Содержание к диссертации
Введение
1. Классификация дефектов и существующие методы их обнаружения 15
1.1 Генерация акустических волн с помощью лазера 16
1.2 Взаимодействие волн Рэлея с поверхностными дефектами 19
1.3 Способы детектирования акустических волн 21
1.4. Дефекты металла 40
1.5. Выводы 48
2. Лазерно-акустический способ определения размеров и формы поверхностных дефектов 50
2.1 Виды взаимодействия ПАВ с поверхностными дефектами 50
2.2. Исследование взаимодействия возбуждаемых лазерным излучением ПАВ с дефектами различной формы 53
2.3. Применение разработанного способа для определения размеров реальных поверхностных дефектов 64
2.4 Выводы 74
3 Обнаружение сквозных дефектов в металлических трубах и несплошностей металлических покрытий лазерно-акустическим способом 75
3.1 Обнаружение сквозных дефектов в металлических тонкостенных трубах лазерно-акустическим способом 75
3.2 Обнаружение нарушений сплошности металлических покрытий лазерно-акустическим способом 84
3.3. Выводы 96
4 Лазерно-акустический способ обнаружения подповерхностных дефектов 98
4.1. Выбор режима генерации объемных акустических волн лазерным источником 99
4.2. Взаимодействие объемных акустических волн с подповерхностными дефектами 102
4.3. Разработка лазерно-акустического способа обнаружения подповерхностных дефектов 103
4.4 Интерпретация результатов 117
4.5 Выводы 120
Заключение 122
Список основных публикаций автора 124
Библиографический список 127
- Взаимодействие волн Рэлея с поверхностными дефектами
- Исследование взаимодействия возбуждаемых лазерным излучением ПАВ с дефектами различной формы
- Обнаружение нарушений сплошности металлических покрытий лазерно-акустическим способом
- Разработка лазерно-акустического способа обнаружения подповерхностных дефектов
Взаимодействие волн Рэлея с поверхностными дефектами
Тепловое действие оптического излучения на вещество лежит в основе широкого класса оптико-акустических явлений, поскольку процесс нестационарного неоднородного нагревания среды сопровождается излучением акустической волны за счет теплового расширения среды. Однако возможность широкого практического использования оптико-акустического эффекта появилась только после создания и усовершенствования лазеров. Под действием лазерного излучения, как правило, возникают акустические колебания в материале мишени. Существует несколько механизмов возбуждения звука при воздействии лазерного излучения на среду: тепловой, испарительный, пробойный и стрикционный [9]. Тепловой механизм связан с нестационарным тепловым расширением объема среды, в которой поглотилась световая энергия. Испарительный обусловлен импульсом отдачи паров вещества при его испарении под действием лазерного излучения, пробойный – формированием сильной ударной волны при оптическом пробое (при этом плотность выделяемой энергии сравнима с внутренними давлениями в среде). Стрикционный механизм проявляется в прозрачных средах и связан с появлением механических напряжений в веществе при наличии электрического поля. Среди режимов генерации ПАВ предпочтительным является именно термоупругий режим, реализуемый в отсутствие абляции (испарения) материала и при минимальном шумовом фоне, создаваемом продольной и сдвиговой модами [10]. В поглощающих средах при достаточно малых интенсивностях лазерного излучения тепловой механизм является наиболее существенным для возбуждения ультразвука в среде, в которой поглощение энергии импульсного или амплитудно-модулированного лазерного источника вызывает нестационарное тепловое расширение объема. Необходимость импульсной или амплитудной модуляции оптического источника связана с тем обстоятельством, что нагрев образца также должен быть периодическим; при этом частота акустических колебаний будет определяться длительностью оптического импульса. Вплоть до частот 1010 Гц распространение акустической волны происходит адиабатически [11], поскольку тепловая энергия не успевает диффундировать на длину акустической волны, т.е. длина тепловой волны (/) меньше длины акустической волны, где – температуропроводность. Амплитуда акустических колебаний, возбуждаемых термически, пропорциональна интенсивности лазерного излучения, а средняя частота генерируемых акустических колебаний обратно пропорциональна длительности оптического импульса.
Таким образом, параметры акустической волны, генерируемой лазерным источником, определяются параметрами излучающего источника (геометрия пучка, зависимость излучения от времени) и физическими параметрами среды (коэффициенты поглощения света, теплового расширения и теплопроводности) [12]. Следовательно, короткий оптический импульс может являться при периодическом нагреве части поверхности источником одновременного распространения продольной и двух поперечных объемных и поверхностной акустических волн. Акустические параметры генерируемого импульса резко изменяются при лазерном облучении дефектов, что позволяет регистрировать даже наноразмерные дефекты. Термоупругое возбуждение акустических волн возникает в приповерхностном слое поглощающей среды. Поэтому в твердых телах возможна одновременная генерация объемных и поверхностных акустических волн. Существует три основных типа волн, возбуждаемых лазерными импульсами и применяемых в неразрушающем контроле [13-14]: продольные, поперечные и поверхностные. Относительная эффективность возбуждения различных типов волн (продольных, поперечных и поверхностных) определяется величиной KRa, где KR = /R – волновой вектор рэлеевской волны, а – ширина оптического пучка. При KRa 1, основная доля мощности всех трех типов волн приходится на рэлеевские волны ( 67%), 26% – поперечные и 7% – продольные объемные. С увеличением KRa доля мощности, приходящаяся на продольные объемные волны, быстро растет и становится доминирующей [15]. Поэтому для термооптического возбуждения высокочастотных ПАВ необходима острая фокусировка лазерного пучка. Это объясняется тем обстоятельством, что при тепловом расширении среды вначале возбуждается лишь продольная волна, а поперечная волна возникает при отражении от границ. Таким образом, для возбуждения интенсивного и короткого импульса ПАВ необходимо использовать короткие лазерные импульсы, лазерный пучок в виде узкой полосы, перпендикулярный направлению распространения рэлеевской волны, а также достаточно большое поверхностное поглощение света, т.е. толщина поглощающего слоя должна быть меньше длины рэлеевской волны.
Особенностью лазерного возбуждения, полезной при контроле изделий сложной формы, является постоянство диаграммы направленности излучаемых волн при значительном отклонении угла падения лазерного пучка от нормали к поверхности ОК. Лазерные источники даже при падении пучка под острыми углами к поверхности излучают ультразвуковые волны перпендикулярно к ней. Кроме того, лазерная генерация акустических волн имеют ряд преимуществ перед традиционными (пьезоэлектрическими и электромагнитно акустическими), включая отсутствие контакта со средой, возможность легкого изменения геометрических параметров акустической антенны, диагностики объектов, движущихся с любой скоростью [16]. Оптическая сканирующая система может быть расположена на расстоянии 1–2 м от ОК.
Взаимодействие волн Рэлея с поверхностными дефектами Взаимодействие волны Рэлея с поверхностными неровностями, такими, например, как прямоугольные вырезы, является темой многих экспериментальных и теоретических изысканий [5, 17-21]. Генерируя импульсы Рэлея короткой длительности, можно обнаружить все компоненты волны в отраженной области на расстоянии нескольких миллиметров от выреза. Здесь содержится два отраженных импульса волны Рэлея. Первый импульс – это отражение от верхнего прямого угла выреза. Природа второго импульса, не столь очевидна и является темой некоторых обсуждений.
Чтобы развеять любые сомнения относительно второго импульса, необходимо детальное сравнение с теоретической моделью той же самой конфигурации рассеивания. Так как рассеивание находится в режиме средних частот, где размеры щели имеют величину порядка длины волны, то числовые методы, в частности, методы конечных разностей, лучше всего удовлетворяют решению проблемы. Использование векторных графиков и модели рассеивания рэлеевской волны для получения двух вертикальных смещений поля рассеяния на поверхности показывает изменение во времени поля рассеяния рядом с вырезами. Результаты подтверждают, что второй импульс – это волна Рэлея, и она была возбуждена искривленным сдвинутым волновым фронтом, берущим свое начало со стороны 2700 от угла выреза.
Исследование взаимодействия возбуждаемых лазерным излучением ПАВ с дефектами различной формы
Для обнаружения различного рода поверхностных дефектов ультразвуковыми методами контроля широко применяются такие эффекты взаимодействия акустических волн с препятствием на пути распространения, как отражение от него и прохождение с его огибанием. Характер взаимодействия зависит от соотношения длины акустической волны и глубины дефекта. Если оба параметра соизмеримы друг с другом, то акустическая волна разделяется на отраженную и прошедшую. Чем больше глубина дефекта, тем больше доля отраженной волны [66]. Известен способ определения глубины дефекта на основе анализа затухания амплитуды отраженной от него ПАВ [67]. Данный способ имеет немалую погрешность, так как помимо глубины дефекта, на затухание амплитуды ПАВ могут повлиять другие факторы, такие как шероховатость поверхности, качество акустического контакта детектора акустического волн с исследуемой поверхностью и т.п. Необходимо отметить, что отраженная волна не несет в себе информацию о форме дефекта, ширине раскрытия. Кроме того, способы, основанные на отражении ультразвука от дефекта, пригодны для обнаружения крупных дефектов, размеры которых превышают длину возбуждаемых в объекте контроля (ОК) акустических волн. В большинстве случаев эксплуатация оборудования с наличием подобного рода дефектов связана с повышенным риском. Поэтому актуальной являются разработка способов контроля, позволяющих обнаружить дефект и определить его размеры на ранней стадии развития, чтобы оценить остаточный ресурс конкретного ОК и степень риска его эксплуатации, и устранить дефект до того, как он станет причиной аварии, выхода из строя оборудования и т.п.
Если длина волны ПАВ больше, чем глубина дефекта, то происходит его огибание, т.е. эффект прохождения. В отличие от отраженной, волна, огибающая дефект по его периметру, более информативна. В этом случае наблюдается рост длины акустического хода ПАВ относительно бездефектной области. Данную особенность можно рассматривать как факт наличия поверхностного дефекта в области контроля (между источником акустической волны и ее приемником). Кроме того, разница в длине акустического хода равна периметру огибаемого дефекта, который складывается из длин его стенок и дна, при этом наблюдается пропорциональное увеличение времени распространения акустического сигнала от области генерации до детектора [А1, А7, А11, А14].
Так как в качестве объекта исследования в данной работе выступают дефекты, имеющие размеры порядка нескольких десятков–сотен микрометров, то для эффективного применения способа на основе прохождения необходимо генерировать ПАВ с длиной волны немного большей, чем дефект. Если возбуждать ПАВ с длиной волны, значительно превышающей глубину дефекта, то ее чувствительность к зарождающимся дефектам будет падать. Короткие импульсы лазерного излучения позволяют возбуждать в ОК поверхностные акустические волны, взаимодействие которых с подобными дефектами эффективно применяется не только для их обнаружения, но и измерения их параметров [67].
На рис. 2.1 представлена структурная схема устройства лазерно-акустического контроля, разработанного ранее А.А. Хасановым [5], а на рис. 2.2 – его общий вид. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в наладке и испытаниях этого устройства. Оно же, как удовлетворяющее сформулированным выше требованиям, использовалось в качестве инструмента при разработке и апробации всех способов контроля, описанных в данной диссертационной работе.
Основным элементом устройства лазерно-акустического контроля является импульсный лазер (2) на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG-лазер) с длиной волны 1064 нм. С помощью оптической системы, состоящей из коллиматора (6) и цилиндрической линзы (9), лазерный пучок фокусировался на поверхности объекта контроля (11) в виде тонкой полоски шириной 0,1 мм. Длина полоски варьировалась от 0,35 мм до 10 мм с помощью наложения соответствующей маски между линзой и ОК. Детектирование возбуждаемых ультразвуковых волн осуществлялось пьезоэлектрическим преобразователем (10), сигнал с которого подавался на цифровой осциллограф (3) через усилитель высоких частот (8). Чтобы лазерное излучение не оказывало разрушительное воздействие на поверхность ОК, его интенсивность понижалась с помощью светофильтра (4).
Попадание лазерного пучка в область дефекта сопровождалось изменением амплитуды и времени прихода акустического импульса ПАВ. Так как на амплитуду акустического сигнала, детектируемого с помощью ПЭП, влияет также шероховатость исследуемой поверхности и качество акустического контакта ПЭП с поверхностью, то для обнаружения и определения размеров дефектов применялся главным образом анализ времени распространения ПАВ от области генерации до дефекта, на котором основан временной теневой способ лазерно-акустического контроля [А1, А7, А11, А14].
Обнаружение нарушений сплошности металлических покрытий лазерно-акустическим способом
С учетом реальных значений приведенные выше неравенства и сопротивления их с толщинами исследуемых металлических пленок h\ и диэлектрических подложек h2 можно сделать следующие выводы.
При воздействии лазерного импульса на тонкий слой поверхности пленки первично возникает распространение тепловой волны вглубь пленки. В зависимости от толщины пленки hi тепловая волна будет либо не достигать поверхности подложки при условии hi ідиф, либо воздействовать на нее при hi 4диф во время действия лазерного импульса. При этом надо учитывать также затухание тепловой волны в металле, пропорциональное exp (2f/)12, где f - частота, следовательно, затухание тепловой волны будет возрастать с частотой, и при широком частотном спектре тепловых волн границы пленка-подложка будут достигать в лучшем случае только низкочастотные гармоники. Температурное поле на границе пленка-подложка с учетом теплопроводности металлической пленки и коэффициента диффузии теплового потока в подложку можно определить путем решения известных одномерных уравнений теплопроводности [78], используя простейшую схему процесса лазерного возбуждения (рис. 3.11) для двух сред:
Таким образом, при выполнении условия h dдиф в выражении будет преобладать только первый член в скобках, и возбуждение акустических волн будет происходить на всех частотах с одинаковой эффективностью, а профиль возбуждаемого акустического импульса будет соответствовать огибающей лазерного импульса.
Во втором случае при условии h dдиф металлическая пленка может нагреваться за время короче tдиф, часть тепла может передаваться подложке и в выражении (3.8) необходимо учитывать и второй член в скобках. Однако в обоих случаях первичным акустическим процессом является генерация акустических волн нагретой поверхностью металлической пленки. К таким волнам относятся: объемные волны, распространяющиеся вглубь пленки перпендикулярно ее поверхности, и поверхностная акустическая волна, распространяющаяся вдоль поверхности в обоих направлениях от источника лазерного облучения. Акустический импульс, достигший границы пленка подложка, может стать источником новых акустических волн, распространяющихся как вглубь подложки, так и за счет отражения от границы снова к свободной границе пленки. Следовательно, вдоль свободной поверхности пленки будет последовательно распространяться целый цуг поверхностных и объемных акустических волн, которые в процессе распространения будут в той или иной мере взаимодействовать с дефектом. Процессы взаимодействия этих волн с дефектами будут проявляться на акустическом детекторе.
Распространение акустических волн в тонких пленках также имеет ряд особенностей, отличных от распространения ПАВ вдоль свободных поверхностей объемных твердых тел. Особая сложность возникает в том случае, когда тонкая пленка имеет контакт с твердым полупространством. К таким структурам относятся пленки, нанесенные на диэлектрическую подложку. Следует подчеркнуть, что к тонким пленкам относятся твердые среды с толщиной, много меньшей длины акустической волны. В этом случае помимо волн с вертикальной поляризацией (например, волны Рэлея) на границе пленки и твердого полупространства могут также распространяться поперечные волны с горизонтальной поляризацией – волны Лява (рис. 3.12), причем смещения в пленке (1) и в объеме (2) имеют вид: cos м2 = exp(52z)sin( -b:), щ = T COS si (A -z) sm( - b) (3 9) где s =л\к2 -к2, s =Jk2-k2 , - волновое число волны Лява к. X 1 V 1 2 V 2 h, 2 волновые числа поперечных волн в пленке и твердом полупространстве
В принципе волны Лэмба характерны для распространения в твердой пластине со свободными границами и представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе [81]. Однако их в определенной степени можно отнести и к возникновению в упругом волноводе, состоящем из пленки, напыленной на подложку [82]. В симметричных волнах Лэмба движение частиц среды происходит симметрично относительно средней плоскости z=0 (рис. 3.13) и по оси х имеют одинаковые знаки, а смещение вдоль оси z – противоположные знаки.
Разработка лазерно-акустического способа обнаружения подповерхностных дефектов
Нередко в качестве подповерхностных дефектов на практике встречаются поры, подкорковые пузыри – полости, заполненные газом [97, 98]. В отличие от сквозных дефектов, при обнаружении которых было достаточно определить их координату по одной оси вдоль направления сканирования лазерным пучком, местоположение поры под поверхностью описывается также координатой по оси, перпендикулярной направлению сканирования. Выше было показано, что при исследовании ОК с глухим отверстием аномальное изменение амплитуды сигнала ПАВ наблюдалось только при попадании дефектной области в зону контроля, ширина которой определялась длиной полоски лазерного пучка, сфокусированного на поверхности ОК. Таким образом, сканирование поверхности ОК с последовательным перемещением зоны контроля по оси, перпендикулярной направлению сканирования, позволит определить координаты поры не только по одной оси, но и на плоскости. В качестве искусственной несплошности, имитирующей пору, в образце в виде бруска из алюминиевого сплава Д16АТ с размерами 1001010 мм было просверлено глухое отверстие диаметром 2 мм на глубину, составляющую примерно 2/3 толщины образца (6,5 мм). Относительно поверхности сканирования ось отверстия располагалась параллельно и находилась на расстоянии 2 мм, т.е. глубина его залегания составляла 1 мм. В отверстие на глубину, составляющую примерно 1/3 толщины образца (3,5 мм), был плотно вставлен (запрессован) цилиндр, изготовленный из того же материала (предполагается, что величина зазора между цилиндром и стенками отверстия намного меньше длины ак). Таким образом, в объеме ОК образовалась полость в виде цилиндра диаметром 2 мм и длиной 3 мм (рис. 4.15).
Лазерный пучок, возбуждающий акустические волны, был сфокусирован на поверхности ОК в тонкую полоску длиной 3 мм. Сканирование поверхности ОК осуществлялось в три этапа. На первом этапе сканирования (область I на рис. 4.15) зона контроля по ширине покрывала область над цилиндром, вставленным в отверстие. При прохождении над ним лазерного пучка наблюдалось небольшое изменение амплитуды сигнала ПАВ, что может свидетельствовать о наличии мелкого дефекта или зарождении трещины, в качестве которой в данном случае выступает тонкая граница раздела между металлическим бруском и вставленным в него цилиндром. На втором этапе (область II на рис. 4.15) зона контроля была смещена вниз и охватывала область залегания полости, имитирующей пору, при этом наблюдалось аномальное изменение амплитуды сигнала ПАВ при прохождении лазерного пучка над осью цилиндрической полости, как и в предыдущих случаях. На третьем этапе сканирования зона контроля находилась над бездефектной областью, и зависимость амплитуды сигнала ПАВ от расстояния между лазерным пучком и ПЭП имела монотонно убывающий характер. Таким образом, было определено местоположение и условные границы залегания скрытой подповерхностной полости внутри объема ОК.
Необходимо отметить, что реальные подповерхностные дефекты могут быть расположены также под углом относительно направления сканирования лазерным пучком. Поэтому немаловажным было рассмотреть случай с искусственным дефектом, имеющим произвольную ориентацию и экспериментально подтвердить возможность его обнаружения тем же способом. Для этого был исследован образец со сквозным отверстием диаметром 2 мм, ось которого расположена под углом 25 относительно поверхности образца, а глубина залегания 1 мм (рис. 4.16). В результате сканирования поверхности образца над данным дефектом была получена зависимость U = f (L), представленная на рис. 4.17.
График зависимости U = f (L), изображенной на рис. 4.17, имеет характерные признаки наличия скрытого подповерхностного дефекта, а именно повышение амплитуды с последующим ее резким спадом. Максимум амплитуды сигнала ПАВ соответствует центру дефекта (в данном случае оси отверстия), расположенному на расстоянии 10 мм от ПЭП.
Взаимодействие коротких лазерных импульсов с облучаемой средой характеризуется несколькими пространственно-временными процессами: глубиной проникновения оптического излучения в материал dопт (для металлов dопт не превышает 10-5 мм); длительностью лазерных импульсов л, которая определяет полосу длин акустических волн, генерируемых лазером ак; глубиной тепловой диффузии за время действия лазерного импульса (для металлов dдиф 10-4 – 10-2 мм, где – коэффициент температуропроводности; глубиной распространения поверхностных акустических волн вовнутрь материала [76].
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 л 10-8 c и, следовательно, с ПАВ 100 мкм.
Однако методика обнаружения поверхностных дефектов мало пригодна для обнаружения дефектов, залегающих на глубинах, больших, чем ПАВ, dдиф, dопт. Выше был предложен способ регистрации акустических импульсов объемных волн, трансформировавшихся на дефекте. Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия возбуждаемых лазерным излучением акустических волн с дефектом в виде полого цилиндра с осью симметрии, параллельной поверхности металлического образца (рис. 4.18).
В этом случае будут генерироваться ПАВ (волна Рэлея) и ОАВ, в том числе распространяющиеся перпендикулярно поверхности вглубь ОК. 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 ввода, трансформироваться в ПАВ (рис. 4.18, а). В зависимости от положения сканирующего лазерного пучка относительно дефекта импульсы трансформировавшихся волн будут взаимодействовать с первичными импульсами ПАВ, складываясь с ними.