一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法。其步骤为：1)将脉冲激光器探头和激光测振仪探头放置于工件亚表面裂纹的一侧，且激光测振仪探头位于脉冲激光器探头和亚表面裂纹之间；2)脉冲激光器探头发出脉冲激光，在工件表面激励出超声表面波，并用激光测振仪测得表面波在亚表面裂纹反射回的表面波回波信号；3)提取表面波回波信号的第一个波谷对应的时间t

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法


[0001]本专利技术涉及定量无损检测领域，尤其涉及一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法。

技术介绍

[0002]在精密/超精密加工过程中，虽然加工力很小，但是也容易在材料表面下方造成一定的微裂纹，例如压痕。这些在表面下方百微米左右深度，大小为几微米到数十微米之间的裂纹，就是亚表面裂纹。由于精密/超精密加工零件往往用在一些重要的零部件内，比如航空发动机的叶片。亚表面裂纹的存在不仅会大大降低零件的强度，还可能引发重大安全事故，造成严重的经济损失。因此，众多学者致力于研究检测亚表面裂纹的方法。目前，发现和定位亚表面裂纹的方法已经很成熟，但是定量检测亚表面裂纹长度仍然是一个难题。
[0003]在已有的研究中，Tanaka等人搭建了一套基于共焦法布里珀罗干涉方法的激光超声检测系统。通过透射纵波和透射横波对缺陷进行检测，该系统可以探测到缺陷直径与超声波长比约0.07的微缺陷，具有很高的灵敏度和分辨率，但是无法做到定量检测。Steen等人对芯片的焊接裂纹进行了检测，从芯片表面激励超声，通过迈克尔逊干涉仪对裂纹回波进行探测，利用C扫描对焊接区域进行成像，检测焊接亚表面裂纹，但是该系统成像方法不能够对裂纹进行定量测量。Kenderian等人开发了一套基于脉冲激光激励超声和空气耦合换能器接收超声的非接触无损检测系统，该系统的脉冲激光可以远离被测件几米开外进行超声激励，同时，由于使用空气耦合换能器，该系统可以用于粗糙或者黑色表面的超声探测。但是该系统检测精度和分辨率还有待提升。其他无损检测方法，如激光散射技术，利用亚表面裂纹对激光的散射特性引起对激光的偏振特性的改变来反演出裂纹信息，但是这种技术只能用于透明或半透明的工程材料的裂纹检测中。声发射技术，通过检测材料内部因裂纹扩展、应力松弛、摩擦、泄露和磁畴壁运动等造成局部能量的快速释放而产生弹性波，实现对样本结构完整性的检测与评价，但是它很难提供定量化的裂纹检测和成像，而且信噪比较低，需要外部激励以产生声发射信号。
[0004]如果能定量检测亚表面裂纹的长度，不仅能够建立裂纹参数与加工参数的对应关系，优化加工工艺，还能便于在后续的加工将亚表面裂纹去除掉。在已有的无损检测方法中，很少有能对亚表面裂纹长度进行定量测量的方法。本专利技术能够对亚表面裂纹长度进行定量测量，具有方法简单，检测速度快，和高精度的特点。本专利技术还具有非接触检测的特性，可以用于加工过程中的在位测量，或者用于高温高压等极端环境下的亚表面裂纹长度的定量检测。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了定量检测加工过程中产生的亚表面裂纹的长度，以便建立加工参数与亚表面裂纹参数的对应关系，指导后续加工将亚表面裂纹去除，而提出的一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法。其具体方案如下：
[0006]该基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法，包括以下步骤：
[0007]1)将脉冲激光器探头和激光测振仪探头放置于被测亚表面裂纹的一侧，且激光测振仪探头位于脉冲激光器探头和亚表面裂纹之间。
[0008]2)脉冲激光器探头发射脉冲激光照射在工件上，在工件表面激励出超声表面波，利用激光测振仪测得表面波在亚表面裂纹反射的表面波回波信号R。
[0009]3)提取表面波回波信号R的第一个波谷对应的时刻t
R1
，和第二个波谷对应的时刻t
R2
。
[0010]4)计算亚表面裂纹的长度l＝v
R
(t
R2
‑
t
R1
)/2；其中，v
R
为超声表面波在被测工件表面的传播速度。
[0011]作为优选，步骤2)中，超声表面波的激发方法为激光点源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过凸透镜聚焦成点源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。
[0012]作为优选，步骤2)中，超声表面波的激发方法为线源激发，具体为脉冲激光器探头发出脉冲激光经过柱透镜将激光聚焦成线源激光，照射在工件表面并激励出超声表面波。
[0013]作为优选，被测亚表面裂纹为矩形裂纹，且脉冲激光器探头发出的线源激光与亚表面裂纹的轴线方向平行。
[0014]作为优选，超声表面波在工件表面的传播速度通过提前查找超声波速度表得知。
[0015]作为优选，被测亚表面裂纹的长度大于激发出的表面波的波长。
[0016]本专利技术相对于现有技术的有益效果为：
[0017]本专利技术操作简单，一次探测即可获得亚表面裂纹长度，检测速度快，且检测精度较高。此外，本专利技术为非接触式测量，可以用于加工过程中的在位检测，无需将工件取下检测，提高加工效率。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的检测状态示意图。
[0019]图2是本专利技术中激光测振仪探测到的超声信号图。
[0020]图中，工件1、亚表面裂纹2、脉冲激光器探头3、激光测振仪4。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和实施例对本专利技术做具体说明。
[0022]本专利技术的实施例涉及一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法，该方法利用聚焦成点源的脉冲激光在工件内部产生超声表面波，表面波遇到亚表面裂纹被反射产生表面波回波信号，通过激光测振仪对回波信号进行接收，然后对回波信号进行分析，实现对工件亚表面裂纹长度的定量检测。
[0023]本专利技术的基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法的基本原则与
技术实现思路
部分一致，具体步骤如下：
[0024]1)将脉冲激光器探头3和激光测振仪探头4放置于工件1中的亚表面裂纹2的同一侧，且激光测振仪探头3位于脉冲激光器探头4和亚表面裂纹2之间。
[0025]2)脉冲激光器探头3发射脉冲激光照射在工件2上，在工件表面激励出超声表面波，利用激光测振仪测得表面波在亚表面裂纹反射的表面波回波信号R。
[0026]3)提取表面波回波信号R的第一个波谷对应的时间t
R1
，和第二个波谷对应的时间t
R2
；波谷位置相对其他回波信号中的其他位置有显著差异，技术人员能够在超声信号图中直观看出，具体如图2所示。
[0027]4)利用得到的时间t
R1
和t
R2
，计算出亚表面裂纹的长度l。计算公式如下：
[0028]l＝v
R
(t
R2
‑
t
R1
)/2
[0029]其中v
R
为超声表面波在被测工件表面的传播速度。
[0030]以上述方法对某中碳钢亚表面裂纹长度进行检测，其中钢块的长100mm、宽50mm、厚5mm，用基恩士VHX
‑
600光学显微镜从工件侧面测量得到亚表面裂纹长度作为参照。将钢块放置在样品平台上，并用脉冲激光器探头和激光测振仪在钢块上的亚表面裂纹的同侧激发表面波和接收表面波回波，获取表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将脉冲激光器探头和激光测振仪探头放置于被测亚表面裂纹的一侧，且激光测振仪探头位于脉冲激光器探头和亚表面裂纹之间；2)脉冲激光器探头发射脉冲激光照射在工件上，在工件表面激励出超声表面波，利用激光测振仪测得表面波在亚表面裂纹反射的表面波回波信号R；3)提取表面波回波信号R的第一个波谷对应的时刻t
R1
，和第二个波谷对应的时刻t
R2
；4)计算亚表面裂纹的长度l＝v
R
(t
R2
‑
t
R1
)/2；其中，v
R
为超声表面波在被测工件表面的传播速度。2.根据权利要求1所述的一种基于激光激励表面波的亚表面裂纹长度定量检测方法，其特征在于：步骤2)中，超声表面波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王传勇，王文，卢科青，陈占锋，陈剑，居冰峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：