УДК 620. 179.16
ОПТИКО-ТЕРМИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ И ЭМА-ПРИЕМНИК УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ЛЭМБА
Ю.В. Петров, С.Ю. Гуревич, Е.В. Голубев
Приведены результаты исследования по выявлению зависимости основных характеристик у.з. волн Лэмба, возбуждаемых в металлических пластинах оптико-термическим излучателем, от его геометрических и энергетических параметров. Таким излучателем ультразвука считается нагретая зона поверхности металла при его облучении наносекундными оптическими импульсами. Регистрацию возбуждаемых волн Лэмба осуществляли специальным широкополосным ЭМА-приемником. Полученные результаты можно использовать при создании средств бесконтактного у.з. контроля качества тонких металлоизделий.
Ключевые слова: лазерное возбуждение, у.з. волны Лэмба, оптико-термический излучатель, широкополосный ЭМА-приемник.
ВВЕДЕНИЕ
В практике у.з. дефектоскопии широко используются методы контроля качества тонколистовых металлоизделий и созданных на их основе композитных материалов с помощью волн Лэмба. Поскольку применение контактных жидкостей при у.з. дефектоскопии ответственных композитных изделий не допускается, то способы генерации и приема ультразвука должны быть бесконтактными, например, с помощью наносекундных лазерных импульсов и электромагнитно-акустического (ЭМА) приемника [1—4].
При облучении наносекундными лазерными импульсами тонколистовых металлоизделий нагретая часть поверхности металла становится источником у.з. волн Лэмба. Эффективность такого «оптико-термического» излучателя (в дальнейшем — ОТ-излучатель) зависит от теплофизических свойств металла и его толщины, поверхностной плотности мощности теплового излучения, которая задается мощностью лазерного излучения. Существенное значение имеют и геометрические размеры ОТ-излучателя. Все это определяет тип возбуждаемых волн Лэмба, величину амплитуды, форму и длительность у.з. импульсов, а также частоту колебаний в импульсах.
В [4, 5] для бесконтактной регистрации у.з. волн Лэмба использовали ЭМА-приемник объемных волн. Чувствительность и надежность такого приемника можно существенно повысить, если в его конструкцию внести изменения, учитывающие некоторые особенности движения упругих частиц в волнах Лэмба разных номеров [6].
Таким образом, чтобы довести контролирующую аппаратуру, созданную на базе импульсного лазера и широкополосного ЭМА-приемника, до внедрения на производстве, необходимо:
разработать и изготовить ЭМА-приемник симметричных и антисимметричных волн Лэмба;
провести исследования по выявлению зависимости основных характеристик волн Лэмба, возбуждаемых ОТ-излучателем, от его геометрических и энергетических параметров, теплофизических свойств и толщины листового металла.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения экспериментальных исследований использовали установку, схема которой показана на рис. 1. Она состоит из импульсного лазера 1,
Юрий Владимирович Петров, канд. техн. наук, доцент Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск. Тел. (351) 267-93-07.
Сергей Юрьевич Гуревич, доктор техн. наук, профессор Южно-Уральского государственного университета, г Челябинск. Тел. (351) 267-90-78. E-mail: sergur.u@mail.ru
Евгений Валерьевич Голубев, канд. физ.-мат. наук, доцент Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск. Тел. (351) 267-93-07. E-mail: ev_golubev@mail.ru
2 Дефектоскопия, № 5, 2015
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — лазер; 2 — оптический аттенюатор; 3 — измеритель мощности; 4 — диафрагма; 5 — линза; 6 — металлическая пластина; 7 — ЭМА-приемник; 8 — усилитель тока;
9 — усилитель напряжения; 10 — цифровой осциллограф.
оптического аттенюатора 2, измерителя мощности лазерного излучения 3, диафрагмы 4, фокусирующей линзы 5, исследуемых образцов в виде металлических пластин 6, ЭМА-приемника волн Лэмба 7, усилителя тока 8, усилителя напряжения 9, цифрового осциллографа 10.
Нагрев поверхности образца осуществляли импульсным лазером Nd: YAG «Brilliant В» фирмы QUANTEL с модулируемой добротностью. Длина волны лазерного излучения — 1064 нм, длительность и энергия световых импульсов равны 4—6 нс и 0,85 Дж соответственно. Средняя мощность лазера при частоте следования импульсов 10 Гц составляет 8,5 Вт. Диаметр светового пучка — 9,5 мм, его расхождение — менее чем 0,7 мрад. Для регулирования мощности лазерного излучения использовали оптический аттенюатор в виде набора тонких плоскопараллельных стеклянных пластин, расположенных под небольшим углом к лучу лазера. Мощность лазерного излучения измеряли прибором ИМО-2Н. Изменение размеров ОТ-излучателя осуществляли с помощью круглых диафрагм и собирающей линзы. Образцами служили стальные пластины размерами 270^60 мм и толщиной от 0,6 до 2,5 мм.
Для регистрации возбуждаемых волн Лэмба использовали широкополосный (от 20 до 200 МГц) приемный тракт. Он состоит из последовательно соединенных ЭМА-приемника, усилителей тока, напряжения и цифрового осциллографа GDS-2202. В осциллографе осуществляли цифровое запоминание импульсов, автоматическую установку размеров их изображений, автоматическое измерение амплитудно-временных параметров с выводом результатов измерений на экран дисплея.
Конструкция ЭМА-приемника обеспечивала наиболее оптимальный прием симметричных и антисимметртных у.з. волн. Достигали это необходимой ориентацией поляризующего магнитного поля относительно образца (за счет изменения формы концентраторов полюсов постоянного магнита) и расположения индуктора ЭМА-приемника.
Амплитуда, форма, длительность и частота колебаний в электрических импульсах, наблюдаемых на экране дисплея осциллографа, считаются пропорциональными соответствующим величинам в упругих импульсах. Пределы допускаемых значений относительной погрешности измеряемых величин не превышают ±3 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Зависимость характеристик импульсов волн Лэмба от диаметра ОТ-излучателя с постоянной мощностью теплового излучения
Мощность теплового излучения ОТ-излучателя Рт связана с мощностью лазерного излучения Рх через коэффициент отражения к. Величина этого коэффициента для большинства сталей равна примерно 60 % [7]. Для нашего случая Рт = 0,4 • Р%. Лазерное излучение мощностью 7,0 Вт направляли через диафрагму с круглым отверстием на пластину толщиной 0,6 мм. В результате на ее поверхности начинает действовать ОТ-излучатель с постоянной мощностью теплового излучения Рт = 2,8 Вт. В ходе эксперимента диаметр отверстия диафрагмы, а значит и диаметр ОТ-излучателя изменяли от 1,0 до 9,0 мм с шагом 1,0 мм.
По полученным осциллограммам были определены зависимости максимальных амплитуд, формы, длительности и частоты колебаний импульсов нулевых симметричных и антисимметричных волн Лэмба от диаметра и площади ОТ-излучателя. На рис. 2 приведены графики для максимальных амплитуд. Разброс значений амплитуд может быть вызван неравномерным распределением энергии по площади ОТ-излучателя, анизотропией тепловых свойств металла, а также погрешностями при аналого-цифровом преобразовании электрического импульса, подаваемого с выхода приемного тракта на вход осциллографа.
18+ 16
- 14
Рис. 2. Зависимость максимальных 12 .. амплитуд импульсов волн Лэмба ю .; от диаметра и площади оптико- 8 .; термического излучателя: 6 '
■ — симметричные волны; х — антисимметричные волны.
и, в
0
4
2 ^ о, мм
1 23 4 567 8 9
0,79 3,10 7,10 12,6 19,6 28,3 38,5 50,3 63,6 мм2
Из результатов эксперимента видно, что с увеличением диаметра (площади) ОТ-излучателя амплитуды увеличиваются, но происходит это различным образом. Для диаметров от 1,0 до 3,5 мм (площадей от 0,8 до 10 мм2) темп роста амплитуд значительно больше, чем для диаметров от 3,5 до 9,0 мм (площадь от 10 до 65 мм2).
Исследование зависимости формы, длительности и частоты колебаний регистрируемого импульса от диаметра (площади) ОТ-излучателя показало, что до 3,0 мм (7,1 мм2) эти характеристики существенно не изменяются. Порядок величин этих характеристик можно оценить из приведенной на рис. 3а осциллограммы импульса симметричных волн Лэмба, возбуждаемых ОТ-излучате лем диаметром 1,0 мм (площадь 0,8 мм2). Из осциллограммы следует, что длительность импульса равна 3,0 мкс, средняя частота колебаний 1,5 МГц.
Дальнейшее увеличение диаметра (площади) ОТ-излучателя приводит к изменениям формы и некоторых характеристик регистрируемого импульса. Так, на рис. 36 приведена осциллограмма импульса симметричной волны Лэмба от ОТ-излучателя диаметром 9,0 мм (площадь 63,6 мм2). Видно, что произошло его разделение на два разных по форме и амплитуде импульса. Длительность разделенных импульсов одинакова и равна 2,8 мкс, а средние частоты колебаний отличаются примерно в два раза (у первого 0,7, у второго 1,3 МГц). В случае, когда по каким-либо причинам разделение
Рис. 3. Импульсы симметричных волн Лэмба, генерируемые оптико-термическим излучателем: а — О = 1,0 мм (5 = 0,8 мм2); б — О = 9,0 мм = 63,4 мм2).
у.з. импульса нежелательно, диаметр ОТ-излучателя следует выбирать не больше 3,0 мм.
Вызывает определенный интерес обнаруженная зависимость времени между максимумами разделенных импульсов от диаметра ОТ-излучателя. На рис. 4 приведен график этой зависимости для симметричных волн.
Г, мкс
1
2 3
I), ММ
9
Рис. 4. Зависимость времени между максимумами разделенных импульсов от диаметра оптико-термического излучателя.
4
5
6
7
8
Видно, что она является линейной. Если считать, что источниками разделенных импульсов являются диаметрально противоположные края ОТ-излучателя, то полученную зависимость можно использовать для измерения групповой скорости волн Лэмба. При этом длина участка изделия, на котором проводится измерение, не превышает диаметра ОТ-излучателя (лазерного пучка).
2. Зависимость характеристик импульсов волн Лэмба от мощности теплового излучения ОТ-излучателя с постоянным диаметром
Лазерный пучок мощностью Р} = 7,0 Вт и диаметром /) = 9,5 мм направляли на образец через оптический аттенюатор. В результате на поверхности металла начинает действовать ОТ-излучатель такого же диаметра. В ходе эксперимента диаметр излучателя оставляли
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.