光致裂纹闭合及改变的激光超声监测

吕锦超, 沈中华, GUSEV Vitalyi, 倪辰荫

(1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094；2.南京理工大学 理学院，南京 210094；3.LAUM, UMR-CNRS 6613, Universite du Maine, Le Mans 72085, France)

光致裂纹闭合及改变的激光超声监测

吕锦超1, 沈中华2, GUSEV Vitalyi3, 倪辰荫1

(1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094；2.南京理工大学 理学院，南京 210094；3.LAUM, UMR-CNRS 6613, Universite du Maine, Le Mans 72085, France)

采用激光超声方法观测了黑玻璃样品上真实裂纹在光热调制下的闭合和改变。以脉冲点激光源作为超声激发源，用光偏转方法检测超声，以一束连续加热光照射在裂纹上，在裂纹同一个位置，逐渐增大加热光功率，记录裂纹处在各加热光功率下被辐照时以及辐照后冷却两种状态下的透射表面波和模式转换信号峰峰值，整个过程重复三次。试验观察到各模态超声波峰峰值在不同功率加热光辐照下/辐照后的显著变化；此外，观察到第一次试验结果与后两次有较大差距，而后两次试验结果一致。结果表明，裂纹在闭合过程中会发生不可恢复的改变。

激光超声;光热调制;裂纹闭合;模式转换声波

随着科学技术和工业水平的高速发展，高负荷的工作条件对材料质量的要求越来越高。因此，对材料可能存在的缺陷进行无损检测[1-3]则显得至关重要。相比于其他传统检测手段,激光超声检测技术[4-5]因具有众多的优势而得到了大量的研究，在试验[6-7]和数值模拟[8-10]方面都取得了一定成果。

裂纹检测是无损检测的一个重要方面，近年来非线性激光超声裂纹检测技术发展迅速。该技术主要利用真实裂纹在施加载荷的情况下，开口状态发生变化时出现的非线性现象[11-13]，对真实裂纹进行检测，其突出的优点是突破了裂纹尺寸与使用声波波长之间的限制关系，即可使用较大波长的声波检测尺寸小几个数量级的裂纹。

CHIGAREV等于 2009 年研究了裂纹的非线性光声混频检测方法。他们将两束连续激光通过声光调制器分别调制成高频激发光与低频加热光，聚焦于样品上，使两者光斑重合，并从裂纹一侧扫描至另一侧。其试验结果显示，当光斑位于裂纹处时，高频信号变化很小并开始出现混频信号，说明非线性方法的检测能力优于线性方法。MEZIL等研究得到了对应于裂纹完全分开、部分闭合、全部闭合等状态时，混频信号幅值随加热功率的变化关系，并说明了裂纹的闭合状态发生变化时引起的声学非线性现象要强于裂纹处于分开或闭合时引起的声学非线性现象；此外，他们还对沿着裂纹方向的不同位置进行了扫描检测，研究了沿裂纹方向的裂纹闭合状态的分布情况。

对于非线性激光超声裂纹检测技术来说，使用光学方法施加载荷使裂纹发生闭合是关键，因此对于光致裂纹闭合过程的研究显得尤为重要。在时域内，NI C等研究了加热光作用下裂纹的闭合过程，及裂纹闭合过程中纵波、表面波和模式转换信号的幅值、到达时间的变化。研究表明：随着加热光功率的增加，裂纹经历了由完全分开、部分闭合到完全闭合的过程；在裂纹闭合的过程中，对应裂纹闭合的三个阶段，透射表面波幅值呈现出先不变，后逐渐增大，最后达到稳定的变化趋势，透射模式转换信号幅值呈现出先增大后减小的变化趋势；并且，在裂纹的部分位置，随着加热功率的增大，信号的到达时间会提前。研究还指出，模式转换信号对于裂纹状态的改变有着高于表面波信号的敏感性，因此对研究裂纹的闭合以及内部形貌有重要的应用价值。

前面的研究主要是针对时域和频域上的裂纹的激光超声非线性检测方法，其均是在假设裂纹在闭合或调制过程中未发生改变的情况下进行的，而对裂纹在施加载荷情况下闭合所发生的改变的研究，至今未见报道。

针对这一问题，笔者在黑玻璃样品上通过对透射情况下表面波和模式转换信号的检测，研究了光致裂纹闭合过程中裂纹壁的改变。试验记录了每个加热光功率下加热光开启时的声信号，及加热结束裂纹冷却后的声信号，并得到了两种状态下透射信号峰峰值随加热光功率的变化关系，发现加热再冷却后的信号峰峰值相比加热前发生了变化；进一步，对裂纹上同一个位置重复了三次试验，对三次试验各信号峰峰值的变化趋势做了比较，发现第一次试验与后两次试验中各模态信号峰峰值的变化趋势有较大的差别，而后两次试验很相似。结果表明：激光加热致裂纹闭合的过程中，裂纹发生了不可逆的改变，这一改变会对信号峰峰值产生显著影响；随着重复多次加热过程，裂纹变化逐渐稳定，后面的试验结果变得很相似。研究可为深入了解非线性激光超声裂纹检测方法提供有用信息，还可为系统解释裂纹在施加载荷时的行为和变化等提供新的思路。

1 试验装置与步骤

由于表面波幅值较大且会随着裂纹闭合发生明显的变化，模式转换信号对裂纹的闭合有较高的敏感性，因此，笔者将通过检测透射表面波和透射模式转换信号来研究裂纹闭合过程中的改变。先采用时间飞行衍射法(TOFD)对黑玻璃样品上的裂纹进行检测，观察分析各模态超声信号的特征，以分辨出试验需要关注的透射表面波和透射模式转换信号。然后，将激发点和探测点分布在裂纹两侧，通过检测透射的表面波和表面波模式转换而成的纵波来研究裂纹在加热闭合过程中的改变及其对这两种信号幅值与加热光功率的变化趋势的影响。

图1 试验装置组成示意

1.1 试验装置 采用如图1所示的试验装置，激发光为波长1 064 nm的脉冲激光(激发激光器为CryLaS DSS 1064-450)，其脉宽1.5 ns，最大输出能量650 μJ,最大重复频率200 Hz，经过一个倍频晶体后变为波长532 nm的激光，经过固定在平移台上的透镜和反射镜后聚焦于样品表面，聚焦后光斑直径d约为213.9 μm。透镜和反射镜可由平移台带动，以使激发光光斑在样品表面实现扫查。加热光为波长532 nm的连续激光(加热激光器为新产业MGL-N-532A)，其经透镜聚焦于裂纹上，光斑直径约100 μm。可通过转动1/2波片调节照射到裂纹上的加热光强度。探测光为波长638 nm的连续激光(探测激光器为LuxXplus®638-100)，平均输出功率100 mW。系统采用差分式光偏转法检测，由两面具有微小夹角的反射镜将反射光分成两束，聚焦后被平衡接收器(NEW FOCUS 1607)接收。探测到的信号接入示波器(RIGOL DS4024)并通过USB传输至电脑。样品为一块厚度约2.68 mm的黑玻璃，其上有一道使用热冲击方法获得的裂纹。样品被固定在两个平移台上，一个控制垂直方向的平移，一个控制左右方向的平移。

1.2 试验步骤

首先使用TOFD法在样品表面扫查以辨认所有的超声波模态，裂纹及光斑位置示意如图2所示(图中位置1为探测光光斑，位置2和3分别为同侧和异侧激发时的激发光光斑，位置4为加热光光斑)。图中加热光关闭，激发光从位置2处以约66 μm /步的步长扫描到位置3处，探测点固定在位置1处检测激发出的各种模态的超声信号。

图2 裂纹及光斑位置示意

扫描过程中，当激发点和探测点在裂纹同侧时，探测的是从激发点直接传播到探测点的声信号，以及从激发点传播到裂纹处再反射回探测点的声信号;并且，随着激发点逐渐远离探测点，前者到达时间逐渐推迟，后者到达时间逐渐提前。当激发点与探测点在裂纹异侧时，探测的是从激发点经裂纹透射到探测点的声信号，且随着激发点逐渐远离探测点，到达时间逐渐推迟。因此随着扫描的进行，各超声信号到达时间的数值将组成不同斜率的直线，通过分析这些直线的相对位置和斜率即可辨别各超声信号。

在使用TOFD法辨认出试验所需超声模态后，开始研究光致裂纹闭合过程中裂纹的改变。将加热光打开，并照射在裂纹正上方，激发光固定在位置3处，探测光固定在位置1处检测透射超声信号，试验步骤如下：

(1) 将激发光、加热光和探测光照射在样品上并调节三者至同一直线，并使加热光落在裂纹的正上方(此时加热光功率不超过10 mW)。

(2) 遮挡加热光，检测无加热时的透射信号时域波形并记录数据。

(3) 开启加热光，从10 mW开始，以每次10 mW的增幅逐渐增大，直到350 mW。对每个加热光功率，裂纹处于加热状态时记录一次数据，遮挡加热光使裂纹冷却(约30 s)后再记录一次数据。

(4) 重复以上步骤，一共进行三次试验，每两次试验间隔约5 min，过程中不移动样品。

2 试验结果

2.1 超声波模态的辨别

用图1所示的试验装置，采用TOFD法测得的结果如图3所示，图中显示了从第1步到第37步的扫描图像。图3中,①和②分别为激发点直接传播到探测点的纵波(L)和表面波(R)；③和④分别为裂纹反射的纵波(rL)和表面波(rR)；⑤和⑥分别为表面波在裂纹处发生模式转换并反射和透射的模式转换(rL-R和tL-R)信号；⑦为从裂纹透射的表面波(tR)信号。

图3 TOFD法检测裂纹的信号B扫图

图4分别显示了激发点与探测点位于裂纹同侧和异侧时的时域波形，各超声信号模式已在图中标出。图4(a)为激发点扫描至第8步时的波形，与图3相比较可知,其各声信号按到达时间顺序依次为L、R、rL、rL-R和rR；图4(b)为激发点扫描至第31步时的波形，与图3比较可知,其在600 ns和700 ns左右到达的声信号分别为tL-R和tR。

图4 TOFD法检测裂纹的时域波形

图5 加热和加热并冷却状态下透射表面波(tR)、透射表面波转纵波(tL-R)信号峰峰值随加热光功率的变化曲线

2.2 光致裂纹闭合引起的裂纹改变

用图1所示装置,按1.2中所述步骤进行裂纹的改变试验，监测裂纹加热时和每个功率加热再冷却后两种状态下的tR和tL-R信号，得到信号峰峰值随加热光功率的变化曲线如图5所示。图中左右纵轴分别为裂纹处于加热和每个功率加热再冷却两种状态下的透射信号峰峰值；图中红色圆点、红色星状分别表示裂纹处于加热状态下由表面波模式转换而成的纵波tL-R(heat)和透射表面波tR(heat)；黑色圆点、黑色星状分别表示裂纹每次加热后自然冷却状态下由表面波模式转换而成的纵波tL-R(cool)和透射表面波tR(cool)。

从图5(a)可看出:随着加热光功率的增大，tR(heat)峰峰值整体呈现增大趋势,tL-R(heat)峰峰值呈减小趋势。观察图5三幅图中的tL-R(cool)信号，可以看出其在变化过程中都有先增大后减小的一段过程，其中以图5(a)中的显示较为明显。整体来看，第一次试验结果与后两次有明显的区别，而第二次和第三次试验结果较为相似；且tR(heat)信号峰峰值和tR(cool)信号峰峰值在三幅图中都有相似的变化，而后两幅图中的tL-R(heat)信号峰峰值和tL-R(cool)信号峰峰值的变化相比于第一幅图中的信号，则都有比较明显的改变。

将三次试验结果全部以初始点的峰峰值做归一化处理，结果如图6所示，图中方块表示第一次试验，圆形表示第二次试验，三角表示第三次试验。

从图6的四幅图可明显看出，第一次与后两次试验结果区别很大，而第二次和第三次试验结果非常接近；且后两次试验中的tR(cool)、tL-R(cool)峰峰值的变化相比于第一次试验较为平缓。

3 分析与讨论

图5(a)中所呈现出的趋势，没有对裂纹加热时就能检测到透射信号；并且当对裂纹进行加热后，tR(heat)信号峰峰值增大，tL-R(heat)信号峰峰值减小，与已有的研究是吻合的。这说明裂纹初始处于部分闭合状态，即初始时裂纹两壁已经存在部分接触，对裂纹的加热使得裂纹进一步闭合。

图5(a)中tL-R(cool)信号峰峰值有很明显的变化，表明在激光加热致裂纹闭合的过程中，裂纹的结构发生了明显的不可逆改变，如裂纹壁突起的部分可能因挤压而受损。裂纹结构这一不可逆的改变导致裂纹冷却后无法恢复到加热前的状态，因此裂纹冷却后的信号峰峰值相比加热前发生了变化。

在图5中，不同于第一次试验中的tL-R(cool)信号峰峰值的较为明显的变化，后两次试验中的tL-R(cool)信号峰峰值的变化趋于平缓；且从图6可明显看出，相比于第一次试验，后两次试验的各超声信号均趋向于一致的变化趋势。这说明第二次对裂纹加热致闭合的过程中，裂纹结构发生的不可逆改变极小，因此裂纹冷却后的tL-R(cool)信号峰峰值相比加热前变化不大。对比于第一次试验中裂纹结构的较为明显的不可逆改变，第二次试验中裂纹结构无明显变化，这说明对裂纹加热致闭合过程中裂纹不可逆的改变会导致裂纹结构更加稳定，从而不容易进一步发生更大程度的不可逆改变，因此之后的试验结果趋向于一致。

图6 四种信号的归一化峰值对比

从图5的三幅图中,对比裂纹的不可逆改变对各超声信号产生的影响可以看出:① tR(heat)信号和tR(cool)信号的变化在裂纹发生不可逆改变前后都差异较小，tR(heat)信号在三幅图中都呈增大趋势，tR(cool)信号峰峰值随加热功率的变化都不明显。② tL-R(heat)信号和tL-R(cool)信号的变化在裂纹发生不可逆的改变前后都有明显的变化，其中tL-R(cool)信号由图5(a)中明显的先增大后减小的趋势，到图5(b),图5(c)中变化平缓；③ tL-R(heat)信号在裂纹发生不可逆的改变前后，有完全不同的变化趋势，由图5(a)中逐渐减小的趋势变成图5(b),图5(c)中先减小后增大的趋势。由此可见，相比于表面波信号，裂纹的不可逆改变对模式转换信号的影响更为直观。

4 结语

(1) 激光加热致裂纹闭合的过程中，裂纹结构会发生不可逆的改变。

(2) 当裂纹结构发生不可逆改变时，裂纹加热再恢复到冷却状态后检测到的超声信号尤其是模式转换信号会发生显著变化，信号峰峰值整体呈现先增大后减小的趋势。

(3) 相比于表面波信号，裂纹结构的不可逆改变对模式转换信号的影响更为显著。

(4) 对裂纹重复多次加热后，裂纹状态逐渐趋于稳定，将不容易产生不可逆改变，从而裂纹加热再冷却后，检测到的超声信号将不会有显著变化。

[1] 孙明健，刘婷，程星振.基于多模态信号的金属材料缺陷无损检测方法[J].物理学报, 2016, 65(16):223-236.

[2] 伍小燕，于瀛洁，吕丽军.物体内部缺陷无损检测技术综述[J].激光与光电子学进展, 2013, 50(4):18-24.

[3] 杨晨，段滋华，马海桃.金属管道表面缺陷微波无损检测[J].无损检测, 2013, 35(3):34-44.

[4] 沈中华，袁玲，张宏超.固体中的激光超声[M]. 北京：人民邮电出版社, 2015:118-138.

[5] 袁易全，陈思忠.近代超声原理与应用[M]. 南京：南京大学出版社, 1996: 369-402.

[6] 李加，倪辰荫，张宏超.基于激光辅助加热的激光超声投捕法识别微裂纹[J].中国激光, 2013, 40(4):206-212.

[7] 董利明，李加，倪辰荫.基于光热调制检测发动机叶片疲劳裂纹的激光声表面波方法[J].中国激光, 2011, 38(11):84-88.

[8] 王敬时，徐晓东，刘晓峻.利用激光超声技术研究表面微裂纹缺陷材料的低通滤波效应[J].物理学报, 2008, 57(12):7765-7769.

[9] 孙宏祥，许伯强，王纪俊.激光激发黏弹表面波有限元数值模拟[J].物理学报, 2009, 58(9):6344-6350.

[10] 赵艳，沈中华，陆建.激光在管道中激发周向导波的有限元模拟[J].物理学报, 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

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61405093)；江苏省自然科学基金青年基金资助项目(BK20140771)

吕锦超(1992-)，男，硕士，主要从事激光超声的研究工作

倪辰荫，副教授，主要从事激光超声无损检测研究，Chenyin.ni@njust.edu.cn

10.11973/wsjc201706004

TG115.28; O426.3

A

1000-6656(2017)06-0019-05