Разработка методов неразрушающей ультразвукокой дефектоскопии посредством лазерной генерации объемных и поверхностных акустических волн

УДК 681.7

РАЗРАБОТКА МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПОСРЕДСТВОМ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ОБЪЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Р.И. КАЛИМУЛЛИН, С. А. МИГАЧЕВ, А.А. ХАСАНОВ Казанский государственный энергетический университет

Рассмотрено распространение акустических волн в алюминиевом образце с искусственно нанесенным дефектом. Проведен сравнительный анализ затухания объемных и поверхностных волн в чистом материале и в образце с дефектом. Предложен новый метод определения дефектов по характеру изменения амплитуды акустических волн.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, объемные волны, поверхностные акустические волны, дифракция волн на дефекте.

Введение

В наши дни необходимость бесконтактного контроля качества приповерхностных слоев и пленочных покрытий металлических или диэлектрических изделий электронной техники, электротехники и энергетики приобретает все большую актуальность. Это в полной мере относится и к контролю приповерхностных слоев однородных материалов, свойства которых стремятся изменить для повышения качественных характеристик. Задачи бесконтактного контроля с каждым годом усложняются в связи с переходом в микро- и наноразмерные диапазоны, усложняются и структуры покрытий: металл на диэлектрике, диэлектрики на металле, поверхностные слои (металл на металле, диэлектрик на диэлектрике), отличающиеся своими характеристиками от основного

—3 —2

материала. Сложная конфигурация и малая толщина покрытий (10^-10"* мкм) затрудняют применение традиционных методов неразрушающего контроля. Прикладная ценность оптоакустического метода состоит в том, что оптически возбуждаемые акустические импульсы могут быть использованы как для определения параметров поглощающей среды (например, коэффициентов теплового расширения, теплопроводности и др.), так и для исследования неоднородностей в твердом теле и на его поверхности. Перечисленные возможности импульсной лазерной оптоакустики позволили активно использовать этот метод в дефектоскопии, микроскопии и томографии образцов.

С середины 1960-х годов начались исследования по генерации объемных, а затем и поверхностных акустических волн с помощью импульсного или амплитудно-модулированного лазерного облучения, основанные на регистрации ультразвуковых или тепловых волн, обусловленных оптотермическим эффектом, т.е. возникновением градиентов температур в области воздействия оптического излучения за счет частичного поглощения энергии оптического пучка. В конечном итоге оптотермический эффект приводит к генерации продольных и поперечных волн.

На поверхности твердого тела могут распространяться акустические волны и более сложной структуры. Одной из разновидностей таких акустических волн являются поверхностные акустические волны (ПАВ) и, в частности, волны Рэлея. В простом случае изотропного твердого тела эта волна содержит продольную и поперечную компоненты, сдвинутые по фазе на я/2 и лежащие в плоскости,

© Р.И. Калимуллин, С.А. Мигачев, А.А. Хасанов Проблемы энергетики, 2010, № 9-10

определяемой волновым вектором и нормалью к поверхности. Таким образом, в общем случае рэлеевская волна является эллиптически поляризованной. Толщина слоя вещества, приводимого в движение волной Рэлея, составляет величину порядка длины волны к. Одновременно с ПАВ возбуждаются две компоненты объемных волн (ОВ): продольная (волна сжатия-разрежения), поперечная (сдвиговая волна), которые отличаются по скорости и направлению распространения, а также по природе возникновения.

С точки зрения физики взаимодействия излучения с веществом, акустический отклик содержит информацию о переходных процессах, происходящих в области облучения за времена порядка длительности лазерного импульса. При наличии трещин в исследуемом материале форма и амплитуда распространяющихся по образцу акустических волн меняется в зависимости от свойств дефектов. Интерес к таким исследованиям наблюдается и в настоящее время, поскольку бесконтактный способ генерации позволяет исследовать упругие свойства вещества при различных внешних воздействиях, определять степень совершенства кристаллической структуры, а также незаменим в акустической и оптической спектроскопии.

В данной работе продемонстрирована возможность обнаружения поверхностных дефектов на основе генерации и детектирования приповерхностных объемных и рэлеевских волн.

Целью работы является разработка методики бесконтактного обнаружения приповерхностных дефектов возбуждением и регистрацией объемных и поверхностных акустических волн.

Методика исследования

На рис. 1 показана экспериментальная установка, позволяющая производить оптоакустическое тестирование поверхностей материалов. Для одновременной генерации ОВ и ПАВ использовался пучок оптического излучения

от лазера на иттрий-алюминиевом гранате с ионами ниодима (ИАГ : Nd 3+) с длиной волны на первой гармонике 1,064 мкм, длительностью импульсов 7,5 нс и частотой следования 0,2 Гц и мощностью в импульсе порядка 1,3 МВт. Генерация акустических колебаний создавалась сфокусированным лазерным пучком в виде полоски 4x0,2 мм. Регистрация акустических волн, возбуждаемых акустическим источником, осуществлялась методом, основанном на прямом пьезоэффекте, с использованием пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с габаритными размерами 6,5x1,5x1,5 мм. В качестве пьезопреобразователей использовались нибат лития г-среза и цирконат-титанат свинца (ЦТС). Для контроля качества акустического контакта измерительного ПЭП к противоположной стороне образца дополнительно присоединялся на твердой склейке контрольный ПЭП. На контрольный ПЭП подавался видеоимпульс, отклик от которого после прохождения по образцу принимался измерительным ПЭП. Показания осциллографа заносились в персональный компьютер.

В качестве исследуемого материала были выбраны образцы из алюминиевого сплава Д16АТ с полированной поверхностью (шероховатость порядка 1 мкм) в чистом виде и с искусственно нанесенным пропилом шириной 0,4 мм и глубиной 1,2 мм. В образце с искусственно созданной прорезью были проведены исследования с перемещением ПЭП относительно прорези (Lj = var, L^ = const).

Рис. 1. Схема оптоакустического тестирования исследуемых поверхностей: 1 - АИГ-лазер; 2 -цифровой осциллограф; 3, 5 - усилитель высоких частот; 4 - светофильтр; 6 - фотодиод; 7 -коллиматор; 8 - полуцилиндрическая линза; 9 - персональный компьютер; 10 - исследуемый образец; 11 - контрольный ПЭП; 12 - измерительный ПЭП; Ь^ - расстояние между областью

облучения образца и прорезью, ¿2 - расстояние от прорези до ПЭП

На рис. 2 показана временная диаграмма акустического отклика на облучение поверхности исследуемого образца без пропила лазерным источником света. Отклик № 1 соответствует приповерхностной волне, движущейся со скоростью продольной компоненты объемной волны. Отклик № 2 соответствует поверхностной рэлеевской волне. Далее следуют отклики волн, отраженных от стенок образца и сигнал, являющийся следствием звона самого пьезопреобразователя.

и, в 6 4 2 0 -2 -4 -6

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I IТI I I

Гиги 4 н <гтМтт

0 2 4 6 8 10 12 14 16 и МКС

Рис. 2. Временная диаграмма ультразвуковых волн, распространяющихся по алюминиевому

образцу без прорези

Сравнение диаграмм распространения акустических волн по таким же образцам из алюминия без прорези и с прорезью, представленных в работе [1], с диаграммами, полученными нами, показало их общность. Однако для детектирования сигнала в [1] был использован дополнительный лазер, что значительно усложняет процесс исследования и удорожает стоимость установки.

Основные результаты

Для оценки зависимости амплитуды продольной компоненты ОВ от расстояния между областью генерации ультразвука и пьезопреобразователем были проведены эксперименты с перемещением ПЭП относительно области облучения. При оценке амплитуды ОВ в чистом образце наблюдалось затухание сигнала с увеличением расстояния между источником и детектором ультразвуковых волн (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость амплитуды ОВ от расстояния между источником и детектором

ультразвуковых волн: 1 - в чистом алюминиевом образце, 2 - в образце с прорезью

При проведении этого же исследования на образце с пропилом наблюдалась иная картина. В данном варианте возбуждение и детектирование ультразвуковых волн осуществлялись по разные стороны дефекта, т.е. было проведено исследование прохождения ОВ через прорезь. При расположении ПЭП вблизи дефекта сигнал имел значительно меньшую амплитуду и при увеличении расстояния вместо характерного спада вначале наблюдалось увеличение амплитуды. Далее сигнал уменьшался как и в образце без щели.

Обсуждение результатов

Неравномерное изменение амплитуды ОВ при перемещении источника и детектора ультразвуковых волн по образцу с прорезью может быть объяснено явлением дифракции на щели. Дифракция ультразвуковых волн может быть смоделирована по принципу Гюйгенса, подобно световым волнам: каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн. При распространении продольной ОВ фронт волны можно считать плоским и

нормальным к поверхности. При этом величина принимаемого сигнала на приемном ПЭП минимальна (рис. 4, а).

При достижении ОВ углов щели генерируются вторичные волны. В данном случае грани прорези и углы этих граней представляют собой препятствия на пути распространения ОВ. После прохождения дефекта волновой фронт дифрагируется таким образом, что в некоторой области геометрической тени порядка нескольких длин волн его направление отличается от нормали и появляется компонента смещения (рис. 4, б). Это приводит к увеличению принимаемого ПЭП сигнала. На большом удалении от щели фронт волны снова становится близок к нормали. Этим объясняется наличие максимума на временной диаграмме.

Рис. 4. Распределение ОВ: а) в чистом образце; б) в образце с прорезью

Выводы

Таким образом, разработан новый метод, позволяющий с достаточно высокой степенью точности обнаруживать поверхностные дефекты в металлических материалах на основе оценки формы и амплитуды объемных волн. Проведенные исследования показали положительные результаты по обнаружению трещины на поверхности. По оценке характера затухания объемных волн с отдалением пьезопреобразователя от источника ультразвуковых волн можно судить о наличии или отсутствии самого дефекта.

Как выяснилось, ОВ, достигая прорези, дифрагируется, в результате чего фронт волны загибается в сторону исследуемой поверхности, частично проникая в область геометрической тени. При наличии дефекта имеется возможность оценить близость расположения детектора акустических волн к трещине по амплитуде ОВ.

Summary

In article propagation of acoustic waves in aluminic piece with artificial made defect is researched. Attenuations of body waves in defect-free and defective specimen are analysed and compared. The new method of crack detection by using the type of body wave's amplitude changing is offered.

Key words: nondestructive inspection, body waves, surface acoustic waves, wave diffraction by slit.

Литература

1. M. Saffari, L. J. Bond, R. J. Dewhurst, A. D. W. Mickie, S. B. Palmer Rayleigh wave interaction with discontinuities: a numerical and an experimental study // Ultrasonics International 87 Conf. Proc. page 153. 1987.

2. Hui Xiao, Peter B. Nagy Enhanced ultrasonic detection of fatigue cracks by laser-induced crack closure // Journal of applied physics vol. 83 № 12. 1998.

3. J. Diaci, J. Mozina Faculty of mechanical Engineering // Ultrasonics International 87 Conf. Proc. page 96 1987.

Поступила в редакцию 28 апреля 2010 г.

Калимуллин Рустем Ирекович - д-р физ.-мат. наук, доцент кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78. Е-mail: kalru@newmail.ru.

Мигачев Станислав Александрович - канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Казанского физико-технического института (КФТИ Каз. НЦ РАН). Тел.: 8 (843) 518-34-68; 8 (843) 272-11-34. Е-mail: smigach@kfti.knc.ru.

Хасанов Алмаз Асхатович - магистрант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-78; 8-927-2405826. Е-mail: a_l_m_a_z@inbox.ru.