Определение размеров приповерхностных дефектов теневым методом лазерно-акустической дефектоскопии

УДК 681.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ТЕНЕВЫМ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

В.А. ГОЛЕНИЩЕВ-КУТУЗОВ, И.Р. ИСМАГИЛОВ, Р.И. КАЛИМУЛЛИН, С.А. МИГАЧЕВ, А.А. ХАСАНОВ

Казанский государственный энергетический университет

Проведен анализ изменения амплитуды и времени детектирования рэлеевских волн, прошедших через дефект в виде приповерхностной трещины. Предложен новый амплитудный и временной теневой метод лазерно-акустической дефектоскопии, основанный на генерации волн Рэлея вблизи дефекта и на самом дефекте.

Ключевые слова: рэлеевские волны, лазерно-акустическая дефектоскопия, теневой метод, время прохождения рэлеевских волн через дефект, затухание амплитуды.

Введение

Ведущее место среди различных методов неразрушающего контроля занимают акустические методы. Это обусловлено многообразием задач, которые могут быть решены с их помощью: выявление дефектов малых размеров (единицы микрометров) в металлических и неметаллических материалах, определение размеров, ориентации и местоположение дефектов, выявлений дефектов типа нарушений сплошности, расслоений, трещин, инородных включений и т.д. Акустические методы неразрушающего контроля основаны на возбуждении и регистрации акустических волн (объемных и поверхностных) и колебаний. Параметры акустических волн, возбужденных в твердых материалах, могут изменяться при взаимодействии с различными видами дефектов, в частности амплитуды и времена распространения регистрируемых ультразвуковых волн (УВ) - вследствие изменения их траектории, возникновения акустической тени и различного рода трансформаций.

Наиболее перспективным, с точки зрения применения в устройствах неразрушающего контроля, является метод, основанный на оптоакустическом эффекте - возникновении пульсации давления на поверхности материала при облучении его модулированным потоком лазерного излучения. Данный способ генерации получил широкое применение сначала для качественного и количественного анализа свойств и характеристик твердых тел, а в дальнейшем - в дефектоскопии вещества. При облучении поверхности твердого тела лазерными импульсами возбуждаются объемные (продольные и поперечные) и поверхностные (рэлеевские) акустические волны. Объемные акустические волны (ОАВ) применяются для сканирования объекта контроля (ОК) на наличие объемных дефектов. При определении местонахождения приповерхностных дефектов более эффективными являются волны Рэлея, распространяющиеся вблизи поверхности, глубины порядка длины волны. В зависимости от соотношения длины рэлеевской волны и размеров приповерхностных дефектов возможны различные виды их взаимодействия: прохождение волны Рэлея с

© В.А. Голенищев-Кутузов, И.Р. Исмагилов, Р.И. Калимуллин, С.А. Мигачев, А.А. Хасанов Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

огибанием дефекта, отражение волн от дефекта, трансформации волн на дефекте. К преимуществам рэлеевских волн можно отнести малое затухание при распространении, отсутствие рассеяния, распространение вдоль поверхности, что делает их более перспективными при сканировании поверхностей твердых ОК.

В данной работе продемонстрирована возможность определения местонахождения и размеров приповерхностных дефектов на основе лазерной генерации и детектирования рэлеевских волн пьезоэлектрическим преобразователем.

Целью работы является разработка методики бесконтактного обнаружения и определения размеров приповерхностных дефектов на основе амплитудного и временного анализа акустических сигналов, соответствующих рэлеевским волнам.

Методика исследования

На рис. 1 показана экспериментальная установка, позволяющая генерировать ОАВ и ПАВ импульсным лазерным источником и регистрировать их пьезоэлектрическим преобразователем. В качестве ОК был выбран образец алюминиевого сплава Д16АТ с приповерхностным дефектом в виде прорези глубиной 1,2 мм и шириной 0,7 мм. Для одновременного возбуждения ОАВ и ПАВ в исследуемом образце, поверхность ОК подвергалась воздействию коротких одиночных импульсов длительностью 7,5 нс и мощностью 1,3 МВт лазерного источника на иттрийалюминиевом гранате с ионами неодима (ИАГ : с длиной волны на первой

гармонике 1,064 мкм. Генерация акустических волн создавалась сфокусированным цилиндрической линзой лазерным пучком в виде полоски 4*0,2 мм2. Регистрация акустических волн, возбуждаемых акустическим источником, осуществлялась пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) из цирконата-титаната свинца (ЦТС) с габаритными размерами 1*1,4*1,5 мм3. Поскольку амплитуда регистрируемых акустических сигналов зависит от качества контакта между детектором и ОК, для устранения воздушных пор между ними контактируемые области смазывались маслом ГКЖ. Кроме того, прикрепленный к поверхности детектор не перемещался, а передвигался лазерный пучок по поверхности образца в сторону приближения к детектору. Показания осциллографа заносились в персональный компьютер. Для синхронизации времени детектирования акустических импульсов с моментом возбуждения ультразвуковых волн импульсным лазером использовался второй канал осциллографа, на который подавался сигнал с фотодиода, регистрирующего лазерное излучение, частично отраженное от цилиндрической линзы.

На рис. 2 показана временная диаграмма акустических сигналов ультразвуковых волн, распространяющихся в области образца без дефекта. Источник и детектор ультразвуковых волн были расположены так, чтобы между ними не находился дефект (рис. 2, а). Образец был выбран достаточно длинным, чтобы детектор не находился вблизи границы образца. Отклик № 1 (рис. 2, б) соответствует приповерхностной

3

волне, движущейся со скоростью продольной компоненты ОАВ (уг = 6,26 -10 м/с для алюминия). Отклик № 2 с наибольшей интенсивностью соответствует волне Рэлея (= 2,98 -10 м/с). Подобные временные диаграммы были получены в работах [1, 2]. Однако для детектирования сигнала в данном случае достаточным было использование пьезоэлектрического преобразователя, что значительно упростило конструкцию сканирующей установки. В отличие от других работ, где рассматривается отражение акустических волн от дефекта [2, 3], в данной работе применен наиболее точный метод прохождения ультразвуковых волн через дефект. Наибольшей точностью обладает метод обнаружения дефектов, когда длина возбуждаемой УВ меньше или сравнима с размерами дефекта (Xув < м>, й). При этом длина акустической волны

пропорциональна длительности лазерного импульса. То же самое условие относится и к ширине лазерного пучка (м^л < м>, й).

Рис. 1. Схема лазерно-акустического контроля поверхностей твердых материалов: 1, 8 - высокочастотный усилитель сигнала; 2 - АИГ-лазер; 3 - цифровой осциллограф; 4 - светофильтр; 5 - персональный компьютер; 6 - фотодиод; 7 - коллиматор; 9 - цилиндрическая линза; 10 - пьезоэлектрический детектор; 11 - объект контроля

Рис. 2. Распространение акустических волн по области ОК без дефекта на расстоянии ¿=10 мм: а) схема эксперимента; б) временная диаграмма: 1 - продольная компонента приповерхностной ОАВ; 2 - волна Рэлея

Основные результаты

Для оценки зависимостей интенсивностей и времен прохождения волн Рэлея от расстояния между областью генерации ультразвука и пьезоэлектрическим детектором были проведены эксперименты с перемещением лазерного источника УВ с шагом 0,1 мм относительно приемника с прохождением через приповерхностный дефект и область без дефекта. В результате оценки интенсивностей и времен прохождения рэлеевских волн при приближении светового пятна к детектору определено отличие амплитудных и временных параметров ПАВ (рис. 3). Кроме того, крутизна зависимости изменения интенсивности и времени регистрации рэлеевских волн резко изменялась при прохождении волн Рэлея через дефект.

I

йтн. гд.

-

3 -

а) 2,5 -

2 -и -: -

0,5 -

16 :5,5 :5 14,5 14 :3,5 13 4 мм

1 мкс 3.5 -3 -

б) 2,5 -

2 -15 -: -

16 15,5 15 14,5 14 13,5 13 А мм

Рис. 3. Зависимость интенсивности (а) и времени (б) регистрации волны Рэлея от расстояния Ь между источником и детектором ультразвуковых волн: 1 - в ОК без дефекта; 2 - в ОК с дефектом глубины << = 1,2 мм и ширины = 0,7 мм; 3 - положение и форма дефекта

Обсуждение результатов

В работе был рассмотрен случай Xуц , м^л < м>, <. Изменение времени распространения и интенсивности волны Рэлея с приближением к детектору объясняется прохождением рэлеевской волны через дефект. Волна Рэлея, возбуждаемая пучком в виде полоски, распространяется преимущественно в двух направлениях. Затухание интенсивности ПАВ, движущейся в сторону детектора, свидетельствует о возникновении препятствия в виде стенки дефекта. По мере приближения источника УВ к дефекту, акустические волны попадают в область геометрической тени, что приводит к уменьшению их интенсивности. При попадании источника УВ на дно дефекта интенсивность волн Рэлея резко возрастает. При достижении второй стенки дефекта так же наблюдается уменьшение интенсивности рэлеевских волн. Анализ временной зависимости распространения УВ от расстояния между источником и детектором также показал, что она для распространения волн Рэлея при возбуждении © Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

УВ в образце с дефектом отличается от временной зависимости, свойственной для волн Рэлея в образце без дефекта. При переходе с границы дефекта на дно и наоборот наблюдается резкий временной сдвиг акустических импульсов волн Рэлея, что на графике определяется в виде резкого изменения крутизны кривой. Это изменение объясняется прохождением рэлеевских волн от источника до детектора с огибанием дефекта (рис. 4) Такая модель распространения рэлеевских волн также была описана в работе [2]. При этом расстояние от источника до детектора для рэлеевской волны складывается из расстояния на поверхности и параметров ширины дна и двойной глубины дефекта. При смещении лазерного пучка и попадания с края на дно дефекта расстояние от источника до детектора резко изменяется на величину глубины дефекта. Тем самым резко изменяется время регистрации сигнала рэлеевской волны в сторону опережения. При перемещении возбуждающего пучка по дну дефекта наблюдается плавное изменение времени регистрации ПАВ. При попадании пучка на поверхность справа от дефекта также наблюдается резкое изменение времени прохождения сигнала волны Рэлея. Сравнение диаграмм распространения акустических волн по таким же образцам из сплавов стали без дефекта и с дефектом, представленных в работе [4], с диаграммами, полученными нами, показало их общность. Зная скорость распространения волны Рэлея в материале, из которого изготовлен ОК и временной сдвиг акустического сигнала Д?, можно определить глубину дефекта по формуле

а = Д • ук,

где Ук - скорость распространения волны Рэлея в материале. Также по графику (рис.3, б) можно определить ширину дефекта ^. Расстояние между двумя резкими изменениями времени регистрации акустических сигналов на графике (координата х) соответствует ширине дефекта.

1

глубины а и ширины м>\ 1 - лазерный пучок; 2 - детектор; 3 - ОК

Выводы

Таким образом, при возбуждении УВ справа и слева от дефекта, а также на его дне время прохождения рэлеевских волн на поверхности ОК изменяется как в образце без дефекта. При переходе от поверхности вблизи дефекта наблюдается резкий временной сдвиг вследствие уменьшения расстояния от источника до детектора на величину глубины прорези. Интенсивность ПАВ по мере приближения к границам дефекта слева по поверхности ОК и дну дефекта затухает. Однако после преодоления каждой границы дефекта амплитуда сигнала волны Рэлея резко возрастает, что

объясняется преодолением области геометрической тени. После полного прохождения лазерного пучка через дефект и при дальнейшем приближении к детектору интенсивность ПАВ возрастает подобно изменению интенсивности в ОК без дефекта.

Такая амплитудная и временная зависимость, отличающаяся от зависимостей для распространения волн Рэлея в образце без дефекта, позволяет определять наличие, местонахождение и размеры (глубина, ширина) приповерхностных дефектов в виде трещин, сколов, усталостей.

Summary

Defect searching Rayleigh wave's amplitude and detection time variations are analyzed. Temporal and amplitude shadow method laser-acoustic crack detection, based on Rayleigh waves's stimulation near and on the defect, is offered.

Keywords: acoustic waves, laser-acoustic defectoscopy, shadow method, Rayleigh waves, searching of defect by wave, amplitude attenuation.

Литература

1. Dewhurst R.J., Shan Q. Surface-breaking fatigue crack detection using laser ultrasound // Applied physics letters - 1993. Vol. 62, № 21.

2. 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.

3. Способ диагностики несплошностей поверхности слоя металлопроката и устройство для его осуществления: пат. 2262689 Рос. Федерация: МПК7 G01N29/04/ Малинка С.А., Кириков А.В., Забродин А.Н.; заявитель и патентообладатель ООО "Компания Нординкрафт". -№ 2003136053/28; заявл. 16.12.03; опубл. 20.10.05.

4. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов А.А. Акустическая диагностика металлических изделий с помощью трансформации ультразвуковых волн на дефектах// Бенардосовские чтения. MV Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии»: Сборник научных трудов. Иваново, 2011. Т. 3, с. 6-8.

Поступила в редакцию 13 апреля 2012 г.

Голенищев-Кутузов Вадим Алексеевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 236-74-75; 8 (917) 2370247.

Исмагилов Ильдар Рашидович - аспирант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (953) 4929092. E-mail: ildarism@yandex.ru.

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

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

Хасанов Алмаз Асхатович - аспирант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (929) 7280678, 8 (843) 519-42-78. Email: a_l_m_a_z@inbox.ru.