CC BY
0
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, osys11 @gmail.com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Katasonov Alexander Olegovich, teacher, katasonovrffi@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykova Polina Aleksandrovna, master's, [email protected], Russia, Barnaul, Altai State University,
Timokhova Oksana Mikhailovna, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ukhta, Ukhta State Technical University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Markov Viktor Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
УДК 534.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-141-142
ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛАХ
С.А. Войнаш, Д.А. Фадеев, Р.Р. Загидуллин, И.В. Ворначева, В.А. Соколова
Среди наиболее информативных методов неразрушающего контроля следует выделить акустические методы. Настоящая статья представляет собой детальное описание процесса разработки лазерно-акустического способа измерения поверхностных и сквозных дефектов, таких как трещины, в металлических изделиях, а также для выявления нарушений металлических пленок и других неферромагнитных материалов.
Ключевые слова: лазерно-акустический метод, дефект, металлические изделия, трещины.
Применение акустических волн в контексте неразрушающего контроля качества материалов и изделий для выявления дефектов имеет свой исторический корень в первой половине XX века. На сегодняшний день наиболее широко применяемыми в научных исследованиях и промышленной диагностике являются методы, включающие прямое эхо, основанные на использовании ультразвуковых генераторов и приемников [1], а также их вариации, такие как электромагнитно-акустический метод и метод свободных колебаний [2]. Их популярность обусловлена наличием разнообразных промышленных устройств и оборудования.
Во второй половине XX века, вскоре после изобретения первых лазеров в начале 60-х годов и соответствующих методов их применения, были разработаны методы лазерной генерации акустических волн. В течение нескольких лет эти методы были предложены для использования в диагностике твердых материалов и изделий. Были разработаны соответствующие методики лазерно-акустического контроля [3].
Однако, несмотря на перспективность лазерно-акустических методов контроля, они пока не получили широкого применения. Это можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, до 90-х годов XX века конструкции лазеров, способных генерировать короткие импульсы, были сложными и не могли использоваться в производственных условиях. Во-вторых, не существовало достаточно простых и надежных методов детектирования акустических волн, взаимодействующих с дефектами, возбуждаемыми лазером. В-третьих, уровень квалификации производственного персонала для работы с лазерными излучателями оставался недостаточным.
К моменту начала исследований, проводимых в рамках данной работы, первая проблема была решена благодаря разработке нового поколения твердотельных импульсных лазеров, которые оказались простыми и надежными в использовании.
Целью данного исследования стало разработка новых методов обнаружения типичных дефектов в изделиях машиностроения, энергетики и электроники. Это особенно актуально, учитывая, что существующие публикации в основном фокусируются на изучении образцов различных материалов с использованием лазерно-акустического метода, оставляя практически без внимания конкретные методики применения данного метода для обнаружения и измерения размеров дефектов.
Материалы и методы. Основополагающим компонентом устройства лазерно-акустического контроля является импульсный лазер на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом, обладающий длиной волны 1064 нм. Система фокусировки лазерного излучения на поверхности объекта контроля реализована с использованием оптической системы, состоящей из коллиматора и цилиндрической линзы. Лазерный пучок фокусируется на поверхности объекта в виде узкой полоски шириной 0,1 мм. Путем наложения соответствующей маски между линзой и объектом контроля достигается варьирование длины полоски в пределах от 0,35 мм до 10 мм.
Детекция возбуждаемых ультразвуковых волн осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем, а сигнал с преобразователя передается на цифровой осциллограф через усилитель высоких частот. С целью предотвращения разрушительного воздействия лазерного излучения на поверхность объекта контроля, его интенсивность регулируется с использованием светофильтра. Влияние лазерного пучка на область дефекта сопровождается изменением амплитуды и времени прихода акустического импульса поверхностно-акустической волны (ПАВ).
Поскольку амплитуда акустического сигнала, регистрируемого пьезоэлектрическим преобразователем, зависит от шероховатости исследуемой поверхности, а также от качества акустического контакта преобразователя с поверхностью, основным методом обнаружения и измерения размеров дефектов является анализ времени распространения поверхностно-акустической волны от зоны генерации до места дефекта. Предложенный метод основывается на временном теневом анализе в рамках лазерно-акустического контроля.
141
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 12
Результаты экспериментов. Образец №1 представлял собой металлическую пленку (рис. 1, а), посередине которой была образована трещина (рис. 1, б) в результате механического нагружения. Максимальная ширина раскрытия трещины согласно измерениям, полученным с помощью микроскопа при 40-кратном увеличении, составила порядка 70 мкм в месте зарождениями. Далее трещина сразу сужалась до 40 мкм, поле чего наблюдалось постепенное уменьшение ее ширины.
Рис. 1. Образец №1 (а) и увеличенное изображение трещины (б), образовавшейся в нем после механического нагружения
Сканирование данной трещины было произведено в области №1 и области №2, где ширина раскрытия составляла соответственно 30 и 10 мкм.
Зависимость времени распространения волны Рэлея от расстояния L между положением лазерного пучка и ПЭП, полученная при сканировании области №1 трещины, а также ее профиль представлены на рис.2.
6900 7Ю0
7300 I тм
7500
7700 7Ж
Рис. 2. Зависимости £ = Д(Ь) и и = Д(Ь) для области №1 поверхностной трещины в образце №1
При сканировании трещины в области №2 была получена зависимость изображенная на рис. 3.
№ 150 310 330
С 320 310 Ззо ¿90
гео
6900 7100 7900 8Ш 3900
I, тн
Рис. 3. Зависимость Г =/(Ь) для области №2 поверхностной трещины в образце №1
В связи с ограниченной шириной раскрытия трещины в рассматриваемой области (10 мкм), представленный на графике зависимости (рис.3) проявляет единственный временной сдвиг, который указывает на положение дефекта относительно начала сканирования. Этот сдвиг также предоставляет приблизительную оценку глубины трещины, выраженную как половина произведения временного сдвига на скорость распространения волны Рэлея в материале. Поскольку временной сдвиг составил 0,07 мкс при скорости распространения поверхностно-акустической волны (ПАВ) в 2,510Л3 м/с, глубина трещины d составляет 90 мкм.
Выводы. Разработанный метод оказывается достаточно универсальным, позволяя выявлять наличие различных дефектов, таких как трещины, риски, царапины и волосовины, а также определять их геометрические параметры, включая условную ширину, особенности структуры берегов, условную протяженность и глубину. Минимальная ширина раскрытия обнаруживаемых дефектов зависит от ширины пучка и продолжительности импульса. Точность измерений глубины дефекта не зависит от ширины лазерной полоски. Данная точность полностью определяется точностью измерения времени прохождения импульсов через дефект. Точность определения протяженности дефектов, в свою очередь, зависит от длины полоски сфокусированного лазерного пучка, изменяемой в пределах от 0,35 мм до 10 мм.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Алтайского государственного университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект «Аппаратно-программный комплекс для исследования металлических изделий и деталей вихретоковым и лазерно-акустическим методом».
Список литературы
1. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ.ред. В.В. Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
2. Ринкевич А.Б., Корх Ю.В., Смородинский Я.Г. Перспективы применения неразрушающего контроля для диагностики нано- и микроструктурных материалов // Дефектоскопия. 2010. №1. С. 14-20.
3. Баев А.Р., Гуделев В.Г., Кулак Г.В., Митьковец А.И., Матвеева А.Г., Ропот П.И. Оптико-акустическая диагностика дефектов на поверхности твердых тел // Проблемы физики, математики и техники. 2014. №1 (18). С. 711.
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, sergey_voi@mail. ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Фадеев Денис Андреевич, магистр, [email protected]. Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Загидуллин Рамиль Равильевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Ворначева Ирина Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна
LASER-ACOUSTIC DETECTION METHOD DEFECTS IN METALS S.A. Voinash, D.A. Fadeev, R.R. Zagidullin, I. V. Vornacheva, V.A. Sokolova
Among the most informative methods of non-destructive testing, acoustic methods should be highlighted. This article is a detailed description of the development of a laser-acoustic method for measuring surface and through-hole defects, such as cracks, in metal products, as well as for identifying defects in metal films and other non-ferromagnetic materials.
Key words: laser-acoustic method, defect, metal products, cracks.
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal
University,
Fadeev Denis Andreevich, master, [email protected]. Russia, Barnaul, Altai State University,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Vornacheva Irina Valerievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Kursk, South-WestState University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design
