1.晶粒取向对入射声场的影响

图3-25所示为横波斜探头向Fe314激光熔覆层及45钢中辐射声场的分布情况。应用瑞利积分结合pencil法计算辐射声场。为了获得好的耦合效果，采用有机玻璃材料楔块，激励信号中心频率为5MHz、晶片直径为10mm，纵波入射角β=36°（第一临界角为28°），所以熔覆层中只有横波。

图3-25 激光熔覆试样Oxz截面内的声场分布

a）θ_q=0° b）θ_q=15° c）θ_q=30° d）θ_q=45° e）θ_q=60° f）θ_q=75° g）θ_q=90°

图3-25给出了Oxz截面内不同晶粒取向时声场的分布情况。当θ_q=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时，折射横波声束发生偏转的同时产生了分离现象。分离出来的声束能量分布明显不均匀，即在特定方向上声束能量较强，而在另外方向上声束能量较弱；当θ_q=45°时，折射横波声束没有出现分离和偏转现象。在各向同性的45钢基体中，折射横波声束没有出现偏转和分离现象。图3-26所示为传播距离为5mm处（z=5mm）Oxy截面内的声束截面图。从图中可以看出θ_q=45°时，折射横波声束没有出现分离现象，其截面形状为椭圆形，声场在x方向发散，在y方向汇聚。θ_q=60°时，折射横波声束分离为两束，并且分离出来的横波能量强弱基本相同，声束截面形状均为不规则形状。θ_q=75°时，折射横波声束分离为两束，并且分离出来的横波能量强弱明显不同，声束截面形状均为不规则形状。由此可见，圆形换能器辐射横波声场在各向异性的激光熔覆层中传播时，其能量变化是不均匀的，Oxy截面内声场的发散或汇聚与该平面内慢度面的曲率变化有关。

总结以上数值模拟结果，可以得出以下结论：①各向异性激光熔覆层内，当晶粒取向不同时，折射横波出现了声束分离现象，并且分离出来的横波声束能量分布有所不同，即声束分离有能量强弱之分；②在特定方向上，折射横波不会出现声束分离现象，即存在声束分离盲区；③圆形换能器辐射声场在各向异性激光熔覆层中传播时，能量变化不均匀，声束截面形状并不是规则的圆形。

图3-26 激光熔覆试样Oxy截面内的声场分布(www.daowen.com)

a）θ_q=45° b）θ_q=60° c）θ_q=75°

2.基于超声传播理论的横波斜探头辐射声场特征分析

图3-27所示为Fe314激光熔覆层的慢度面在Oxz坐标平面上的界面。从图3-27可以看出，各向异性材料中，横波出现了分裂。横波分裂就是横波通过各向异性介质时，沿每一条射线路经可以分裂成两个偏振方向互相垂直的剪切波（通常称为准SV波、准SH波），其传播速度不同。横波分裂的研究始于20世纪70年代，许多学者都成功地观测到了各向异性介质中的横波分裂现象。介质的各向异性是引起横波分裂的根本原因，当波的极化方向与各向异性方向不一致时，就会产生横波分裂现象。激光熔覆层的各向异性可能由下列几种因素引起：①方向性生长的树枝晶；②多道搭接多层堆积工艺方法形成的异质性界面；③残余应力诱导各向异性；④裂纹缺陷诱导各向异性。因此，激光熔覆层中横波的分裂现象是以上各种因素综合作用的结果。

图3-27 Fe314激光熔覆层中Oxz截面内斜入射横波传播原理图

a）θ_q=45° b）θ_q=60° c）θ_q=75°

从图3-27a可以看出，当声束入射角度β=36°，晶粒取向角θ_q=45°时，根据斯内尔定律确定的折射声束相速度方向与慢度面的法矢量方向一致，因此横波声束没有发生偏转，另外这种情况下，各向异性激光熔覆层中偏振方向互相垂直的准SV波、准SH波速度相等，横波没有分裂，所以声束也没有出现分离现象。从图3-27b、c中可以看出，晶粒的取向角θ_q=60°、75°，纵波入射角β=36°时，根据斯内尔定律，采用作图法可以确定折射声束相速度的大小和方向。这两种情况下，熔覆层中偏振方向互相垂直的横波速度不相等，横波分裂为准SH波和准SV波，所以横波折射后，除主声束（折射声束1）外，还产生了其他角度的声束（折射声束2）。图3-25e中，分离出来的两束横波能量强弱基本相同，原因在于这种情况下，折射声束1和折射声束2的速度差别很小（见图3-27b）。图3-25f中，分离出来的两束横波能量明显不同，原因在于这种情况下，折射声束1和折射声束2的速度差别明显（见图3-27c）。另外由于分裂出来的准SH波慢度面形状不规则，慢度面的法矢量方向与相速度方向不一致，所以横波声束发生了偏转。

由上述数值模拟结果可知，相比于纵波直探头，横波斜探头在各向异性激光熔覆层内的辐射声场更为复杂，即随着晶粒取向的不同，声束会出现偏转、分离以及截面形状变化等现象。超声波缺陷检测主要是根据回波信号对零件质量进行评价，激光熔覆层内横波传播的复杂性，势必会影响到回波信号，使得检测人员无法准确地对熔覆层内的缺陷进行识别和定量分析。因此对激光熔覆再制造零件缺陷进行检测与评价时，应当优先选用纵波探头。