光熱調制裂紋閉合的激光超聲實時監測

　　裂紋是固體材料的一種常見缺陷，其出現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、探測距離遠等優點，近年來被廣泛的應用在制造業。非線性光聲裂紋檢測技術不僅具有激光超聲技術的優勢，還可突破傳統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閉合狀態時透、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，獲得了光熱調制載荷下裂紋閉合的動態過程和形貌結構的實時變化，為系統解釋光熱調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制輔助的激光超聲無損檢測技術的進一步發展。

　　該課題組建立了一套結合光熱調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，實現對裂紋閉合、張開過程的實時監測。其中實驗樣品為數塊含有開口裂紋的黑玻璃。

　　圖1. 結合光熱調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狀態，“on"代表開啟，“off"代表關閉;Laser Heating代表加熱光的工作狀態，“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。

　　從多次實驗結果中總結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，結合在裂紋處原子力顯微鏡掃描觀測結果，如圖2.對產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掃描觀測結果

　　圖3 實驗結果之一。(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測結果;(b)裂紋在不同功率加熱及自然冷卻時模式轉換聲信號的實時監測結果。

　　結果表明，實時激光超聲監測不僅可以直觀地觀測到裂紋受熱閉合的動態過程，還可觀察到很多在準靜態實驗中無法看到的現象，這些現象可反映裂紋在受熱閉合時裂紋壁形貌結構的變化細節。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生了斷裂。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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