УДК 620.179.16
ОБНАРУЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ОБЪЕМНЫХ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛАХ ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
И.Р. Исмагилов, В.А. Голенищев-Кутузов, Р.И. Калимуллин, С.А. Мигачев, А.А. Хасанов
Разработан универсальный неразрушающий способ обнаружения поверхностных и объемных дефектов в металлических объектах. Способ основан на сканировании поверхности исследуемого объекта сфокусированным лазерным пучком и детектировании генерируемых им акустических волн пьезоэлектрическим датчиком. Контроль дефектов осуществляется посредством измерения амплитуды и времени распространения акустического сигнала до детектора при прохождении лазерным пучком области дефекта.
Ключевые слова: поверхностная акустическая волна, объемная акустическая волна, лазерно-акустический контроль, поверхностный дефект, объемный дефект, металлическая пленка.
ВВЕДЕНИЕ
Теоретические и экспериментальные исследования по распространению поверхностных акустических волн (ПАВ) в различных средах, в том числе и через поверхностные неоднородности, начались еще в 70-е годы XX века. Как следует из обзора [1], основное внимание было обращено на проблемы взаимодействия ПАВ с периодическими структурами и возможности применения их для обработки информационных сигналов. Вследствие этого обстоятельства, в частности, была сделана оценка зависимости коэффициента отражения r от размеров прямоугольной канавки, что необходимо было для расчета эффективности фильтра. Однако обратная задача — определение размеров канавки по коэффициенту отражения ПАВ — весьма затруднительна, поскольку в выражение для r ширина и глубина канавки входят одновременно в виде множителей. Более того, в [1] не рассматривается задача обнаружения каких-либо поверхностных и приповерхностных дефектов.
Одновременно в те же годы появились первые работы по генерации ПАВ модулированным по амплитуде лазерным пучком [2], в том числе и по применению этого эффекта для обнаружения дефектов [3, 4]. В основном эти работы касались определения местоположения и размеров дефектов по времени прихода отраженных от дефекта импульса ПАВ.
В настоящее время существует несколько основных способов определения местоположения и размеров дефектов, расположенных на поверхности или в приповерхностном слое, на основе генерации и детектирования ПАВ и объемных акустических волн (ОАВ), проходящих через дефект или отраженных от него [5]. Однако практически отсутствуют лазерно-акустические способы обнаружения скрытых подповерхностных дефектов, основанные на детектировании ПАВ.
Ильдар Рашидович Исмагилов, аспирант кафедры "Промышленная электроника" Казанского государственного энергетического университета. Тел. 89534929092. E-mail: ildarism@yandex.ru
Вадим Алексеевич Голенищев-Кутузов, доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры "Промышленная электроника" Казанского государственного энергетического университета. Тел. (843) 2367475, 89172370247.
Рустем Ирекович Калимуллин, доктор физ.-мат. наук, доцент, профессор кафедры "Промышленная электроника" Казанского государственного энергетического университета. Тел. (843) 5194278. E-mail: kalru@newmail.ru
Станислав Александрович Мигачев, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Казанского физико-технического института. Тел. (843) 5183468, (843) 2721134. E-mail: smigach@kfti.knc.ru
Алмаз Асхатович Хасанов, аспирант кафедры "Промышленная электроника" Казанского государственного энергетического университета. Тел. 89297280678, (843) 5194278. E-mail: a_l_m_a_z@inbox.ru
В данной работе был теоретически и экспериментально подтвержден новый способ обнаружения и определения параметров дефектов в виде поверхностных трещин, прорезей и канавок на основе возбуждения и детектирования ПАВ, проходящих через дефект. Экспериментальная установка, разработанная для генерации и детектирования ПАВ и ОАВ, является универсальной, так как позволяет осуществлять идентификацию не только поверхностных, но и скрытых подповерхностных дефектов путем генерации ОАВ, трансформирующихся при отражении от дефекта в ПАВ.
Взаимодействие коротких лазерных импульсов с облучаемой средой характеризуется несколькими пространственно-временными процессами: глубиной проникновения оптического излучения в материал dопт (для металлов а?опт не превышает 105 мм); длительностью лазерных импульсов т которая определяет полосу длин акустических волн, генерируемых лазером А,ак; глубиной тепловой диффузии за время действия лазерного импульса dдиф =7 Хтл (для металлов dдиф ~ 10-4—10-2 мм), где % — коэффициент температуропроводности; глубиной распространения поверхностных акустических волн внутрь материала [6].
Соотношение между пространственно-временными характеристиками и глубиной залегания дефекта определяет как особенности лазерного возбуждения акустических волн, так и методы обнаружения дефектов. В современных условиях наиболее пригодны для обнаружения приповерхностных дефектов высокочастотные ПАВ, генерируемые лазерами с тл < 10-8 с и, следовательно, с ЯПАВ < 100 мкм. В частности, разработанная нами новая методика позволила обнаружить дефекты в металлических покрытиях микронной толщины на диэлектрических подложках, которая основана на взаимодействии лазерного пучка с дефектом.
Считается [7, 8], что если длина волны Рэлея сравнима с размерами поверхностного дефекта, то происходит ее частичное отражение от границ дефекта и частичное прохождение через дефект по сложной траектории (рис. 1). Как будет показано далее, это можно положить в основу не только обнаружения дефектов, но и определения их размеров.
Рис. 1. Распространение рэлеевской волны в образце с прохождением через поверхностный дефект глубиной d и шириной 1 — лазерный пучок; 2 — детектор; 3 — образец.
Однако методика обнаружения поверхностных дефектов мало пригодна для обнаружения дефектов, залегающих на глубинах, больших, чем ^ПАВ, dдиф, dопт. В данной статье предлагается способ регистрации акустических импульсов объемных волн, трансформировавшихся на дефекте. Для простоты рассмотрим дефект в виде полого цилиндра с осью симметрии, параллельной поверхности металлического образца (рис. 2).
В этом случае при сканировании поверхности объекта контроля (ОК) лазерным пучком, падающим перпендикулярно и сфокусированным в виде полоски, параллельной оси цилиндра, будут генерироваться как ПАВ (в нашем случае волна Рэлея), так и ОАВ, распространяющиеся в том числе в глубину образца перпендикулярно облучаемой поверхности.
2 Дефектоскопия, № 6, 2014
Рис. 2. Взаимодействие акустических волн с дефектом, залегающим под поверхностью исследуемого объекта, при облучении лазером над центром дефекта (а) и по разные стороны
от него (б):
1 — лазерный пучок; 2 — образец; 3 — генерируемая ОАВ; 4 — дефект; 5 — направление распространения первичной ПАВ; 6, 9, 10 — отраженная от поверхности дефекта ОАВ; 7 — ПАВ, трансформировавшаяся из ОАВ на поверхности образца; 8 — детектор.
При приближении лазерного пучка к области объемного дефекта ПАВ, распространяющаяся вдоль поверхности, не претерпевает каких-либо изменений, поскольку не проникает на глубину дефекта. Объемные же волны будут отражаться от внутренней поверхности дефекта и, достигая поверхности образца, трансформироваться в ПАВ. В зависимости от положения сканирующего лазерного пучка относительно дефекта импульсы трансформировавшихся волн будут взаимодействовать с первичными импульсами ПАВ. При выполнении условия й , << й возможно как усиление сигнала
г -1 деф дет -1
на детекторе, так и его ослабление, где йдеф — глубина залегания дефекта, йдет — расстояние между дефектом и детектором.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Экспериментально были исследованы особенности разработанных способов обнаружения поверхностных дефектов в металлических пленках микронной толщины и дефектов, расположенных на поверхности и внутри объема массивных металлических образцов.
В первом случае в качестве модельного дефекта использовали прорези шириной порядка 100 мкм, созданные в алюминиевых пленках толщиной 0,5 и 3 мкм, нанесенных на стеклянную подложку с помощью вакуумного
а
б
магнетронного напыления. Было выполнено сканирование пленок лазерным пучком с X = 1,064 мкм и длительностью импульсов 7,5 нс, сфокусированным в полоску 10^0,1 мм2. Сканирование осуществляли пошаговым перемещением образца относительно неподвижного лазера со скоростью 2 шага в секунду; шаг варьировали от 10-2 до 1 мм. Каждый шаг перемещения сопровождался генерацией лазерного импульса. Регистрацию акустических волн осуществляли с помощью неподвижно закрепленного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) из цирконата-титаната свинца (ЦТС). Схема и описание экспериментальной установки для лазерно-акустической дефектоскопии представлены в [9, 10].
Для исследования взаимодействия ПАВ с реальными поверхностными трещинами был использован образец в виде пластины из Ст3 (рис. 3).
Рис. 3. Образец с реальной поверхностной трещиной: 1 — прорезь; 2 — поверхностная трещина.
Посередине образца была нанесена неглубокая прорезь, затем по разные стороны от нее пластину подвергали механическому нагружению. В результате образовалась поверхностная трещина, распространившаяся в обе стороны от прорези.
Определение размеров (ширины, глубины) трещины осуществляли на основе теневого лазерно-акустического метода [10]. Для определения длины трещины было проведено последовательное сканирование поверхности в несколько проходов лазерным пучком, сфокусированным в полоску длиной 350 мкм. Данная длина полоски была получена опытным путем и соответствовала минимальному отношению сигнал/шум для выявления отклика волны Рэлея на временных диаграммах акустических сигналов. Таким образом, точность определения длины трещины и ее положения на поверхности определяется длиной оптической полоски.
С помощью описанной выше методики сканирования поверхности лазерными импульсами был также исследован брусок из алюминиевого сплава Д16АТ с искусственным объемным дефектом в виде сквозного отверстия диаметром 2,2 мм с осью, расположенной перпендикулярно направлению сканирования (рис. 2) на расстоянии 2 мм от поверхности бруска.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
При иссл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.