CN102866144B

CN102866144B - 固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法

Info

Publication number: CN102866144B
Application number: CN201110185407.2A
Authority: CN
Inventors: 沈中华; 倪辰荫; 董利明; 李加; 倪晓武
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: CN102866144A

Abstract

本发明公开了一种固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，在扫查光源的每步扫查过程中，通过检测激发光源激发的声表面波信号在激光加热以及冷却两种情况下的变化，以实现微裂纹的检测。具体来说，在使用扫描激光源法在样品表面进行扫查时，在每步扫查中，通过分别观察接收点在加热和冷却的情况下所接收到的由激发源所激发的声表面波信号来检测裂纹的存在，然后通过移动激发、加热以及检测源，以实现待测样品表面的二维扫查。本发明不仅提高了对疲劳裂纹的检测灵敏度，理论上可以检测纳米量级的裂纹，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测。

Description

固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法

技术领域

本发明属于对固体中的疲劳裂纹进行无损诊断的技术，特别是一种针对微小疲劳裂纹的无损检测方法。

背景技术

在材料表面积聚的应力往往会使材料表面形成极为微小的表面裂纹或亚表面裂纹，其宽度可小至微米量级。这些隐藏在材料和结构件表面或亚表面的极为微小的裂纹在应力或环境(或两者同时)作用下，会继续生长，使工件的机械性能明显变差，而若裂纹沿工件的厚度较薄的方向扩展到一定程度，则会造成工件的断裂。同时又因其尺寸微小，通常又比可见裂纹更具隐蔽性和危险性。因此，为了实现对材料结构安全性的预警，所使用的无损检测方法必须具有可以检出此类裂纹的检测能力。

现有的利用激光超声对微小表面裂纹进行无损检测的方法是基于传统的扫描激光源法得到裂纹的信息的，如文献1[Patent USA No.6128092, Method and system for high resolution ultrasonic imaging of small defects or anomalies]。这种方法主要利用的还是激发光源在样品表面扫查时，所激发的声表面波由于表面裂纹的出现而发生改变。该方法虽然在后期检测中使用了合成孔径聚焦技术(SAFT)，对于裂纹的分辨能力有一定的提高，但是由于这种方法还是依赖于超声在裂纹区域的反射和干涉增强，因此当裂纹开口极小，通常在微米到十微米的量级，这种方法的检测能力会大大降低。

利用非线性的激光超声方法也能对微小裂纹进行检测，如文献2[Patent US No.5736642, Nonlinear ultrasonic scanning to detect material defects]。文中使用传统的声学方法在裂纹区域激发已知频率的超声，由于超声与裂纹的非线性作用，在接收端可接收到多种频率的超声波。这种方法对微小裂纹有很好的检测能力，但是由于其使用的传统的接触式超声激发与接收方法，故不能实现大面积的扫查和恶劣环境作业。

综合以上原因，开发一种精确检测固体材料中疲劳裂纹，特别是开口微小甚至闭合的疲劳裂纹的高可靠性非接触无损检测技术是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对固体材料表面的微小疲劳裂纹的无损检测方法，这种方法结合了线性与非线性光声裂纹检测的优点，理论上可以检测开口宽度在微米量级的裂纹，并且可进行样品表面的大范围扫查，实现样品表面的二维光声成像。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，在使用扫描激光源法在样品表面进行扫查时，在每步扫查中，通过分别观察接收点在加热和冷却的情况下所接收到的由激发源所激发的声表面波信号来检测裂纹的存在，然后通过移动激发、加热以及检测源，以实现待测样品表面的二维扫查。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）利用脉冲激光点源激发声表面波，不仅增大了频率范围，因此提高探测材料疲劳裂纹裂纹的空间分辨率，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；

（2）所考虑和利用由光热调制引起的裂纹变化来实现裂纹的检测，观测的是裂纹的改变量，而非裂纹本身对声表面波的影响。使用这一方法，只有在裂纹区域才会有明显的信号产生，因此可以更容易的将目标信号与背景噪声分离；

（3）同时利用了裂纹区域的激光激发超声波的线性性质和非线性性质作为检测依据。而目前激光超声用于裂纹检测的报道只涉及利用激光超声的线性性质和非线性性质中的一种作为检测依据；

（4）本发明设计和研制的利用光热调制的声表面波进行疲劳微裂纹的全光学非接触式的检测装置，可实现多种扫查方式，如激发、探测光固定，加热光扫查；或探测光固定，激发、加热光同步扫查等。这些不同的扫查方式的组合为不同的实际应用环境提供了有效的解决方案。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是探测点固定，激发光源（脉冲激光器1）、与加热光源（连续激光器2）一起移动扫查以实现加热、声表面波激发和探测的检测系统示意图。

图2是固定激发光源和探测点，移动加热光源实现扫查的检测系统示意图。

图3是在含有疲劳裂纹的Ti-6Al-4V样品上，使用第二种方法在一个扫查周期所得到的的峰峰值随扫查光源位置变化的曲线，X轴代表声表面波从激发点传至探测点所用的时间，Y轴为的峰峰值。

具体实施方式

本发明固体材料中表面疲劳裂纹的无损检测方法，在使用扫描激光源法在样品表面进行扫查时，在每步扫查中，通过分别观察接收点在加热和冷却的情况下所接收到的由激发源所激发的声表面波信号来检测裂纹的存在，然后通过移动激发源、加热源以及检测源，以实现待测样品表面的二维扫查。可将激发光和加热光一同作为扫查光源，或者固定激发光，将加热光作为扫查光源。

具体实施方式如下：

在扫查光源的每步扫查过程中，通过检测激发光源激发的声表面波信号在激光加热以及冷却两种情况下的变化，以实现微裂纹的检测。具体来说，在使用扫描激光源法在样品表面进行扫查时，在每步扫查中，通过分别观察接收点在加热和冷却的情况下所接收到的由激发源所激发的声表面波信号来检测裂纹的存在，然后通过移动激发、加热以及检测源，以实现待测样品表面的二维扫查。

具体步骤如下：

第一步，在关闭加热激光的条件下，记录激发光源在样品表面固定一点激发并传播至接收点的声表面波信号，记为Sigcool；

第二步，在开启加热激光的条件下，记录激发光源在样品表面固定一点激发并传播至接收点的声表面波信号，记为Sigheat；

第三步，对所获取的两声表面波信号数据进行处理，即将两信号幅值相减，得到该位置激光激发声表面波的振幅差值δSig,1，

第四步，重复加热、冷却步骤n次，得到δSig,n，再将所得声表面波振幅差值平均，即，记录该点的峰峰值；

第五步，扫查光源向前移动一定的距离，重复以上四步，实现光源在固体材料样品表面的扫查，扫查完需检查的表面作为一个扫查周期；

第六步，在一个扫查周期结束后，将各点得到的峰峰值与对应扫查点的位置绘入一幅曲线，通过观察幅值的变化即可检测材料中是否存在微小的疲劳裂纹；

第七步，同时沿扫查路径垂直方向移动所有光源，进行第二个周期的扫查，从而实现样品表面的二维扫描光声成像。

其中，第一、二步中探测关闭和开启加热激光的条件下，激发光激发的声表面波信号的方法分为两种，其中第一种方法针对如铝等热导率较小的材料，如图1所示，具体为：

首先设计检测装置，该检测装置包含脉冲激光器1、连续激光器2、信号发生器3、球面透镜4、高精度干涉测试系统5、固体材料样品6、多通道模数转换设备7和计算机10；将脉冲激光器发出的短脉冲激光，通过球面透镜把激光聚焦成点光源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；将计算机、信号发生器与连续激光器顺序连接，以实现用计算机控制连续激光器的运行与停止；

其次，在激发光源的每步扫查过程中首先关闭加热激光，等待t秒后通过记录高精度干涉测试系统接收到的声表面波信号，记为Sigcool；随后打开加热激光，等待t秒后通过记录高精度干涉测试系统接收到的声表面波信号，记为Sigheat；

而对于钛等热导率较低的材料，第一、二步相应改变，检测装置如图1所示，具体为：

首先设计检测装置，该检测装置包含脉冲激光器1、大功率脉冲激光器2、数字脉冲延时发生器、球面透镜、高精度干涉测试系统、固体材料样品、多通道模数转换设备和计算机；

其次，开启大功率脉冲激光作为加热光源，在激发光源的每步扫查过程中，分别记录大功率脉冲激光触发后延时t1(t1<500ms)与t2(t2<t1+500ms)的声表面波信号，分别记为Sigheat和Sigcool 。

下面进一步说明检测装置的使用。

对于铝等热导率较高的固体材料（一般来说，热导率 W/mK），使用如下描述的检测装置：

该检测装置包含脉冲激光器1、连续激光器2、信号发生器3、球面透镜4、高精度干涉测试系统5、固体材料样品6、多通道模数转换设备7、数字延时器8、两台步进电机9和计算机10；将脉冲激光器1与数字延时相连后接入计算机，以实现在一个时间延时后触发脉冲激光，脉冲激光器发1出的短脉冲激光，通过球面透镜把激光聚焦成点光源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，连续激光器2与信号发生器连接，其发出的激光经过球面镜聚焦后入射于样品表面作为加热光光源，信号发生器与计算机连接，以实现自动控制加热光的调制；扫查光源通过安放在电控平移台上的反射镜折转后入射于样品之上，电控平移台下的步进电机与计算机相连，以实现自动控制电控平移台上反射镜的移动从而实现扫查光源的移动；固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；探测端的高精度干涉测试系统可以检测出该声表面波信号，并将其输入多通道模数转换设备以显示波形，最终读入电脑以记录数据；检测样品放置在一个平移台上，通过计算机控制平移台的步进电机，使样品沿扫查光源的扫查路径垂直的方向移动，以进行第二个周期的扫查。

对于铝等热导率较高的固体材料（一般来说，热导率 W/mK），使用权利要求4中所述的检测装置，所述第一、二步中探测关闭和开启加热激光的条件下，激发光激发的声表面波信号的方法为：在激发光源的每步扫查过程中首先关闭加热激光，等待t（t >1）秒后通过记录高精度干涉测试系统接收到的声表面波信号记为Sig_cool；随后打开加热激光，等待t（t >1）秒后通过记录高精度干涉测试系统接收到的声表面波信号记为Sig_heat。

对于钛等热导率较低的固体材料（一般来说，热导率 W/mK），使用如下描述的检测装置：该检测装置包含脉冲激光器1、大功率脉冲激光器2、球面透镜、高精度干涉测试系统、固体材料样品、多通道模数转换设备、数字延时器、两台步进电机和计算机；将脉冲激光器与数字延时相连后接入计算机，以实现在一个时间延时后触发脉冲激光，脉冲激光器发出的短脉冲激光，通过球面透镜把激光聚焦成点光源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，大功率脉冲激光器发出的激光经过球面镜聚焦后入射于样品表面作为加热光光源；扫查光源通过安放在电控平移台上的反射镜折转后入射于样品之上，电控平移台下的步进电机与电脑相连，以实现自动控制电控平移台上反射镜的移动从而实现扫查光源的移动；固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；探测端的高精度干涉测试系统可以检测出该声表面波信号，并将其输入多通道模数转换设备以显示波形，最终读入计算机以记录数据；检测样品放置在一个平移台上，通过计算机控制平移台的步进电机，可以使样品沿扫查光源的扫查路径垂直的方向移动，以进行第二个周期的扫查。

对于钛等热导率较低的固体材料（一般来说，热导率 W/mK），使用权利要求6中描述的检测装置，第一、二步中探测关闭和开启加热激光的条件下，激发光激发的声表面波信号的方法为：开启大功率脉冲激光作为加热光源，在激发光源的每步扫查过程中，分别记录大功率脉冲激光触发后延时t ₁(t₁<500ms)与t ₂(t2<t1+500ms)的声表面波信号，分别记为Sig_heat和Sig_cool。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

以第二种探测钛等热导率较低的材料的声表面波信号的方法为例，激发激光由一台波长为1064nm，脉宽1ns，重复频率100Hz的Nd:YAG激光器提供，经安放在精密电控平移台上的棱镜和球面镜折转聚焦后，入射与样品表面，入射样品表面光斑直径为40μm。激发的入射能量被控制在确保在样品表面以热弹机制激发超声的范围内。加热激光由一台经过调制的连续激光器提供，激光波长为532nm，聚焦在样品表面光斑直径为400μm，调制最大功率约为0.1W，位置与激发激光的光斑重合。本实验中所使用的待检样品为一块Ti-6Al-4V金属样品，其中含有一道疲劳裂纹。

图3给出了使用本发明报道的方法，在该钛合金样品表面扫查检测所得的结果。其中，X轴代表声表面波传播的时间，Y轴代表扫查光源的扫查步数（扫查步长为0.01mm），Z轴代表信号的峰峰值。从图中可以看出，当扫查光源处于扫查的初始位置和结束位置阶段，所得的信号的峰峰值非常平稳，而在扫查到第十步左右，信号的峰峰值有一个非常明显的峰值，说明此处存在一条裂纹。由这组结果可以证明该发明所提出的固体表面疲劳裂纹的激光超声无损检测方法可以对该样品上所含的裂纹进行检测。

Claims

1.一种固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，其特征在于：在使用扫描激光源法在样品表面进行扫查时，在每步扫查中，通过分别观察接收点在加热和冷却的情况下所接收到的由激发源所激发的声表面波信号来检测裂纹的存在，然后通过移动激发源、加热源以及检测源，以实现待测样品表面的二维扫查；

在扫查激发源和加热源的每步扫查过程中，

第一步，在关闭加热激光的条件下，记录激发光源在样品表面固定一点激发并传播至接收点的声表面波信号，记为Sig_cool；

第二步，在开启加热激光的条件下，记录激发源在样品表面固定一点激发并传播至接收点的声表面波信号，记为Sig_heat；

第三步，对所获取的两组声表面波信号数据进行处理，即将两信号幅值相减，得到该扫查位置激光激发声表面波的振幅差值δ_Sig,1；

第四步，重复第一步至第三步n次，得到第n次扫查位置激光激发声表面波的振幅差值δ_Sig,n，再将所得声表面波振幅差值平均，即记录在该扫查位置δ_sig的峰峰值；

第五步，扫查光源移动一个扫查步长，重复以上四步，实现光源在固体材料样品表面的扫查，扫查完需检查的表面作为一个扫查周期；

第六步，在一个扫查周期结束后，将各点得到的δ_sig峰峰值与对应扫查点的位置绘入一幅曲线，通过观察δ_sig幅值的变化即可检测材料中是否存在微小的疲劳裂纹；

2.根据权利要求1所述的固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，其特征在于：将激发光和加热光一同作为扫查光源，或者固定激发光，将加热光作为扫查光源。

3.根据权利要求1所述的固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，其特征在于对于热导率较高的固体材料，使用如下描述的检测装置：该检测装置包含脉冲激光器[1]、连续激光器[2]、信号发生器[3]、球面透镜[4]、双波长分光镜[12]、高精度干涉测试系统[5]、固体材料样品[6]、多通道模数转换设备[7]、数字延时器[8]、两台步进电机[9]和计算机[10]；将脉冲激光器[1]与数字延时相连后接入计算机，以实现在一个时间延时后触发脉冲激光，脉冲激光器[1]发出的短脉冲激光，通过球面透镜[4]把激光聚焦成点光源辐照在固体材料样品[6]表面，作为固体材料样品[6]的声表面波的激发源，连续激光器[2]与信号发生器[3]连接，其发出的激光经过球面透镜聚焦后入射于样品[6]表面作为加热光光源，信号发生器[3]与计算机[10]连接，以实现自动控制加热光的调制；扫查光源通过安放在电控平移台上的反射镜折转后入射于固体材料样品[6]之上，电控平移台下的步进电机[9]与计算机[10]相连，以实现自动控制电控平移台上反射镜的移动从而实现扫查光源的移动；固体材料吸收脉冲激光能量后，在固体材料样品[6]表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波沿表面传播；探测端的高精度干涉测试系统[5]可以检测出该声表面波信号，并将其输入多通道模数转换设备[7]以显示波形，最终读入计算机[10]以记录数据；固体材料样品[6]放置在一个平移台上，通过计算机[10]控制平移台的步进电机[9]，使样品沿扫查光源的扫查路径垂直的方向移动，以进行第二个周期的扫查。

4.根据权利要求1或3所述的固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，其特征在于对于热导率较高的固体材料，使用权利要求3中所述的检测装置，所述第一、二步中探测关闭和开启加热激光的条件下，激发光激发的声表面波信号的方法为：

在激发光源的每步扫查过程中首先关闭加热激光，等待t秒后通过记录高精度干涉测试系统[5]接收到的声表面波信号记为Sig_cool,t>1；随后打开加热激光，等待t秒后通过记录高精度干涉测试系统接收到的声表面波信号记为Sig_heat,t>1。

5.根据权利要求1所述的固体材料表面疲劳裂纹的无损检测方法，其特征在于对于热导率较低的固体材料，使用如下描述的检测装置：该检测装置包含脉冲激光器[1]、大功率脉冲激光器[11]、信号发生器[3]、球面透镜[4]、高精度干涉测试系统[5]、固体材料样品[6]、多通道模数转换设备[7]、数字延时器[8]、两台步进电机[9]和计算机[10]；将脉冲激光器[1]与数字延时器[8]相连后接入计算机[10]，以实现在一个时间延时后触发脉冲激光，脉冲激光器[1]发出的短脉冲激光，通过球面透镜[4]把激光聚焦成点光源辐照在固体材料样品[6]表面，作为固体材料样品[6]的声表面波的激发源，大功率脉冲激光器[11]发出的激光经过球面透镜聚焦后入射于样品[6]表面作为加热光光源；扫查光源通过安放在电控平移台上的反射镜折转后入射于样品[6]之上，电控平移台下的步进电机[9]与计算机[10]相连，以实现自动控制电控平移台上反射镜的移动从而实现扫查光源的移动；固体材料吸收脉冲激光能量后，在固体材料样品[6]表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波沿表面传播；探测端的高精度干涉测试系统[5]可以检测出该声表面波信号，并将其输入多通道模数转换设备[7]以显示波形，最终读入计算机[10]以记录数据；固体材料样品[6]放置在一个平移台上，通过计算机[10]控制平移台的步进电机[9]，可以使固体材料样品[6]沿扫查光源的扫查路径垂直的方向移动，以进行第二个周期的扫查。