[发明专利]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

说明书

本发明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_R1，和第二个波谷对应的时间t_R2；4)利用时间t_R1和t_R2，计算出亚表面裂纹的长度l；本发明能够用于加工过程中的亚表面裂纹长度的在位检测，也可用于一些高温高压等特殊环境中的亚表面裂纹长度的检测。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。本发明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。本发明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。

发明内容

本发明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：

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：

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。