Оценка поверхностных повреждений оптическим методом Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.375.826

ОЦЕНКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В.И. Мордасов ', Н.А. Сазонникова ', В.П. Шорин 2

'Самарский государственный аэрокосмический университет 2Самарский научный центр РАН

Рассмотрен способ и испытательное оборудование для обнаружения поверхностных дефектов в виде царапин, трещин, изменения состояния поверхности детали в результате химического воздействия и абразивного износа с использованием лазерных систем. Построена математическая модель вероятности распознавания дефектов по достижению энергетического соответствия зондирующего сигнала геометрическим параметрам исследуемого участка поверхности. Проведена экспериментальная оценка влияния глубины, угла раскрытия и расположения плоскости симметрии трещины на изменение распределения интенсивности излучения в световом пятне при его поверхностном отражении. Показаны преимущества применения в малогабаритных контрольно-измерительных системах лазерных диодов с квантоворазмерными структурами на основе материалов четверных систем.

Ограниченные возможности традиционных механических и оптических методов оценки поверхностных повреждений (невозможность проведения исследования в условиях эксплуатации без остановки оборудования и разборки изделий, низкая чувствительность измерений, сложность определения вида повреждения и др.) и случайный характер распределения самих повреждений и их параметров (глубина, угол раскрытия и расположение плоскости симметрии трещины, одновременное наличие различных видов повреждений и др.) требуют создания новых способов и испытательного оборудования для обнаружения дефек-

тов поверхности. Преимуществами приборов, принцип действия которых основан на использовании лазерного излучения, являются бескон-тактность, высокая информативность, быстродействие, возможность работы в реальном масштабе времени. Подобные измерительные приборы имеют существенное превосходство перед другими средствами контроля состояния поверхностей деталей и применяются для обнаружения поверхностных трещин, дефектов сварных швов и резьб, определения шероховатости и износа поверхности [1-2].

В данной работе приводятся методика и результаты исследования зависимости отража-

а)

б)

Рис. 1. Схема определения интенсивности излучения в отражённом сигнале при наличии поверхностного дефекта (а) и распространение излучения точечного источника в трещине (б): 1 - деталь, 2 - плоскость наблюдения, 3 - плоскость измерения интенсивности излучения в отражённом потоке, 4 - плоскость

симметрии трещины

тельной способ-ностн конструкционных материалов от состояния поверхности, вида повреждений поверхностного слоя, энергетического соответствия пространственно-временных характеристик отраженного сигнала различным видам дефектов и влияния характеристик зондирующих лазерных пучков (диаметра пятна, угла падения излучения, длины волны, интенсивности источника излучения) на результаты измерений.

Для выявления зависимости величины отраженного сигнала от параметров оптической системы (диаметра пятна, угла падения излучения, диаметра приемного объектива) и геометрических параметров дефекта рассмотрим изменение интенсивности зеркально отраженного излучения при сканировании по поверхности с трещиной произвольного угла раскрытия 2g (рис.1,а). При распространении излучения точечного источника в трещине (рис.1,б) и постоянном коэффициенте отражения,

j1 = я/2 - a - g, (1)

b1 = 2j1 + a = я - a - 2 g из треугольника ABO:

я/2 - j1 + я/2 - j2 + 2g = я , j2 = 2g - j1 = a+ 3g - я/2, (2)

b2 = я/2 - g - j2 = я - a - 4g, а для произвольного значения n: pn = я - a- 2ng,

jn = -(я/2 - a - (2n-1)g), (3)

где a - угол падения излучения на исходную поверхность; j1 - угол падения излучения на поверхность трещины; Р1 - угол между отраженным поверхностью трещины излучением и вертикалью при первом отражении; j2, b2

- угол падения излучения и угол между отраженным лучом и вертикалью при втором отражении от поверхности трещины; jn, bn - угол падения излучения и угол между отраженным лучом и вертикалью при выходе из трещины; g

- половина угла раскрытия трещины; n - число переотражений излучения.

Отметим, что после отражения от поверхности трещины излучение идет вниз, если jn < 0 вверх, если jn > 0. Соотношение углов a и g, для которых направление распространения излучения на выходе из трещины, соответствует направлению зеркально отраженного от исходной по-

верхности излучения и определяется в случае Рп = а, g = (я/2 - а)/п. При падении излучения источника с квадратным сечением с равномерным распределением мощности на поверхность с трещиной, когда приемный объектив также имеет квадратное сечение со стороной В2 и расположен под углом Р к нормали к поверхности, значение х (смещение светового пятна относительно края трещины), при котором излучение, выходящее из трещины, попадает на приемный объектив, удовлетворяет неравенству:

H2tgg < х < H2tgg + В'/со8а, (4)

где Н2 = В' - глубина трещины. Момент, при котором отраженное трещиной излучение начинает попадать на объектив, соответствует X' = х, тогда максимальное значение отраженного трещиной излучения попадает на приемный объектив при х = 2H2tgg. Затем значение этой величины снижается и становится равным нулю, при х = H2tgg + В^со8а.

Отношение величины сигнала W при наличии трещины к величине сигнала на бездефектной поверхности W0, при п = 2 для H2tgg < х < 2H2tgg определяется выражением:

W = В'/со8а - х + А22 (х - х'), (5)

W0 В'/со8а А' В'/соэа

а для 2H2tgg < х < H2tgg + В'/со8а,

W = х - 2H2tgg + А22 (х2 - (х -В'/соэа), (6) W0 В'/со8а А' В'/соэа

где А2 - коэффициент отражения поверхности трещины, А' - коэффициент отражения бездефектной поверхности. При этом доля излучения, попавшего на объектив после пере-отражения в трещине для соотношения углов g = (я/2 - а)/п, определяется координатой пятна х и не зависит от высоты расположения объектива над поверхностью Нг Аналогичная картина распространения излучения в трещине будет наблюдаться, при всех четных значениях п и неизменном значении ширины трещины. Условие Рп = а также выполняется при уменьшении угла раскрытия трещины. Координаты х' и х2 имеют те же значения, что и для п = 2, угол выхода излучения из трещины Рп соответствует углу Р2 при п = 2. Значения W/W0 определяются в соответствии с выражениями (5) и (6),во второе слагаемое вместо А22 входит А2п. При уменьшении угла раскрытия трещины данное условие выполняется при п = 2 и увеличе-

а)

Рис. 2. Распространение излучения в трещине при увеличении угла раскрытия трещины на величину 2Ау (а) и распространение излучения в трещинах с углами 2у и 2(у+Ау) (б)

нии значений углов а и Рп. Для нечетных значений п излучение выходит из трещины в направлении источника.

Рассмотрим случай, когда половина угла раскрытия трещины увеличивается на Дg (рис.2) и определим характеристики пучка, выходящего после переотражения из трещины при прежнем значении угла падения излучения а = 300 и глубины трещины (Н2 = В').

В соответствии с условием (3), излучение выходит из трещины под углом Р2'= Р2-4Дg, Р''= Р1-2Дg, Р' = я/2 - 2Дg, а ширина выходящих из трещины пучков Дх = х2 - хр Дх’ = х2' - х’'. Здесь знак ’ соответствует трещине с углом g + Дg. Если для трещины с углом g все излучение, попадающее в трещину, выходит из нее под углом Р2, то для трещины с углом g + Дg под углом Р2'= Р2- 4Дg распространяется излучение, попадающее в трещину при хн < х < хобр, имеет следующие параметры: хн= H2tg( g+Дg) - tgy, 8 = 2H2tg(g+Дg), 8/В' = 2tg(g+Дg). В частности, при Дg = 30 8/В' = ',3.

Определим значение хобр - координаты изменения направления сигнала. Из рис.2, а следует:

хобр + Ьобр^а + ^бр^^ =

Ьобр = (хобр + Чбр^а)с^РР (7)

Тогда момент, когда излучение, выходящее из трещины, начинает попадать на приемный объектив, определится условием (рис.2,б): 0/<0,

0'=х/ - х - - tgp2')(H1- 0,5 В^та),

х' - х < ^а - tgp2')(H1- 0,5 В^та). (8)

Излучение, выходящее из трещины, полностью попадает на приемный объектив при условии:

" ' б2<0, б;>0,'

Э'" = х' - х +В'/сова -(tga- tgp2')(H1- 0,5 В^та), х' - (х - В'/сова) < (tga- tgp2')(H1- 0,5 В^па), Э2'= х2' - х - ^а - tgp2')(H1- 0,5 В^та), х2' - х < Ова - tgp2')(H1- 0,5 В^па). (9) Излучение выйдет за границы приемного объектива при условии:

" ' 02" <0, '

Э2" = х2' - х +В'/со8а - ^а^Р^^-й^ В^та), х2' - (х - В'/сова) < (tgaa - tgp2')(H1- 0,5 В^та).

('0)

Соотношения (4), (5), (8) - ('0) позволяют построить зависимости изменения относительной величины сигнала W/W0 от значения координаты х (рис.3,а).

Для экспериментального подтверждения теоретических зависимостей влияния формы трещины (угла раскрытия трещины и расположения плоскости симметрии трещины) на изменение интенсивности излучения, отраженного от поверхности использовался источник с равномерным распределением интенсивности излучения круглого сечения. Приемный объектив с круглым сечением устанавливался над исследуемой поверхностью на высоте диаметр приемного объектива был равен диаметру источника излучения. Угол падения излучения составлял а=300. Угол а2 определял расположение плоскости наблюдения относительно исследуемой поверхности и был равен

Во

Рис. 3. Теоретические (а) и экспериментальные (б) зависимости изменения относительной величины сигнала для а= 300 и различных значений угла раскрытия трещины (а) и различных положений плоскости симметрии трещины (б): 1- у=30°, п=2, 3/В=1,15; 2-Ау=3°, Б]/Н1=1, п=2, Б/В=1,3; 3 - Ау= -30, В/Н= 1, п=2, Б/В=1,019; 4 - п^ю В/Н=1, Б/В=1,3; 5 - п^ю В/Н=1, Б/В=1,019; 6 - (р=00; 7 - р=-30, 8 - (р=30, 9 -

(=-50, 10 - (=50

0, если плоскость наблюдения перпендикулярна направлению распространения зеркально отраженного излучения от бездефектной поверхности. Относительная ширина трещины для всех случаев была равна 8/Э2=1,15. Относительная глубина трещины 8/И2 изменялась в диапазоне 8/И2 = 0,65...1,44, 8/И2= 0,65 соответствовала у = 180, 8/И2=1,44 соответствовала у = 35,80 (8 - ширина трещины, И2 - глубина трещины). Как показывают измерения, при а2 = 00 и а = у относительная величина сигнала не зависела от высоты расположения приемного объектива над поверхностью, и при всех значениях Их кривая имела один и тот же вид. Здесь введены обозначения: у - угол раскрытия трещины, фх- угол поворота плоскости симметрии трещины вокруг линии пересечения плоскости симметрии трещины с исходной поверхностью, ф2 - угол наклона плоскости симметрии трещины к плоскости, перпендикулярной данной плоскости. При 8/Э2>1 значения относительной величины сигнала W/W2 не зависели от соотношения ширины трещины и диаметра пятна, вид кривой определялся конфигурацией трещины (значениями углов у, фх и ф2). При 8/Э2<1 для той же трещины значения относительной величины сигнала W/W0 возрастали: при 8/Э2 ^0 W/W0 ^1 для всех точек поверхности, независимо от наличия дефектов, выявление трещин невозможно (этот вывод вытекает из зависимостей математической модели). Максимальное значение относительной величины сигнала на поверхности трещины при а = у соответствовало центру трещины (х/Л2 = 8/2Э2 + 1/2сова) и было равно при четном значении числа переотражений в трещине W/W0 = А(п-1),

где А - коэффициент отражения поверхности трещины, п - число переотражений в трещине. При нечетных значениях п и п^да (п>6,8/И2< 1) W/W0 ^0 для указанного значения х/Л2 при 8/

о2>ь

При уменьшении угла раскрытия трещины максимум на кривой смещался в сторону приемного объектива. Величина максимума и его смещение зависели от угла раскрытия и глубины трещины, а также расстояния от поверхности до приемного объектива.

Заметим, что изменение положения плоскости наблюдений (а2= 00) оказывает существенное влияние на форму кривой W/W0 (рис.3 ,б). Для а= у =300так же, как и при а2= 00, сохраняется значение относительной величины сигнала в максимуме и расположение максимума при всех значениях а2=00. Значение W/W0 в точках, соответствующих прохождению центра пятна через края трещины (х/Л2=0,577 и х/Л2=1,73), снижается с ростом а2. Для трещин с углами а-у характерно появление максимумов при х/Э2= 0,8...0,9, значение W/W0 в максимуме возрастает с ростом а2, при х/Ь2=1...1,6 наблюдается минимум, значение W/W0 в этой точке снижается с ростом а2. Для у = 340 максимальное значение W/W0 = 0,67 при х/Э2=0,9 и W/W0 = 0 при х/Л2=1,5 соответствуют а2=750. Для у = 270 и а2=750 максимальное значение W/W0= 0,85 при х/Л2= 0,83, W/W0= 0 при хЮ2=1,04.

Проведенные исследования показали, что расстояние от исследуемой поверхности до приемного объектива Их оказывает наибольшее влияние из всех параметров оптической системы на форму кривой W/W0. При Их/П2>1 форма кривой не зависит от значений углов у, ф1 и

ф2 и определяется только шириной трещины Б и соотношением ширины трещины и диаметра пятна 8/02. Соотношение 8/Б2 не оказывает влияния на определение характера трещины при 8/Б2>1. При 8/Б2<1 для той же трещины значения относительной величины сигнала W/ W0 возрастают, при 8/Б2 ^0 W/W0 ^1 для всех точек поверхности независимо от наличия дефектов, выявление трещин невозможно. Поворот плоскости симметрии трещины (изменение величины угла ф1) возможно выявить для неглубоких трещин (8/И2>1) при у-(л/2 - а)/п и -50<ф1<50. При большем угле поворота трещины и для глубоких трещин значение угла ф1 не влияет на форму кривой, так как излучение, пе-реотраженное поверхностью трещины не попадает на приемный объектив. Наклон плоскости симметрии трещины (изменение величины угла ф2) также приводит к смещению максимумов и минимумов на кривой сигнала измерений. Изменение положения плоскости наблюдения наиболее существенное влияние оказывает при у- (л/2 - а)/п. При а2-00 и ф1= 00 и ф2= 00 появляются максимум в левой части кривой (х/Б2<1) и минимум в правой части (х/ Б2^1), с ростом а2 возрастает значение W/W0 в максимуме и снижается значение W/W0 в минимуме. Несмотря на большую чувствительность к изменению угла раскрытия трещины при а2=00, изменение ориентации плоскости наблюдения может привести к снижению разрешающей способности метода при а2>450, так как поворот плоскости наблюдения при неизменном значении размеров приемного объектива равносилен снижению его площади в плоскости а2= 0.

Разработанное испытательное оборудование по обнаружению поверхностных дефектов по результатам измерения интенсивности отраженного лазерного излучения при сканировании по поверхности детали включает в свой состав гелий-неоновый лазер ЛГИ-224-1 (1 =

0,6328 мкм), стеклянную пластину для формирования опорного сигнала, два оптических ваттметра поглощаемой мощности ОМЗ-65 для регистрации сигналов опорного и измерительного каналов, плоские зеркала и собирающие линзы для направления излучения от источника к исследуемой поверхности и отраженного от поверхности излучения к фотоприемнику, уст-

ройство для перемещения образца. Величина опорного сигнала составляла ~ 6% от интенсивности источника излучения.

Были исследованы поверхности следующих образцов: из титанового сплава ВТ-14, из химически полированного алюминия АД-1М, из алюминиевого сплава АД-1М с покрытием на основе полисилоксанового масла, стеклотекстолита АФТ-2П. Профилограммы поверхностей образцов были записаны на профилографе завода «Калибр» модели 250.

Как показали исследования, резкое снижение интенсивности отраженного излучения на величину до 50...98% свидетельствует о наличии царапин, трещин и повреждения покрытий (рис.4,б). Размеры дефекта определяются разностью координат, соответствующих резкому снижению сигнала и его возрастанию до прежнего уровня. Вероятность распознавания дефектов зависит от соотношения размеров пятна излучения на поверхности и дефекта, а также шага сканирования и размера дефекта. Распознавание дефекта невозможно, если его площадь значительно меньше площади сканирующей апертуры и шаг сканирования превышает размеры дефекта. Наибольшая вероятность распознавания дефекта достигается в том случае, если диаметр пятна излучения на поверхности не превышает размеров дефекта и равен шагу сканирования. Разброс величины сигнала W/ W0 увеличивается с ростом шероховатости поверхности. Искривлению поверхности образца соответствует монотонное повышение или снижение величины сигнала W/W0 с ростом координаты х/х0 (образец из химически полированного алюминия с покрытием на основе полисилоксанового масла (рис.4,б)). Изменению шероховатости на участке поверхности образца соответствует изменение среднего уровня величины W/W0 (образец из стеклотекстолита АФТ-2П; Яа=7,45 - W/W0=0,49; Яа=4,8

- W/W0=1,1 (рис.4,в)).

Износ участка поверхности образца из титанового сплава ВТ14 (рис.4,а) характеризуется увеличением шероховатости и отклонением средней линии профиля, что соответствует снижению интенсивности излучения, отраженного от поверхности образца.

Наличие царапин, трещин и повреждений покрытий приводит к резкому снижению сиг-

Рис. 4. Общий вид профилограмм поверхности и зависимости изменения относительной величины сигнала от координаты х/х0 для образцов из титанового сплава ВТ 14 (№д=0,533 мВт) (а), химполированного алюминия с покрытием на основе полисилоксанового масла (Ж0 =0,99 мВт) (б) и стеклотекстолита АФТ - 2П (^=0,05мВт) (в): х = 1,6мм, х0 - чистая поверхность, поверхность, смачиваемая слоем воды толщиной Б=1,5 мм, вертикальное увеличение на профилограмме - 5000, горизонтальное - 50

нала W/W0. Возможно также резкое увеличение интенсивности отраженного излучения (образец из стеклотекстолита (рис.4,в)). Наиболее сильное снижение сигнала отмечается при наличии трещин (W/W0* 0,03). Наличие воды на поверхности образца приводит к снижению среднего уровня сигнала W0, величина которого зависит от материала образца. Для образца из титанового сплава ВТ14 (рис.4,а) слой воды толщиной 1,5 мм приводит к снижению интенсивности излучения, отраженного от поверхности образца, в 2 раза. Наличие повреждения регистрируется так же, как и на сухой поверхности. При смачивании поверхности образца водой происходит смещение пятна излучения на фотодиоде, величина которого зависит от толщины слоя жидкости.

Существенное уменьшение габаритов испытательного оборудования возможно при использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников излучения. Были проведены исследования их флуктуаций мощности, распределения плотности мощности и отклонения излучения в пространстве. Наиболее распространенными материалами для лазерных диодов являются кристаллы, полученные на основе ОаАз и 1пР с активной областью на основе материалов тройных и четверных систем. Примерами таких лазеров являются СаЛ1ЛзЛЗаЛ1 и ЛЮа-ГпР/ГпР лазерные диоды [3]. Преимуществами лазеров с четверной системой являются [4] : изопериодичность гетероструктуры и отсутствие температурных деформаций, связанных с несоответствием параметров решеток подложки и активной области; высокая оптическая прочность зеркал, отсутствие «дефектов темных линий», слабое участие дислокаций в процессе деградации и, вследствие этого, более высокая долговечность и выходная мощность; отсутствие изгибов на ватт-ам-перной характеристике и большая стабильность оси диаграммы направленности.

По сравнению с другими типами лазерных диодов лазеры с квантоворазмерными структурами имеют в 3 раза меньшее значение порогового тока и более высокое значение характеристической температуры (200К) и, следовательно, более слабую зависимость порогового тока и выходной мощности от температуры активной области и окружающей среды. Как

показали исследования, они характеризуются отсутствием изгибов на ватт-амперной характеристике и более высокой дифференциальной эффективностью. Лазеры с квантоворазмерными структурами сохраняют одномодовый режим и длину волны генерации при накачке импульсным током высокой частоты.

Наиболее приемлемыми для использования в контрольно-измерительных системах являются лазерные диоды с квантоворазмерными структурами с активной областью на основе материалов четверных систем.

Таким образом, построена математическая модель, описывающая изменение относительной величины сигнала W/W0 от безразмерной координаты х/В1 при сканировании по поверхности (В1 - поперечное сечение источника излучения) при различных соотношениях значений углов а и у (угла падения излучения и половины угла раскрытия трещины), когда размер поперечного сечения пучка и ширина трещины приблизительно равны (одного порядка), Ду < у. На участке поверхности с наличием трещины кривая изменения относительной величины сигнала имеет максимум или минимум в зависимости от глубины трещины. Угол раскрытия трещины, при котором имеется максимум на кривой, зависит от коэффициента отражения поверхности и угла падения излучения. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что расстояние от исследуемой поверхности до приемного объектива И1 оказывает наибольшее влияние из всех параметров оптической системы на форму кривой W/W0. Поворот плоскости симметрии трещины возможно выявить лишь для неглубоких

трещин (8/И2>1) при -50<ф1<50, при большом угле поворота трещины и для глубоких трещин значение угла ф1 не влияет на форму кривой. Наклон плоскости симметрии трещины приводит к смещению максимумов и минимумов на кривой отраженного сигнала. Изменение положения плоскости наблюдения приводит к появлению дополнительных максимумов и минимумов. Наиболее приемлемыми для использования в контрольно-измерительных системах являются лазерные диоды с квантоворазмерными структурами с активной областью на основе материалов четверных систем. Для учета флуктуаций мощности источника излучения в процессе измерений необходимо формирование опорного канала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Обнаружение поверхностных трещин оптическим сканированием // Испытательные приборы и стенды: Экспресс-информация.-1988, N 14(59), с.1-8.

2. Кукса Н.Н. Влияние площади считывающей апертуры фотоэлектрического дефектоскопа на вероятность пропуска дефекта // Дефектоскопия. - 1984. - N 4.- с.57-64.

3. Басов Н.Г., Елисеев П.Г., Попов Ю.М. Достижения и проблемы физики инжекцион-ных лазеров//Нелинейная оптика полупроводниковых лазеров.- М.: Наука, 1986, Тр.ФИАН; Т.166, с.3-14.

4. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т.1. М.: Мир, 1981.- 299 с.

5. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т.2. М.: Мир, 1981.- 364.

ESTIMATION OF SURFACE DAMAGES BY OPTICAL METHOD

© 1999 V.I. Mordasov1, N.A. Sazonnikova1, V.P. Shorin2

1 Samara State Aerospace University 2 Samara Science Centre of the Russian Academy of Sciences

This paper describes the methods and test equipment for laser detection of surface damages such as scratches, cracks and changes of component surface condition due to chemical reactions or abrasive deterioration. The mathematical model of damage recognition probability after reaching of energetic matching between probing signal and geometric parameters of examined surface area is constructed. An experimental estimation of crack angle, crack depth and position of crack symmetry plane influences to radiation intensity distribution in the light spot when the spot reflects from the surface. The advantages of usage of laser diods in compact control-measuring systems on basis of quadruple systems with quantum-well structures are demonstrated.