光熱調(diào)制裂紋閉合的激光超聲實(shí)時(shí)監(jiān)測

　　裂紋是固體材料的一種常見缺陷，其出現(xiàn)和擴(kuò)展會(huì)對(duì)材料的使用壽命和機(jī)械性能造成嚴(yán)重的破壞，并最終導(dǎo)致工件的斷裂，造成巨大損失。因此對(duì)于材料可能存在的裂紋進(jìn)行無損檢測顯得尤為重要。

　　激光超聲檢測技術(shù)因其非接觸、空間分辨率高、探測距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛的應(yīng)用在制造業(yè)。非線性光聲裂紋檢測技術(shù)不僅具有激光超聲技術(shù)的優(yōu)勢，還可突破傳統(tǒng)線性超聲技術(shù)超聲波長需與裂紋尺寸對(duì)應(yīng)的限制，使用長波長聲波對(duì)微裂紋實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測。目前常用不同恒定功率加熱光輻照裂紋，觀測裂紋處于不同靜態(tài)閉合狀態(tài)時(shí)透、反射聲波的變化，但這一方法無法捕捉到裂紋閉合的動(dòng)態(tài)過程和裂紋壁在閉合過程中形貌的變化。

　　針對(duì)以上問題，南京理工大學(xué)沈中華教授團(tuán)隊(duì)使用激光超聲技術(shù)，通過觀測在裂紋處透射聲波幅值的變化，獲得了光熱調(diào)制載荷下裂紋閉合的動(dòng)態(tài)過程和形貌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)變化，為系統(tǒng)解釋光熱調(diào)制下裂紋的行為變化提供一定的思路，同時(shí)也有助于光熱調(diào)制輔助的激光超聲無損檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　該課題組建立了一套結(jié)合光熱調(diào)制的激光超聲裂紋檢測裝置，如圖1.并以10 Hz的頻率多次讀取透過裂紋的超聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋閉合、張開過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。其中實(shí)驗(yàn)樣品為數(shù)塊含有開口裂紋的黑玻璃。

　　圖1. 結(jié)合光熱調(diào)制的激光超聲裂紋檢測裝置(a)裝置示意圖(b)光源位置示意圖(c)實(shí)驗(yàn)中加熱光以及激光超聲檢測裝置的工作示意圖。其中LU monitor代表激光超聲的激發(fā)狀態(tài)，“on”代表開啟，“off”代表關(guān)閉;Laser Heating代表加熱光的工作狀態(tài)，“on”代表開啟，“off”代表關(guān)閉，“ PH”為加熱光功率，從  PH=50 mW開始，以50 mW的增量最終增加到   PH=300mW。

　　從多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中總結(jié)出了透射超聲信號(hào)峰峰值的三種典型變化趨勢，得到了裂紋壁上突起在裂紋受熱閉合時(shí)的三種典型變化過程，結(jié)合在裂紋處原子力顯微鏡掃描觀測結(jié)果，如圖2.對(duì)產(chǎn)生這三種典型變化過程的原因進(jìn)行了分析與討論。

　　圖2 裂紋的AFM掃描觀測結(jié)果

　　圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果之一。(a)裂紋在不同功率加熱及自然冷卻時(shí)透射聲表面波信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果;(b)裂紋在不同功率加熱及自然冷卻時(shí)模式轉(zhuǎn)換聲信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。

　　結(jié)果表明，實(shí)時(shí)激光超聲監(jiān)測不僅可以直觀地觀測到裂紋受熱閉合的動(dòng)態(tài)過程，還可觀察到很多在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中無法看到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可反映裂紋在受熱閉合時(shí)裂紋壁形貌結(jié)構(gòu)的變化細(xì)節(jié)。如圖3所示，從200mW功率加熱光輻照時(shí)透射聲表面波信號(hào)幅值的突然減小(圖中①)、加熱光關(guān)閉后該幅值相比較低功率時(shí)的明顯下降(圖中②)，以及不用功率下模式轉(zhuǎn)換聲信號(hào)幅值變化趨勢的巨大差異，可知裂紋壁上的突起在裂紋閉合過程中發(fā)生了斷裂。

　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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