件提供了一个“重生”的机会，而“超声检测”则是我认为最可靠的“健康体检”方式。所以，当我看到《激光熔覆再制造零件的超声检测》这本书的书名时，我心中充满了期待，仿佛看到了一个能够解决我工作难题的解决方案。我设想这本书会详细阐述超声波在检测激光熔覆层内部缺陷方面的原理和应用。这不仅仅是简单的告诉读者“能检出什么”，而是要深入分析熔覆层与基体材料之间的界面、熔覆层自身的微观组织结构、以及在熔覆过程中可能产生的各种缺陷（例如，气孔、夹渣、未熔合、裂纹、显微缩孔等），这些缺陷的形成机理是什么？它们会对零件的整体性能产生怎样的影响？以及，超声波是如何“看到”并“识别”这些缺陷的？我希望书中能够提供一些关于不同缺陷类型的超声信号特征的详细描述，例如，不同缺陷的尺寸、形状、分布和声学阻抗差异，如何通过分析超声波的反射、散射和衰减来区分和量化这些缺陷。此外，我也期望书中能够探讨一些先进的超声检测技术，比如相控阵超声、全聚焦超声等，在激光熔覆层检测中的应用，以及这些技术如何能够提高检测的灵敏度、分辨率和三维成像能力，从而更全面地评估再制造零件的内部质量。
评分我对现代制造业中的先进材料处理技术以及质量控制方法都非常关注。激光熔覆再制造，这项技术为延长金属零件的使用寿命，提高资源利用率提供了新的途径，这本身就极具吸引力。而“超声检测”，作为一种重要的无损检测手段，对于确保再制造零件的可靠性至关重要。因此，《激光熔覆再制造零件的超声检测》这个书名，直接击中了我的关注点。我期望这本书能够提供一个全面而深入的视角，来理解超声波是如何被应用于检测激光熔覆层内部质量的。这不仅仅是关于如何操作超声检测设备，更重要的是，它应该详细阐述激光熔覆层自身的材料特性，比如其非均质的微观结构、可能存在的内部缺陷（如气孔、夹渣、未熔合、裂纹等），以及这些特性对超声波信号产生的影响。我希望书中能够包含一些关于不同类型缺陷的超声检测特征的详细介绍，以及如何通过分析这些特征来评估缺陷的大小、性质和分布。此外，我也非常期待书中能够探讨一些先进的超声检测技术，比如全聚焦超声（TFM）或相控阵超声（PAUT），它们如何能够提供更精细的成像和更准确的缺陷定量，从而更好地服务于激光熔覆再制造零件的质量保证。这本书的价值，我认为就在于它能够将激光熔覆这项“增材制造”和“修复”技术，与超声检测这项“质量守护”技术，进行有机的结合，为工程师和研究人员提供一套完整的解决方案。
评分一直以来，我对工业领域的先进制造技术都充满好奇，尤其是那些能够提升产品性能、延长使用寿命，同时又兼顾环保和经济效益的技术。激光熔覆再制造，听上去就像是给工业零件“续命”的魔法，而“超声检测”则是确保这份“续命”过程安全可靠的“体检”。所以，当我看到这本书的书名时，脑海中立刻浮现出一个画面：一位工程师，手持精密的超声探头，在经过激光熔覆处理的金属零件表面轻轻滑动，屏幕上跳跃着波形的图像，他聚精会神地分析着每一个信号，仿佛在解读零件内心深处的“秘密”。我期望这本书能够像一位经验丰富的导师，循循善诱地引导读者走进超声检测的世界，并且是专门针对激光熔覆再制造零件这一特定领域。我期待它会从超声波的基本原理讲起，比如声波的产生、传播、反射和衍射，以及这些物理现象是如何在材料内部形成缺陷的指示信号的。然后，我会希望这本书能够进一步深入到激光熔覆层特殊的微观结构特点，比如其细小的晶粒、非均匀的成分分布、以及可能存在的应力集中等，这些特殊的材料特性对于超声波的传播会带来哪些挑战，又是如何影响检测结果的？书中是否会有专门的章节来分析这些影响，并给出相应的应对策略？我希望它能提供一些具体的检测流程和技术规范，让读者能够理解如何根据零件的形状、尺寸、材料以及熔覆层的厚度和层数，来选择合适的超声检测方法和参数。
评分我对材料的修复和再制造技术一直抱有浓厚的兴趣，特别是那些能够实现金属零件的“绿色”修复和性能提升的技术。激光熔覆再制造，听上去就像是给工业零件“施了魔法”，让它们重新焕发活力。而“超声检测”，则是我理解的，确保这份“魔法”背后工艺可靠性的“金钥匙”。因此，当我看到《激光熔覆再制造零件的超声检测》这本书的书名时，我仿佛看到了一个解决关键技术难题的曙光。我期望这本书能够系统地介绍超声波在检测激光熔覆层方面的理论基础和实践应用。这不仅仅是停留在表面，而是要深入到熔覆层独特的微观结构特点，比如其细小的晶粒、复杂的相分布，以及可能存在的内部应力状态。这些因素对超声波的传播会产生怎样的影响？如何通过超声波的反射、透射和散射来有效地识别和评估这些结构特征和潜在的缺陷？我期待书中能够提供一些关于不同类型缺陷（如气孔、夹渣、未熔合、裂纹）在超声检测中呈现出的典型信号特征，以及如何通过优化超声检测的参数，例如，声波频率、探头角度、扫描策略，来最大化检测的灵敏度和准确性。此外，我也非常关注书中是否会介绍一些新兴的超声检测技术，比如相控阵超声技术在复杂形状零件上的应用，以及如何利用这些技术实现对熔覆层内部缺陷的高精度三维成像和定量分析。
评分我最近在关注一些前沿的无损检测技术，特别是对于那些复杂形状和高价值的金属零件。激光熔覆再制造技术听起来很有前景，但如何确保再制造零件的质量和可靠性，就成了关键问题。这本书的书名《激光熔覆再制造零件的超声检测》，直接点出了这个核心的挑战。我设想这本书应该会深入探讨超声波在检测激光熔覆层中的应用。这不仅仅是简单的“ B 扫描”或者“ C 扫描”，而是需要针对熔覆层特有的微观结构、内部缺陷（比如气孔、夹渣、未熔合、裂纹）以及表面形貌，来设计和优化超声检测方案。我期待书中会介绍不同频率、不同探头的选择，以及声传播路径的模拟和分析，尤其是在熔覆层内部可能存在的梯度变化和多相区，这对超声波的传播会产生怎样的影响，书中是否会有相应的理论解释和实验验证？我希望看到的是，这本书能够提供一套系统的超声检测方法论，从原理到实践，教会读者如何准确地识别和评估再制造零件中的潜在缺陷。这包括如何区分内部缺陷与外部特征，如何量化缺陷的大小和位置，甚至是如何根据超声信号的特征来推断缺陷的性质和对零件整体性能的影响。我脑海里也勾勒出一些具体内容的轮廓，比如缺陷的成像技术，如何利用先进的成像算法来提高检测的灵敏度和分辨率，还有关于缺陷定量评估的方法，比如通过声传播衰减、回波幅度等参数来推断缺陷的严重程度。
评分作为一名对现代制造技术充满热情的研究者，我一直在关注那些能够提升产品可靠性和延长使用寿命的新工艺。激光熔覆再制造，无疑是其中一项令人兴奋的技术，它为报废的零件提供了“第二生命”。然而，再制造的质量如何保证，特别是那些可能隐藏在内部的缺陷，一直是我关注的焦点。因此，《激光熔覆再制造零件的超声检测》这个书名，立刻引起了我的兴趣。我设想这本书会深入探讨超声波技术在精确评估激光熔覆层质量方面的应用。这不仅仅是简单的缺陷定位，更应该是关于如何理解超声波信号与熔覆层微观结构之间的深层联系。我期待书中能够详细介绍激光熔覆过程中可能产生的各种缺陷，例如，细微的气孔、非金属夹杂物、未完全熔合的区域、以及潜在的内应力引起的微裂纹等，这些缺陷的形成机理是什么？它们对零件的宏观性能会造成怎样的影响？更重要的是，超声波是如何能够“穿透”这些缺陷，并将其转化为可识别的信号的？我希望书中能够提供关于不同缺陷类型的超声响应特征的详细分析，包括它们的幅度、频率成分、波形变化等，并给出具体的判读方法。同时，我也期待书中能够介绍一些先进的超声检测技术，例如，全聚焦超声（TFM）技术，它如何能够提供更高分辨率的三维成像，从而更精确地描绘出熔覆层内部的缺陷形貌，以及如何利用这些技术来量化缺陷的大小、数量和分布。
评分我对材料的表面处理和修复技术一直很感兴趣，尤其是在航空航天、汽车制造等高精尖领域。激光熔覆再制造，这项听起来就充满“魔力”的技术，能够让那些磨损或损坏的零件重获新生。但“魔力”背后，严谨的质量控制才是关键。而《激光熔覆再制造零件的超声检测》，这个书名，正是我心中所期待的那种“严谨”。我期待这本书能够深入浅出地介绍超声波是如何成为检测激光熔覆层质量的“火眼金睛”。这不仅仅是关于基本的超声波原理，而是要针对激光熔覆层特有的复杂性进行深入探讨。例如，熔覆层通常具有细小的晶粒、独特的组织结构（如柱状晶），以及可能存在的成分不均匀性。这些特性如何影响超声波的传播？如何识别熔覆层内部可能存在的微观缺陷，比如细小的气孔、夹渣、未熔合、或者层间的微裂纹？我期望书中能提供详细的案例和图解，展示不同类型的缺陷在超声信号中是如何呈现的，以及如何通过调整超声检测的参数来提高检测的灵敏度和准确性。另外，我希望这本书也能关注一些先进的超声检测技术，例如，相控阵超声技术在复杂曲面上的应用，以及全聚焦超声技术如何实现对熔覆层内部缺陷的高分辨率成像。
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