裂紋是固體材料的一種常見缺陷，其出現(xiàn)和擴展會對材料的使用壽命和機械性能造成嚴重的破壞，并最終導致工件的斷裂，造成巨大損失。因此對于材料可能存在的裂紋進行無損檢測顯得尤為重要。
激光超聲檢測技術因其非接觸、空間分辨率高、探測距離遠等優(yōu)點，近年來被廣泛的應用在制造業(yè)。非線性光聲裂紋檢測技術不僅具有激光超聲技術的優(yōu)勢，還可突破傳統(tǒng)線性超聲技術超聲波長需與裂紋尺寸對應的限制，使用長波長聲波對微裂紋實現(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)時透、反射聲波的變化，但這一方法無法捕捉到裂紋閉合的動態(tài)過程和裂紋壁在閉合過程中形貌的變化。
針對以上問題，南京理工大學沈中華教授團隊使用激光超聲技術，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態(tài)過程和形貌結(jié)構(gòu)的實時變化，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，同時也有助于光熱調(diào)制輔助的激光超聲無損檢測技術的進一步發(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，實現(xiàn)對裂紋閉合、張開過程的實時監(jiān)測。其中實驗樣品為數(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)實驗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"代表關閉;Laser Heating代表加熱光的工作狀態(tài)，“on"代表開啟，“off"代表關閉，“ 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。
從多次實驗結(jié)果中總結(jié)出了透射超聲信號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.對產(chǎn)生這三種典型變化過程的原因進行了分析與討論。
圖2 裂紋的AFM掃描觀測結(jié)果
圖3 實驗結(jié)果之一。(a)裂紋在不同功率加熱及自然冷卻時透射聲表面波信號的實時監(jiān)測結(jié)果;(b)裂紋在不同功率加熱及自然冷卻時模式轉(zhuǎn)換聲信號的實時監(jiān)測結(jié)果。
結(jié)果表明，實時激光超聲監(jiān)測不僅可以直觀地觀測到裂紋受熱閉合的動態(tài)過程，還可觀察到很多在準靜態(tài)實驗中無法看到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可反映裂紋在受熱閉合時裂紋壁形貌結(jié)構(gòu)的變化細節(jié)。如圖3所示，從200mW功率加熱光輻照時透射聲表面波信號幅值的突然減小(圖中①)、加熱光關閉后該幅值相比較低功率時的明顯下降(圖中②)，以及不用功率下模式轉(zhuǎn)換聲信號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： 中國光學期刊網(wǎng)
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