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

更新時(shí)間:2025-03-31點(diǎn)擊次數(shù):55

  裂紋是固體材料的一種常見(jiàn)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(wú)損檢測(cè)顯得尤為重要。


  激光超聲檢測(cè)技術(shù)因其非接觸、空間分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)被廣泛的應(yīng)用在制造業(yè)。非線(xiàn)性光聲裂紋檢測(cè)技術(shù)不僅具有激光超聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì),還可突破傳統(tǒng)線(xiàn)性超聲技術(shù)超聲波長(zhǎng)需與裂紋尺寸對(duì)應(yīng)的限制,使用長(zhǎng)波長(zhǎng)聲波對(duì)微裂紋實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)。目前常用不同恒定功率加熱光輻照裂紋,觀測(cè)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(wú)法捕捉到裂紋閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程和裂紋壁在閉合過(guò)程中形貌的變化。


  針對(duì)以上問(wèn)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(guò)觀測(cè)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(guò)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(wú)損檢測(cè)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(cè)裝置,如圖1.并以10 Hz的頻率多次讀取透過(guò)裂紋的超聲信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋閉合、張開(kāi)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中實(shí)驗(yàn)樣品為數(shù)塊含有開(kāi)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(cè)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(cè)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(kāi)啟,“off"代表關(guān)閉;Laser Heating代表加熱光的工作狀態(tài),“on"代表開(kāi)啟,“off"代表關(guān)閉,“ PH"為加熱光功率,從  PH=50 mW開(kāi)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(shì),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(guò)程,結(jié)合在裂紋處原子力顯微鏡掃描觀測(cè)結(jié)果,如圖2.對(duì)產(chǎn)生這三種典型變化過(guò)程的原因進(jìn)行了分析與討論。


  圖2 裂紋的AFM掃描觀測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果。


  結(jié)果表明,實(shí)時(shí)激光超聲監(jiān)測(cè)不僅可以直觀地觀測(cè)到裂紋受熱閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程,還可觀察到很多在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中無(wú)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(shì)的巨大差異,可知裂紋壁上的突起在裂紋閉合過(guò)程中發(fā)生了斷裂。


  參考文獻(xiàn): 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)



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