光热调制裂纹闭合的激光超声实时监测

　　裂纹是固体材料的一种常见缺陷，其出现和扩展会对材料的使用寿命和机械性能造成严重的破坏，并最终导致工件的断裂，造成巨大损失。因此对于材料可能存在的裂纹进行无损检测显得尤为重要。

　　激光超声检测技术因其非接触、空间分辨率高、探测距离远等优点，近年来被广泛的应用在制造业。非线性光声裂纹检测技术不仅具有激光超声技术的优势，还可突破传统线性超声技术超声波长需与裂纹尺寸对应的限制，使用长波长声波对微裂纹实现高灵敏度检测。目前常用不同恒定功率加热光辐照裂纹，观测裂纹处于不同静态闭合状态时透、反射声波的变化，但这一方法无法捕捉到裂纹闭合的动态过程和裂纹壁在闭合过程中形貌的变化。

　　针对以上问题，南京理工大学沈中华教授团队使用激光超声技术，通过观测在裂纹处透射声波幅值的变化，获得了光热调制载荷下裂纹闭合的动态过程和形貌结构的实时变化，为系统解释光热调制下裂纹的行为变化提供一定的思路，同时也有助于光热调制辅助的激光超声无损检测技术的进一步发展。

　　该课题组建立了一套结合光热调制的激光超声裂纹检测装置，如图1.并以10 Hz的频率多次读取透过裂纹的超声信号，实现对裂纹闭合、张开过程的实时监测。其中实验样品为数块含有开口裂纹的黑玻璃。

　　图1. 结合光热调制的激光超声裂纹检测装置(a)装置示意图(b)光源位置示意图(c)实验中加热光以及激光超声检测装置的工作示意图。其中LU monitor代表激光超声的激发状态，“on"代表开启，“off"代表关闭;Laser Heating代表加热光的工作状态，“on"代表开启，“off"代表关闭，“ PH"为加热光功率，从  PH=50 mW开始，以50 mW的增量最终增加到   PH=300mW。

　　从多次实验结果中总结出了透射超声信号峰峰值的三种典型变化趋势，得到了裂纹壁上突起在裂纹受热闭合时的三种典型变化过程，结合在裂纹处原子力显微镜扫描观测结果，如图2.对产生这三种典型变化过程的原因进行了分析与讨论。

　　图2 裂纹的AFM扫描观测结果

　　图3 实验结果之一。(a)裂纹在不同功率加热及自然冷却时透射声表面波信号的实时监测结果;(b)裂纹在不同功率加热及自然冷却时模式转换声信号的实时监测结果。

　　结果表明，实时激光超声监测不仅可以直观地观测到裂纹受热闭合的动态过程，还可观察到很多在准静态实验中无法看到的现象，这些现象可反映裂纹在受热闭合时裂纹壁形貌结构的变化细节。如图3所示，从200mW功率加热光辐照时透射声表面波信号幅值的突然减小(图中①)、加热光关闭后该幅值相比较低功率时的明显下降(图中②)，以及不用功率下模式转换声信号幅值变化趋势的巨大差异，可知裂纹壁上的突起在裂纹闭合过程中发生了断裂。

　　参考文献： 中国光学期刊网

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