钢筋混凝土动态粘结滑移声发射特性试验

为研究不同加载速率下钢筋混凝土粘结-滑移损伤破坏过程中的损伤特征,对钢筋混凝土粘结试件进行了0.01 mm/s～10 mm/s四种不同速度的拔出试验。采用实时动态的声发射监测技术对整个试验过程进行监测,对试验过程中的声发射信号进行声发射振幅-振铃计数特性及功率谱峰值频率特性分析。结果表明,随着滑移速率的增加,声发射振幅-振铃计数拟合曲线变缓,在0～50 k Hz和100～150 k Hz频率范围内的声发射事件比重分别减小和增加。损伤过程的声发射特性对钢筋混凝土粘结滑移损伤演化规律的研究具有重要的价值。     

流化床风帽故障的声发射检测

针对气固流化床中风帽故障影响流化质量问题,本文提出一种能够快速精确地检测出风帽故障位置和类型的声发射检测方法;声发射技术是一种实时、在线、非侵入流场的声波检测方法,利用均匀安装在流化床分布板下方的声发射传感器进行定位测量;采集气固流化床内颗粒撞击分布板产生的声信号,对该信号进行多尺度小波包分解,找出特征频段,由各个测点声发射信号总能量对比可以直观反应风帽故障存在位置,而各尺度能量分率的变化能进行故障类型判断;这种实时测量方法能更早,更精确的对风帽破损情况进行准确的判断。     

基于激光水下爆炸声源的声探测技术

基于激光水下爆炸的声探测技术,设计了激光声水下目标探测器。对激光水下爆炸声源的产生机理进行研究,并开展水下探测器发射声信号检测的实验。实验结果表明:强脉冲激光聚焦于水介质产生爆炸性球面声源,探测器内部的声反射面将球面声信号转变为高指向性的平面波信号。通过对探测器的发射信号和接收的目标回波信号进行数值计算,得到探测器发射信号具有波束指向性窄、距离分辨力高和探测距离远等特点,满足水下目标探测的应用需求。     

空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

在空气环境下,激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确。该文利用中阶梯光栅光谱仪探测脉冲激光器作用于干净及表面污染的铜币样品产生的等离子体光谱谱线,这些谱线中不但包含了清晰的铜原子发射谱线,还包含空气中氧气和氮气与激光作用产生分解效应的原子谱线。为了消除单次测量的不确定性,分析了多次测量的分布恒定的氧原子和氮原子谱线的统计规律,表明强度分布规律一致,且相对标准差基本相同,可以采用单次测量的光谱图变化表示清洗过程中状态。表面污染的铜币光谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线,清洗干净铜币的光谱图连续谱线消失且只有铜元素谱线,观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。     

工程陶瓷崩碎损伤的声发射逾渗特征

为研究工程陶瓷崩碎损伤演化过程中的逾渗行为,揭示其损伤机理,以氧化铝陶瓷为研究对象,构建了工程陶瓷崩碎损伤实验系统,建立了基于声发射的逾渗理论模型。通过对崩碎损伤过程中声发射信号分析可得:声发射计数率/能量释放率能实时反映陶瓷崩碎损伤过程中裂纹激活率的逾渗行为;基于声发射累积计数/累积能量的破坏比率反映了损伤累积对材料内部性能的影响,可从损伤积累的角度描述陶瓷崩碎损伤过程中的逾渗行为;声发射持续时间反映了陶瓷崩碎过程中逾渗行为的团簇变化规律。研究结果表明:基于声发射的逾渗理论模型可较好的描述陶瓷崩碎损伤演化过程的逾渗特征。      

金刚石单晶生长的声发射实时检测初探

采用声发射检测技术,对高温高压下人造金刚石单晶的生长过程进行了检测和分析。利用由PCI-8型声发射仪和LMD-800型铰链式六面顶压机组成的声发射检测系统,检测了金刚石单晶的生长过程。将金刚石单晶生长和不生长过程中检测到的声发射信号进行对比和频谱分析,结果表明:声发射信号与金刚石单晶生长过程存在对应关系;金刚石单晶生长对应的声发射信号是一种低频信号,可以利用声发射信号的变化规律研究金刚石单晶在高温高压条件下的原位反应机理。     

弹道扩散机制下热波传递的蒙特卡罗模拟

超短脉冲激光技术在精细加工和微纳米材料热物性测量方面的广泛应用,要求对超快速导热过程有更系统深入的了解。本文利用蒙特卡罗模拟方法研究了声子主导的超快导热过程,并和经典热波模型的结果进行了对比分析。经典热波方程预测了无色散的耗散波;兰贝特边界发射的蒙特卡罗模拟预测了色散的耗散波,而且不同的边界声子发射的模拟结果不同。利用声子玻尔兹曼方程分析了模拟中不同发射方式下热波的色散关系。热波传递过程中的能量均方位移时间关系表明中声子以弹道扩散形式传递。     

SPV490Q钢焊接冷裂纹声-磁定位方法研究

声发射源定位方法可以精准判断信号发生时间及位置,但由于其检测数据量大,难以进行实时评价,而磁记忆定位方法能实时观察数据结果,所以用声-磁结合的方法对冷裂纹进行定位分析。焊后即进行声发射监测,待焊缝冷却后,按一定时间间隔用磁记忆技术进行检测,这样既能精确得到冷裂纹起裂时间及其位置,又能实时观察冷裂纹扩展走向。同时,通过SPV490Q钢斜Y型坡口焊接冷裂纹实验验证了该方法的可行性。     

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

加工及装配过程中炸药部件声发射特性的在线监测

声发射是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象,反映被检测材料在外力作用下的动态损伤特性。炸药件在加工和装配过程中受到外力的作用也会出现声发射想象。对产品进行实时监测有利于及时发现异常状态并改进工艺,提高过程安全性和产品质量。     

The potential use of plume imaging for real-time monitoring of laser ablation cleaning of stonework

In this work, the potential of plume imaging was investigated as a real-time monitoring technique for the control of the laser cleaning process in cultural heritage objects with emphasis on encrusted stonework. Optical pulses generated by Nd:YAG laser were used to remove a high absorbing layer of crust from the surface of a lower absorbing marble substrate. Two regimes of operation have been employed for laser cleaning test, Q-switched ns mode, and short free running μs mode. Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) was also employed to study the stratigraphy of the cleaned surfaces, and thus to confirm the validity of the suggested monitoring technique. The tests proved the prospective of introducing plume imaging techniques as a straightforward and inexpensive tool for the real-time monitoring of laser ablation and the determination of the critical point for a safe surface cleaning intervention.     

On all-optical laser cleaning and inspection of contaminated concave metal surfaces

A technique for all-optical laser cleaning and surface quality monitoring of concave metal surfaces is suggested. Contaminated pharmaceutical punches from a tablet compression machine were cleaned using high-energy laser pulses. Image information obtained from a diffractive-optical-element-based sensor was used in inspection of the surface quality change of the concave punches due to laser cleaning. Alternative method for mechanical cleaning of punches is introduced, which is based on simultaneous laser cleaning and surface quality inspection of the punches.     

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明:采用200~700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关, 656.5 nm(OⅡ)/396.2 nm(AlⅠ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。实际上,光谱测量已应用于激光焊接、激光切割和钻孔、激光清洗打磨、微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺,具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术,包括等离子体光谱、反射光光谱和非线性光信号光谱等。基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量,除实现化学成分定性和定量监测外,还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦,根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程;作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法,反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、损伤、色度和成分变化等;而在特定条件下产生的谐波信号、荧光信号和拉曼信号等非线性光信号,尽管应用场景有限,但提供了一种实现成分、焦距和材料损伤等监测的新方法。进而,展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势,包括多种光信号的光谱协同监测与光、声、温度及图像等多种信号测量的复合监测。同时,人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。     

Characterization of laser cleaning of limestone

The precise and controlled cleaning of polluted limestone sculpture by a Q-switched Nd:YAG laser is described. Acoustic monitoring of the cleaning process is used to demonstrate the selective removal of black crusts from stone surfaces. Results are also presented which show that by applying a thin layer of water to the surface of the crust prior to irradiation, cleaning can be achieved at a lower energy than with normal laser cleaning. The probability of damage to the underlying stone is, therefore, reduced.     

一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法

辉光放电原子发射光谱仪可用于物质表面化学成分随深度分布的分析,在镀层分析、金属材料检验等领域有着广泛的应用。文章介绍了辉光深度分析的传统方法和局限性以及实时深度测量技术的近期研究,提出了一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法。文章采用激光位移传感器和根据激光测量方法设计的辉光放电光源构成实时深度测量系统,详细阐述了系统的设计方案和技术原理。系统的设计结构能够实现在辉光光谱分析的同时进行激光实时溅射深度的测量。通过实验验证和分析了激光实时测量样品溅射深度过程中产生的光源位移现象。采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量,给出了实时深度测量曲线。通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加,得到了样品溅射坑深度的实际值,与Dektak8型表面形貌仪测量结果一致。     

基于LIBS光谱与成分分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究

激光除漆作为激光清洗技术的分支,有望替代传统打磨及化学除漆工艺,实现飞机蒙皮表面漆层的可控清除,但除漆过程及质量的可控性依赖于有效的原位、在线监测技术。针对飞机铝合金蒙皮表面多漆层结构,采用LIBS技术对不同漆层、不同厚度时漆层特征元素进行光谱与成分分析,在信号解译基础上建立漆层去除层数、去除厚度与LIBS光谱变化的内在关联,实现除漆过程质量的实时监测与反馈控制。结果表明,分层除漆过程中面漆、底漆完全清除后,漆层特征元素（Fe,Ti）的光谱峰消失。LIBS监测到面漆的特征元素Fe在501.494 1和521.517 9 nm处Fe Ⅰ 的光谱特征峰消失时,判定面漆完全清除。监测到底漆特征元素Ti在498.173 0,499.107 0和521.039 0 nm处Ti Ⅰ 的光谱特征峰消失时,判定底漆完全清除。厚度除漆时,随漆层厚度降低或激光脉冲作用次数增加,漆层特征元素（Ca）的光谱峰强相应降低,至漆层厚度为0时（完全去除）,漆层特征元素光谱峰消失,同时基体特征元素（Al）光谱峰出现。LIBS监测616.217 0,643.907 0和422.673 0 nm处Ca Ⅰ 的光谱信号强度变化能够监测激光除漆时剩余漆层厚度,实现对激光除漆厚度的可控清除监测。另外,结合EDS与SEM测试分析,验证了LIBS用于飞机蒙皮激光除漆过程与效果监测、分层与厚度控制的可行性,表明在不损伤基体氧化层的前提下,通过监测对应波长位置的面漆、底漆特征元素光谱与成分变化规律能够实现激光分层可控、厚度可控除漆。     

激光除锈过程的实时监测技术研究

对激光除锈过程中的实时监测技术进行了实验研究,结果表明:除锈过程中产生的声波强度会随着表面清洁度的变化而发生明显的变化,声波信号包含了除锈过程中的大量信息,可作为激光除锈实时监测的基本信号.     

In-process monitoring techniques for laser cleaning

Diverse in-process monitoring techniques based on acoustic, chromatic and intelligent approaches have been developed for laser cleaning not only to achieve the sound-cleaned surface but also to control the process in an automatic manner. The cleaning of various materials such as copper, marble, paper have also been carried out by using Q-switched Nd:YAG radiation. The process was successfully monitored by detecting the acoustic emission induced by laser–surface interactions during laser cleaning. Novel surface monitoring was achieved by chromatic modulation technique. The monitoring of laser fluence based on neural network logic was carried out by means of the recognition of acoustic spectrum patterns. The prediction system of surface damage has been also developed using fuzzy rule base in the same way as a human expert. These techniques may provide unique information for characterising the process as well as a promise of successful applications for laser cleaning techniques in real practical fields.