呂錦超, 沈中華, GUSEV Vitalyi, 倪辰蔭

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，南京 210094；2.南京理工大學 理學院，南京 210094；3.LAUM, UMR-CNRS 6613, Universite du Maine, Le Mans 72085, France)

光致裂紋閉合及改變的激光超聲監(jiān)測

呂錦超1, 沈中華2, GUSEV Vitalyi3, 倪辰蔭1

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，南京 210094；2.南京理工大學 理學院，南京 210094；3.LAUM, UMR-CNRS 6613, Universite du Maine, Le Mans 72085, France)

采用激光超聲方法觀測了黑玻璃樣品上真實裂紋在光熱調制下的閉合和改變。以脈沖點激光源作為超聲激發(fā)源，用光偏轉方法檢測超聲，以一束連續(xù)加熱光照射在裂紋上，在裂紋同一個位置，逐漸增大加熱光功率，記錄裂紋處在各加熱光功率下被輻照時以及輻照后冷卻兩種狀態(tài)下的透射表面波和模式轉換信號峰峰值，整個過程重復三次。試驗觀察到各模態(tài)超聲波峰峰值在不同功率加熱光輻照下/輻照后的顯著變化；此外，觀察到第一次試驗結果與后兩次有較大差距，而后兩次試驗結果一致。結果表明，裂紋在閉合過程中會發(fā)生不可恢復的改變。

激光超聲;光熱調制;裂紋閉合;模式轉換聲波

隨著科學技術和工業(yè)水平的高速發(fā)展，高負荷的工作條件對材料質量的要求越來越高。因此，對材料可能存在的缺陷進行無損檢測[1-3]則顯得至關重要。相比于其他傳統(tǒng)檢測手段,激光超聲檢測技術[4-5]因具有眾多的優(yōu)勢而得到了大量的研究，在試驗[6-7]和數(shù)值模擬[8-10]方面都取得了一定成果。

裂紋檢測是無損檢測的一個重要方面，近年來非線性激光超聲裂紋檢測技術發(fā)展迅速。該技術主要利用真實裂紋在施加載荷的情況下，開口狀態(tài)發(fā)生變化時出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象[11-13]，對真實裂紋進行檢測，其突出的優(yōu)點是突破了裂紋尺寸與使用聲波波長之間的限制關系，即可使用較大波長的聲波檢測尺寸小幾個數(shù)量級的裂紋。

CHIGAREV等于 2009 年研究了裂紋的非線性光聲混頻檢測方法。他們將兩束連續(xù)激光通過聲光調制器分別調制成高頻激發(fā)光與低頻加熱光，聚焦于樣品上，使兩者光斑重合，并從裂紋一側掃描至另一側。其試驗結果顯示，當光斑位于裂紋處時，高頻信號變化很小并開始出現(xiàn)混頻信號，說明非線性方法的檢測能力優(yōu)于線性方法。MEZIL等研究得到了對應于裂紋完全分開、部分閉合、全部閉合等狀態(tài)時，混頻信號幅值隨加熱功率的變化關系，并說明了裂紋的閉合狀態(tài)發(fā)生變化時引起的聲學非線性現(xiàn)象要強于裂紋處于分開或閉合時引起的聲學非線性現(xiàn)象；此外，他們還對沿著裂紋方向的不同位置進行了掃描檢測，研究了沿裂紋方向的裂紋閉合狀態(tài)的分布情況。

對于非線性激光超聲裂紋檢測技術來說，使用光學方法施加載荷使裂紋發(fā)生閉合是關鍵，因此對于光致裂紋閉合過程的研究顯得尤為重要。在時域內，NI C等研究了加熱光作用下裂紋的閉合過程，及裂紋閉合過程中縱波、表面波和模式轉換信號的幅值、到達時間的變化。研究表明：隨著加熱光功率的增加，裂紋經(jīng)歷了由完全分開、部分閉合到完全閉合的過程；在裂紋閉合的過程中，對應裂紋閉合的三個階段，透射表面波幅值呈現(xiàn)出先不變，后逐漸增大，最后達到穩(wěn)定的變化趨勢，透射模式轉換信號幅值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；并且，在裂紋的部分位置，隨著加熱功率的增大，信號的到達時間會提前。研究還指出，模式轉換信號對于裂紋狀態(tài)的改變有著高于表面波信號的敏感性，因此對研究裂紋的閉合以及內部形貌有重要的應用價值。

前面的研究主要是針對時域和頻域上的裂紋的激光超聲非線性檢測方法，其均是在假設裂紋在閉合或調制過程中未發(fā)生改變的情況下進行的，而對裂紋在施加載荷情況下閉合所發(fā)生的改變的研究，至今未見報道。

針對這一問題，筆者在黑玻璃樣品上通過對透射情況下表面波和模式轉換信號的檢測，研究了光致裂紋閉合過程中裂紋壁的改變。試驗記錄了每個加熱光功率下加熱光開啟時的聲信號，及加熱結束裂紋冷卻后的聲信號，并得到了兩種狀態(tài)下透射信號峰峰值隨加熱光功率的變化關系，發(fā)現(xiàn)加熱再冷卻后的信號峰峰值相比加熱前發(fā)生了變化；進一步，對裂紋上同一個位置重復了三次試驗，對三次試驗各信號峰峰值的變化趨勢做了比較，發(fā)現(xiàn)第一次試驗與后兩次試驗中各模態(tài)信號峰峰值的變化趨勢有較大的差別，而后兩次試驗很相似。結果表明：激光加熱致裂紋閉合的過程中，裂紋發(fā)生了不可逆的改變，這一改變會對信號峰峰值產(chǎn)生顯著影響；隨著重復多次加熱過程，裂紋變化逐漸穩(wěn)定，后面的試驗結果變得很相似。研究可為深入了解非線性激光超聲裂紋檢測方法提供有用信息，還可為系統(tǒng)解釋裂紋在施加載荷時的行為和變化等提供新的思路。

1 試驗裝置與步驟

由于表面波幅值較大且會隨著裂紋閉合發(fā)生明顯的變化，模式轉換信號對裂紋的閉合有較高的敏感性，因此，筆者將通過檢測透射表面波和透射模式轉換信號來研究裂紋閉合過程中的改變。先采用時間飛行衍射法(TOFD)對黑玻璃樣品上的裂紋進行檢測，觀察分析各模態(tài)超聲信號的特征，以分辨出試驗需要關注的透射表面波和透射模式轉換信號。然后，將激發(fā)點和探測點分布在裂紋兩側，通過檢測透射的表面波和表面波模式轉換而成的縱波來研究裂紋在加熱閉合過程中的改變及其對這兩種信號幅值與加熱光功率的變化趨勢的影響。

圖1 試驗裝置組成示意

1.1 試驗裝置 采用如圖1所示的試驗裝置，激發(fā)光為波長1 064 nm的脈沖激光(激發(fā)激光器為CryLaS DSS 1064-450)，其脈寬1.5 ns，最大輸出能量650 μJ,最大重復頻率200 Hz，經(jīng)過一個倍頻晶體后變?yōu)椴ㄩL532 nm的激光，經(jīng)過固定在平移臺上的透鏡和反射鏡后聚焦于樣品表面，聚焦后光斑直徑d約為213.9 μm。透鏡和反射鏡可由平移臺帶動，以使激發(fā)光光斑在樣品表面實現(xiàn)掃查。加熱光為波長532 nm的連續(xù)激光(加熱激光器為新產(chǎn)業(yè)MGL-N-532A)，其經(jīng)透鏡聚焦于裂紋上，光斑直徑約100 μm。可通過轉動1/2波片調節(jié)照射到裂紋上的加熱光強度。探測光為波長638 nm的連續(xù)激光(探測激光器為LuxXplus?638-100)，平均輸出功率100 mW。系統(tǒng)采用差分式光偏轉法檢測，由兩面具有微小夾角的反射鏡將反射光分成兩束，聚焦后被平衡接收器(NEW FOCUS 1607)接收。探測到的信號接入示波器(RIGOL DS4024)并通過USB傳輸至電腦。樣品為一塊厚度約2.68 mm的黑玻璃，其上有一道使用熱沖擊方法獲得的裂紋。樣品被固定在兩個平移臺上，一個控制垂直方向的平移，一個控制左右方向的平移。

1.2 試驗步驟

首先使用TOFD法在樣品表面掃查以辨認所有的超聲波模態(tài)，裂紋及光斑位置示意如圖2所示(圖中位置1為探測光光斑，位置2和3分別為同側和異側激發(fā)時的激發(fā)光光斑，位置4為加熱光光斑)。圖中加熱光關閉，激發(fā)光從位置2處以約66 μm /步的步長掃描到位置3處，探測點固定在位置1處檢測激發(fā)出的各種模態(tài)的超聲信號。

圖2 裂紋及光斑位置示意

掃描過程中，當激發(fā)點和探測點在裂紋同側時，探測的是從激發(fā)點直接傳播到探測點的聲信號，以及從激發(fā)點傳播到裂紋處再反射回探測點的聲信號;并且，隨著激發(fā)點逐漸遠離探測點，前者到達時間逐漸推遲，后者到達時間逐漸提前。當激發(fā)點與探測點在裂紋異側時，探測的是從激發(fā)點經(jīng)裂紋透射到探測點的聲信號，且隨著激發(fā)點逐漸遠離探測點，到達時間逐漸推遲。因此隨著掃描的進行，各超聲信號到達時間的數(shù)值將組成不同斜率的直線，通過分析這些直線的相對位置和斜率即可辨別各超聲信號。

在使用TOFD法辨認出試驗所需超聲模態(tài)后，開始研究光致裂紋閉合過程中裂紋的改變。將加熱光打開，并照射在裂紋正上方，激發(fā)光固定在位置3處，探測光固定在位置1處檢測透射超聲信號，試驗步驟如下：

(1) 將激發(fā)光、加熱光和探測光照射在樣品上并調節(jié)三者至同一直線，并使加熱光落在裂紋的正上方(此時加熱光功率不超過10 mW)。

(2) 遮擋加熱光，檢測無加熱時的透射信號時域波形并記錄數(shù)據(jù)。

(3) 開啟加熱光，從10 mW開始，以每次10 mW的增幅逐漸增大，直到350 mW。對每個加熱光功率，裂紋處于加熱狀態(tài)時記錄一次數(shù)據(jù)，遮擋加熱光使裂紋冷卻(約30 s)后再記錄一次數(shù)據(jù)。

(4) 重復以上步驟，一共進行三次試驗，每兩次試驗間隔約5 min，過程中不移動樣品。

2 試驗結果

2.1 超聲波模態(tài)的辨別

用圖1所示的試驗裝置，采用TOFD法測得的結果如圖3所示，圖中顯示了從第1步到第37步的掃描圖像。圖3中,①和②分別為激發(fā)點直接傳播到探測點的縱波(L)和表面波(R)；③和④分別為裂紋反射的縱波(rL)和表面波(rR)；⑤和⑥分別為表面波在裂紋處發(fā)生模式轉換并反射和透射的模式轉換(rL-R和tL-R)信號；⑦為從裂紋透射的表面波(tR)信號。

圖3 TOFD法檢測裂紋的信號B掃圖

圖4分別顯示了激發(fā)點與探測點位于裂紋同側和異側時的時域波形，各超聲信號模式已在圖中標出。圖4(a)為激發(fā)點掃描至第8步時的波形，與圖3相比較可知,其各聲信號按到達時間順序依次為L、R、rL、rL-R和rR；圖4(b)為激發(fā)點掃描至第31步時的波形，與圖3比較可知,其在600 ns和700 ns左右到達的聲信號分別為tL-R和tR。

圖4 TOFD法檢測裂紋的時域波形

圖5 加熱和加熱并冷卻狀態(tài)下透射表面波(tR)、透射表面波轉縱波(tL-R)信號峰峰值隨加熱光功率的變化曲線

2.2 光致裂紋閉合引起的裂紋改變

用圖1所示裝置,按1.2中所述步驟進行裂紋的改變試驗，監(jiān)測裂紋加熱時和每個功率加熱再冷卻后兩種狀態(tài)下的tR和tL-R信號，得到信號峰峰值隨加熱光功率的變化曲線如圖5所示。圖中左右縱軸分別為裂紋處于加熱和每個功率加熱再冷卻兩種狀態(tài)下的透射信號峰峰值；圖中紅色圓點、紅色星狀分別表示裂紋處于加熱狀態(tài)下由表面波模式轉換而成的縱波tL-R(heat)和透射表面波tR(heat)；黑色圓點、黑色星狀分別表示裂紋每次加熱后自然冷卻狀態(tài)下由表面波模式轉換而成的縱波tL-R(cool)和透射表面波tR(cool)。

從圖5(a)可看出:隨著加熱光功率的增大，tR(heat)峰峰值整體呈現(xiàn)增大趨勢,tL-R(heat)峰峰值呈減小趨勢。觀察圖5三幅圖中的tL-R(cool)信號，可以看出其在變化過程中都有先增大后減小的一段過程，其中以圖5(a)中的顯示較為明顯。整體來看，第一次試驗結果與后兩次有明顯的區(qū)別，而第二次和第三次試驗結果較為相似；且tR(heat)信號峰峰值和tR(cool)信號峰峰值在三幅圖中都有相似的變化，而后兩幅圖中的tL-R(heat)信號峰峰值和tL-R(cool)信號峰峰值的變化相比于第一幅圖中的信號，則都有比較明顯的改變。

將三次試驗結果全部以初始點的峰峰值做歸一化處理，結果如圖6所示，圖中方塊表示第一次試驗，圓形表示第二次試驗，三角表示第三次試驗。

從圖6的四幅圖可明顯看出，第一次與后兩次試驗結果區(qū)別很大，而第二次和第三次試驗結果非常接近；且后兩次試驗中的tR(cool)、tL-R(cool)峰峰值的變化相比于第一次試驗較為平緩。

3 分析與討論

圖5(a)中所呈現(xiàn)出的趨勢，沒有對裂紋加熱時就能檢測到透射信號；并且當對裂紋進行加熱后，tR(heat)信號峰峰值增大，tL-R(heat)信號峰峰值減小，與已有的研究是吻合的。這說明裂紋初始處于部分閉合狀態(tài)，即初始時裂紋兩壁已經(jīng)存在部分接觸，對裂紋的加熱使得裂紋進一步閉合。

圖5(a)中tL-R(cool)信號峰峰值有很明顯的變化，表明在激光加熱致裂紋閉合的過程中，裂紋的結構發(fā)生了明顯的不可逆改變，如裂紋壁突起的部分可能因擠壓而受損。裂紋結構這一不可逆的改變導致裂紋冷卻后無法恢復到加熱前的狀態(tài)，因此裂紋冷卻后的信號峰峰值相比加熱前發(fā)生了變化。

在圖5中，不同于第一次試驗中的tL-R(cool)信號峰峰值的較為明顯的變化，后兩次試驗中的tL-R(cool)信號峰峰值的變化趨于平緩；且從圖6可明顯看出，相比于第一次試驗，后兩次試驗的各超聲信號均趨向于一致的變化趨勢。這說明第二次對裂紋加熱致閉合的過程中，裂紋結構發(fā)生的不可逆改變極小，因此裂紋冷卻后的tL-R(cool)信號峰峰值相比加熱前變化不大。對比于第一次試驗中裂紋結構的較為明顯的不可逆改變，第二次試驗中裂紋結構無明顯變化，這說明對裂紋加熱致閉合過程中裂紋不可逆的改變會導致裂紋結構更加穩(wěn)定，從而不容易進一步發(fā)生更大程度的不可逆改變，因此之后的試驗結果趨向于一致。

圖6 四種信號的歸一化峰值對比

從圖5的三幅圖中,對比裂紋的不可逆改變對各超聲信號產(chǎn)生的影響可以看出:① tR(heat)信號和tR(cool)信號的變化在裂紋發(fā)生不可逆改變前后都差異較小，tR(heat)信號在三幅圖中都呈增大趨勢，tR(cool)信號峰峰值隨加熱功率的變化都不明顯。② tL-R(heat)信號和tL-R(cool)信號的變化在裂紋發(fā)生不可逆的改變前后都有明顯的變化，其中tL-R(cool)信號由圖5(a)中明顯的先增大后減小的趨勢，到圖5(b),圖5(c)中變化平緩；③ tL-R(heat)信號在裂紋發(fā)生不可逆的改變前后，有完全不同的變化趨勢，由圖5(a)中逐漸減小的趨勢變成圖5(b),圖5(c)中先減小后增大的趨勢。由此可見，相比于表面波信號，裂紋的不可逆改變對模式轉換信號的影響更為直觀。

4 結語

(1) 激光加熱致裂紋閉合的過程中，裂紋結構會發(fā)生不可逆的改變。

(2) 當裂紋結構發(fā)生不可逆改變時，裂紋加熱再恢復到冷卻狀態(tài)后檢測到的超聲信號尤其是模式轉換信號會發(fā)生顯著變化，信號峰峰值整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(3) 相比于表面波信號，裂紋結構的不可逆改變對模式轉換信號的影響更為顯著。

(4) 對裂紋重復多次加熱后，裂紋狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，將不容易產(chǎn)生不可逆改變，從而裂紋加熱再冷卻后，檢測到的超聲信號將不會有顯著變化。

[1] 孫明健，劉婷，程星振.基于多模態(tài)信號的金屬材料缺陷無損檢測方法[J].物理學報, 2016, 65(16):223-236.

[2] 伍小燕，于瀛潔，呂麗軍.物體內部缺陷無損檢測技術綜述[J].激光與光電子學進展, 2013, 50(4):18-24.

[3] 楊晨，段滋華，馬海桃.金屬管道表面缺陷微波無損檢測[J].無損檢測, 2013, 35(3):34-44.

[4] 沈中華，袁玲，張宏超.固體中的激光超聲[M]. 北京：人民郵電出版社, 2015:118-138.

[5] 袁易全，陳思忠.近代超聲原理與應用[M]. 南京：南京大學出版社, 1996: 369-402.

[6] 李加，倪辰蔭，張宏超.基于激光輔助加熱的激光超聲投捕法識別微裂紋[J].中國激光, 2013, 40(4):206-212.

[7] 董利明，李加，倪辰蔭.基于光熱調制檢測發(fā)動機葉片疲勞裂紋的激光聲表面波方法[J].中國激光, 2011, 38(11):84-88.

[8] 王敬時，徐曉東，劉曉峻.利用激光超聲技術研究表面微裂紋缺陷材料的低通濾波效應[J].物理學報, 2008, 57(12):7765-7769.

[9] 孫宏祥，許伯強，王紀俊.激光激發(fā)黏彈表面波有限元數(shù)值模擬[J].物理學報, 2009, 58(9):6344-6350.

[10] 趙艷，沈中華，陸建.激光在管道中激發(fā)周向導波的有限元模擬[J].物理學報, 2007, 56(1):321-326.

[11] KIM J Y, YAKOVLEV V A, ROKHLIN S I.Parametric modulation mechanism of surfaceacoustic wave on a partially closed crack[J].Applied Physics Letters, 2003, 82(19):3203-3205.

[12] KIM J Y, YAKOVLEV V A, ROKHLIN S I.Surface acoustic wave modulation on a partially closed fatigue crack[J].J.Acoust.Soc.Am., 2004, 115(5):1961-1972.

[13] ZAITSEV V, GUSEV V, CASTAGNEDE B.Luxemburg-gorky effect retooled for elastic waves: a mechanism and experimental evidence[J].Phys.Rev. Lett., 2002, 89(10):105502-1-4.

Laser Ultrasonic Probing of Crack Closure and Modification Caused by Laser Irradiation

Lü Jinchao1, SHEN Zhonghua2, GUSEV Vitalyi3, NI Chenyin1

(1.School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;3.LAUM, UMR-CNRS 6613, Universite du Maine, Le Mans 72085, France)

The closure and modification of a real crack in a black glass sample caused by laser irradiation were observed by laser ultrasonic method. The ultrasonic generated by point pulsed laser was detected using optical deflection method. The crack was irradiated by a continuous heating beam and closed gradually by increasing the power of the heating beam. At the same position of the crack, the power of the heating beam was increased gradually and the peak-to-peak value of transmitted surface acoustic wave and longitudinal wave mode converted by surface acoustic wave was recorded at each heating power both when the crack was heated and cooled after heating. The whole process is repeated three times. Experiment results show that great differences of the peak-to-peak values exist between the crack with heating and without heating. Also, the significant difference of the experiment result between the first time and the last two times was observed, with the latter two results whereas being very similar. The results indicate that irreversible modification could happen to the crack during heating and the modification becomes unnoticeable after several times of heating because the crack become more stable.

laser ultrasonic; photo-thermal modulation; closure of real crack; mode converted acoustic wave

2016-11-10

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(61405093)；江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BK20140771)

呂錦超(1992-)，男，碩士，主要從事激光超聲的研究工作

倪辰蔭，副教授，主要從事激光超聲無損檢測研究，Chenyin.ni@njust.edu.cn

10.11973/wsjc201706004

TG115.28; O426.3

A

1000-6656(2017)06-0019-05