автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Лазерно-акустический метод обнаружения поверхностных, сквозных и подповерхностных дефектов в металлах и нарушений сплошности в металлических пленках

На правах рукописи

ИСМАГИЛОВ ИЛЬДАР РАШИДОВИЧ

ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ, СКВОЗНЫХ И ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ В МЕТАЛЛАХ И НАРУШЕНИЙ СПЛОШНОСТИ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАП 2015

Казань-2015

005569069

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», на кафедре «Промышленная электроника»

Научный руководитель: Калимуллин Рустем Ирекович

доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Промышленная электроника»

Официальные оппоненты: Морозов Олег Геннадьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ», заведующий кафедрой телевидения и мультимедийных систем

Серов Виктор Владимирович кандидат технических наук, инженер производственно-технического отдела ООО «РСК»

Ведущая организация: ФГБУН «Казанский научный центр Российской

академии наук», г. Казань

Защита состоится 26 июня 2015 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, ауд. Д-225, тел./факс (843)562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета и на официальном сайте КГЭУ http://www.kgeu.ru/Diss/Dissertant/198?1сГО155=27

Автореферат разослан «.2.3» апреля 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Калимуллин Рустем Ирекович

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

С каждым годом к устройствам и методам неразрушающего контроля (НК) предъявляются все более строгие требования, и на сегодняшний день назначением данных устройств является не только обнаружение и локализация дефектов в объекте контроля (ОК), но и определение их размеров и формы для оценки потенциальной опасности. Среди прочих требований немаловажной считается возможность устройства НК осуществлять обнаружение и определение параметров широкого спектра дефектов (поверхностных и подповерхностных) в различных ОК. Наличие данной возможности значительно повышает его конкурентоспособность на рынке продукции данного профиля.

Среди наиболее востребованных, надежных и постоянно совершенствуемых методов НК были и остаются акустические методы [1—3], основанные на регистрации колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте. По сравнению с другими методами контроля они обладают важными преимуществами: имеют высокую чувствительность к дефектам типа трещин, инородных включений и других нарушений сплошности контролируемого материала; характеризуются большой производительностью; обеспечивают возможность проведения процедуры контроля непосредственно на рабочих местах без прерывания технологического процесса.

Акустические методы НК не теряют своей актуальности благодаря тому, что среди них развиваются методы, позволяющие возбуждать акустические колебания в ОК бесконтактно. Особый интерес представляют электромагнитно-акустический (ЭМА) и лазерно-акустический способы. Последний из них, основанный на оптоакустическом эффекте, является наиболее перспективным с точки зрения применения в устройствах НК. Несмотря на то, что способ контроля на основе ЭМА преобразователей (ЭМАП) считается бесконтактным, отношение сигнал/шум и амплитуда полезного сигнала зависят от величины зазора между поверхностью объекта и ЭМАП. Лазерно-акустический способ является в полной мере бесконтактным, так как позволяет возбуждать акустические волны в объектах контроля на расстояниях, больших, чем при ЭМА контроле.

К сожалению, в настоящее время практически отсутствуют методы акустического контроля, основанные на бесконтактной генерации ультразвука импульсным лазерным излучением и позволяющие осуществлять не только обнаружение различных типов дефектов в металлах, но и определять их местоположение, геометрические размеры и форму. Отдельной проблемой является поиск единой концепции лазерно-акустического контроля, с одной стороны позволяющей стать основой для разработки метода обнаружения широкого спектра встречающихся на практике дефектов, с другой стороны учитывающей, что для практической реализации данного способа необходимо использовать единое и недорогое оборудование. Актуальность этих проблем возрастает при применении метода для различных объектов контроля.

По этой причине работа, посвященная разработке лазерно-акустического метода, позволяющего обнаруживать в металлических изделиях дефекты различных типов и определять их форму и размеры, является актуальной.

Объект исследования: поверхностные и сквозные дефекты в виде трещин и свищей, подповерхностные дефекты в металлических изделиях, нарушения сплошности в металлических пленках.

Предмет исследования: эффекты взаимодействия акустических волн с поверхностными, сквозными и подповерхностными дефектами и способы контроля на их основе.

Методы исследования: лазерно-акустические методы неразрушающего контроля.

Целью работы является разработка лазерно-акустического метода определения местоположения, формы и геометрических размеров поверхностных и сквозных дефектов типа трещин и свищей в металлических изделиях и нарушения сплошности в металлических пленках, а также для обнаружения подповерхностных дефектов в металлических изделиях.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1. Исследовать процессы взаимодействия поверхностных акустических волн (ПАВ) с поверхностными дефектами различных форм, на основе чего усовершенствовать существующий лазерно-акустический способ обнаружения дефектов [4] в части повышения его универсальности и информативности.

2. Исследовать эффекты взаимодействия ПАВ с дефектами типа трещин и свищей в металлических трубах и разработать лазерно-акустический способ определения местоположения и геометрических размеров таких дефектов.

3. Исследовать эффекты взаимодействия ПАВ с дефектами типа нарушения сплошности в тонких металлических пленках, напыленных на диэлектрическую подложку, и разработать лазерно-акустический способ определения их местоположения и размеров.

4. Исследовать эффекты взаимодействия объемных и поверхностных акустических волн, возбуждаемых импульсным лазерным излучением, с подповерхностными дефектами и разработать "способ определения их местоположения.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Усовершенствован существующий способ обнаружения поверхностных дефектов в виде прямоугольного надреза [4, А1] в части его применимости к обнаружению поверхностных дефектов и других типов, а также к определению их формы и геометрических размеров.

2. Разработан способ определения местоположения и геометрических размеров дефектов типа сквозной трещины и свища в металлических трубах, основанный на фиксации момента прерывания распространяющегося по поверхности трубы акустического сигнала ПАВ в случае попадания дефекта в область между лазерным источником и детектором.

3. Разработан способ определения местоположения и размеров поверхностных дефектов в тонких металлических пленках, напыленных на диэлектрическую подложку, основанный на резком затухании амплитуды сигнала ПАВ, возбуждаемых сканирующим импульсным лазерным пучком, при ее генерации в области дефекта.

4. Разработан способ определения местоположения подповерхностных дефектов в металлических изделиях, основанный на интерференции ПАВ -первичной, непосредственно возбуждаемой лазерным источником, и трансформировавшейся на поверхности ОК из объемной акустической волны (ОАВ), возбуждаемой тем же пучком и отраженной от подповерхностного дефекта.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов

Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются сходимостью результатов по определению геометрических размеров поверхностных трещин с данными, полученными с помощью атомно-силового микроскопа, а также МикроСкринера на базе инвертированного микроскопа «ЛабоМет-И (вариант 2)»; воспроизводимостью экспериментальных данных при многократных экспериментах в различных условиях взаимного расположения сканирующей системы и подповерхностных дефектов, сквозных дефектов в металлических трубах и нарушений сплошности в металлических пленках, непротиворечивостью экспериментальных результатов и выводов известным теоретическим положениям.

Практическая значимость

Разработанный лазерно-акустический метод позволяет с помощью сканирования одной и той же установкой, состоящей из импульсного лазерного источника с пучком, сфокусированным на исследуемую поверхность в виде полоски, и пьезоэлектрического преобразователя,

а) определять местоположение, форму и геометрические размеры поверхностных дефектов типа надрезов, трещин, царапин, рисок, волосовин в металлических изделиях;

б) определять местоположение и геометрические размеры несплошностей в металлических тонкостенных трубах и тонких металлических пленках, напыленных на диэлектрическую подложку, что может найти применение при выходном контроле качества металлических труб и покрытий;

в) определять местоположение подповерхностных дефектов в металлических изделиях, возникающих в процессе литья из-за не успевших выйти на поверхность газовых пузырей до кристаллизации металла, и, как правило, расположенных вблизи поверхности (на глубине до 2 мм). Это может найти применение при выходном контроле качества отливок.

На защиту выносятся

1. Усовершенствованный способ обнаружения поверхностных дефектов, позволяющий определять их местоположение, форму и геометрические размеры путем пошагового сканирования сфокусированным импульсным лазерным пучком.

2. Способ определения местоположения, протяженности и ширины сквозных дефектов в металлических трубах, основанный на прерывании распространяющегося по поверхности акустического сигнала ПАВ, генерируемого импульсным лазерным пучком.

3. Способ определения местоположения и размеров дефектов в виде нарушения сплошности в тонких металлических пленках, напыленных на диэлектрическую подложку, на основе амплитудного анализа детектируемых ПАВ, возбуждаемых сканирующим импульсным лазерным пучком.

4. Способ определения местоположения подповерхностных дефектов в металлических изделиях, основанный на интерференции ПАВ - первичной, непосредственно возбуждаемой лазерным источником, и трансформировавшейся на поверхности ОК из объемной акустической волны, возбуждаемой тем же пучком и отраженной от подповерхностного дефекта.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и публиковались в материалах и тезисах международных и всероссийских научно-технических конференций: «Электронные приборы, системы и технологии» (Томск, 2011), XVIII, XIX и XX Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2012, 2013, 2014); «XX Туполевские чтения» (Казань, 2012); «VII-IX Тинчуринские чтения» (Казань, 2012-2014); «Измерения, контроль и диагностика» (Ижевск, 2012); «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVII Бенардосовские чтения), (Иваново, 2013); «Современные техника и технологии» (Томск, 2013), «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы» (Казань, 2013); «XXV Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов - МИКМУС-2013» (Москва, 2013).

Результаты диссертации использованы в промышленности, о чем свидетельствует Акт об использовании ее результатов в ООО НПЦ «Поиск-МарГТУ» для выходного контроля качества металлических изделий и металлизированных покрытий.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК, и 10 в материалах всероссийских и международных научных конференций. Перечень авторских публикаций приведен в конце автореферата и диссертации.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в публикациях и диссертации, получены при непосредственном участии соискателя. Автор принимал участие в наладке и испытаниях используемого в экспериментах устройства лазерно-акустического контроля, разработанного А.А. Хасановым [4] под руководством Р.И. Калимуллина. Автор принимал участие в разработке лазерно-акустического способа обнаружения поверхностных дефектов в виде надрезов [4, Al] и под руководством Р.И. Калимуллина разработал на его основе усовершенствованный способ, представленный в п. 1 научной новизны и полученных результатов. Остальные представленные в работе способы обнаружения дефектов разработаны автором при участии научного руководителя.

Обсуждение результатов и подготовка публикаций, написанных по итогам исследования, проводились совместно с соавторами.

Соискатель лично провел все измерения и обработку экспериментальных данных, результаты которых приведены в диссертации, а также представлял результаты на научных конференциях.

Соответствие диссертации научной специальности

Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Полученные в работе научные результаты соответствуют п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» Паспорта специальности.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 136 страниц, включая 75 рисунков, 5 таблиц и 1 приложение. Библиографический список содержит 98 наименований использованной литературы и 14 наименований работ автора, опубликованных по теме диссертации.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, указаны научная новизна и практическая значимость выполненной работы, сформулированы ее цель и задачи.

Первая глава посвящена анализу процесса генерации акустических волн импульсным лазерным источником и обзору методов их детектирования. Необходимость обнаружения микродефектов обусловливает применение акустических волн малой длины, что, в свою очередь, требует применения коротких лазерных импульсов. Методы детектирования разделяют на две группы: контактные и бесконтактные. Последние предоставляют возможность детектировать акустические волны без механического контакта с объектом контроля, чем обусловлены не только их преимущества, но и недостатки: низкие помехо- и виброустойчивость, низкая чувствительность. Контактные методы имеют высокую чувствительность, просты в реализации, обеспечивают лучшее соотношение сигнал/шум, а также позволяют детектировать как поверхностные, так и объемные акустические волны. Наибольшее распространение получили контактные методы детектирования, основанные на применении пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).

В заключение был сделан вывод о том, что в реальных производственных условиях наиболее пригодны комбинированные методы генерации акустических волн с помощью импульсного лазера и детектирования их пьезоэлектрическим преобразователем. Использование при этом для контроля вместо абсолютных характеристик (например, амплитуда акустического сигнала) таких величин как резкие изменения амплитуды сигнала, длины акустического хода позволяет отказаться от необходимости калибровки при каждой перестановке контактного акустического датчика.

На достоверность результатов обнаружения и точность определения местоположения, размеров и формы дефектов в объектах контроля влияет соотношение сигнал/шум при детектировании возбуждаемых лазерным

излучением ПАВ, которое существенно зависит от качества контролируемой поверхности.

При осуществлении контроля необходимо учитывать, что для достижения приемлемого соотношения сигнал/шум величина шероховатости поверхности ОК должна быть как минимум на два порядка меньше длины волны Рэлея, которая в свою очередь зависит от длительности генерирующего ее лазерного импульса.

Также в главе рассмотрена классификация дефектов металла, для контроля которых предназначен разрабатываемый универсальный метод. Основное внимание уделено поверхностным дефектам типа трещин, рисок, царапин, волосовин, а также подповерхностным дефектам типа пузырей, газовых раковин, пор.

Вторая глава посвящена исследованию эффектов взаимодействия акустических волн с рассмотренными в первой главе поверхностными дефектами и разработке усовершенствованного способа их обнаружения.

Исследование взаимодействия ПАВ, возбуждаемых сканирующим лазерным пучком и детектируемых ПЭП, с поверхностными дефектами было проведено ранее в работах [А7, А8, А10, All], На основе анализа экспериментальных данных при участии автора был разработан временной теневой способ лазерно-акустического контроля [4, А1], позволяющий определять местоположение и размеры (глубину и ширину) поверхностных дефектов в виде прямоугольных надрезов в металлических ОК.

Так как на практике поверхностные дефекты могут принимать различные формы, автором было дополнительно исследовано взаимодействие волн Рэлея с дефектами с различными профилями в поперечном сечении, такими как прямоугольный, трапецеидальный и клинообразный, а также рассмотрены случаи с клинообразной и с сечением в виде параллелограмма трещиной, распространяющейся под углом к поверхности ОК. На основании анализа полученных данных взятый за основу способ [4, А1] был усовершенствован. Теперь он позволяет по измеренной зависимости t определять

местоположение и форму,

геометрические размеры поверхностных дефектов не только в виде надрезов, но и типа трещин, царапин, рисок, волосовин в металлических изделиях.

В данном способе осуществляется сканирование поверхности объекта контроля возбуждающим акустические

волны лазерным пучком при компьютер; 9 - цилиндрическая линза; закрепленном ПЭП (рис. 1) и строится 10-ПЭП; 11-ОК

Рис. 1. Структурная схема устройства лазерно-акустического контроля [4]:

1,8- усилители высоких частот; 2 - М:УАв-лазер; 3 - осциллограф; 4 - светофильтр; 5 - фотодиод; 6 - коллиматор; 7 - персональный

зависимость времени прохождения акустических импульсов от расстояния Ь по поверхности между лазерным источником и ПЭП. По времени / и скорости распространения V« от области генерации до области детектирования вычисляется длина акустического хода ¿ак волны Рэлея.

Если на определенном участке сканирования £ак = Ь, то можно утверждать, что исследуемая поверхность бездефектна в данном пространственном промежутке между 6) лазерным пучком и ПЭП. При отсутствии дефектов угол наклона ср графика функции / =Д£) неизменен (обозначим его <ро) и обратно пропорционален Уя в конкретном Рис. 2. Зависимость t - /{/_) (а) и материале. При попадании в область соответствующий ей профиль между лазерным пучком и ПЭП

поверхности ОК (б): глубина дефекта; поверхностного дефекта акустический IV - ширина дефекта импульс волны Рэлея распространяется

с огибанием дефекта, и ¿ак > Ь. Изменение угла наклона (р относительно фо свидетельствует о наличие дефекта, а местоположения изломов зависимости г указывают на его

границы (рис. 2).

Проверка пригодности усовершенствованного способа для определения размеров реальных поверхностных дефектов была произведена на

образцах с поверхностными

металлических реальными трещинами.

В результате экспериментов по генерации и детектированию ПАВ были получены зависимости / для нескольких трещин.

На рис. 3, а представлен график функции / =/[Ь ак), полученной экспериментальным путем для одной из трещин, а на рис. 3,6 -построенный профиль данной трещины.

Точность определения

ширины раскрытия дефекта и его местоположения на поверхности определяются степенью

а)

-150 -

-250

б)

4 11111"

7400 7500 Ь, мкм

7700

Рис. 3. Зависимости (=/(/.) (а) и (/=/(/.) (б) для одной из поверхностных трещин

фокусировки лазерного пучка. В данном случае лазерный пучок был сфокусирован в полоску шириной 100 мкм, что и определяет точность. Достигнутая нами точность может быть увеличена более тонкой фокусировкой лазерного пучка, если использовать лазер с меньшей расходимостью.

С учетом предела дифракционной расходимости оптического пучка минимальная ширина фокусируемой полоски может быть доведена в перспективе до половины длины волны лазерного излучения. Тем не менее, точность определения глубины дефекта не связана с шириной лазерной полоски и зависит лишь от точности измерения времени прохождения акустических импульсов (и связанного с ним вычисления скачкообразного изменения длины акустического хода £ак).

Полученные нами оценки ширины измеренных трещин вполне соответствуют их значениям, измеренным с помощью атомного силового микроскопа в Казанском физико-техническом институте им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН, а также МикроСкринера на базе инвертированного металлографического микроскопа «ЛабоМет-И (вариант 2)». Для трещин, ширина которых больше ширины лазерной полоски, глубина с точностью до '510% соответствует непосредственным измерениям с помощью щупа. Разработанный способ лазерно-акустического контроля позволяет также определять приближенно протяженность поверхностной трещины, которая будет равна произведению длины лазерной полоски (в нашем случае минимум 350 мкм) на число проходов сканирующим пучком, при которых наблюдается изменение длины акустического хода волны Рэлея. Абсолютная погрешность определения ширины раскрытия поверхностного дефекта составила Ди>=10 мкм, глубины Дс/ =10 мкм. Минимальные достигнутые ширина раскрытия, глубина и протяженность выявляемого дефекта соответственно равны 10 мкм, 90 мкм и 350 мкм.

Третья глава посвящена разработке лазерно-акустического способа обнаружения и определения местоположения сквозных дефектов в металлических трубах и несплошностей в тонких металлических покрытиях на диэлектрической подложке. При этом изначально ставилась задача использовать для контроля уже существующую, описанную выше, установку.

При исследовании сквозных дефектов в металлических трубах в качестве ОК были выбраны отрезки стальных труб со сквозными трещинами и свищами. Для возбуждения акустических волн в объекте контроля его поверхность подвергалась воздействию импульсного лазерного излучения, сфокусированного в виде тонкой полоски 0,1x10 мм. Детектирование термооптически возбуждаемых волн осуществлялось с помощью ПЭП, расположенного на поверхности трубы на расстоянии примерно трети длины дуги окружности от лазерного пучка по кратчайшему пути (рис. 4, а). Когда между областью генерации акустических волн и детектором отсутствовали какие-либо дефекты, на временных диаграммах распространения акустических волн наблюдались отклики волны Рэлея, соответствующие волнам, прошедшим от лазерного пучка до ПЭП как по минимальной дуге, так и по максимальной (рис. 4, б).

а)

в

б)

! Г~

сигнал синхронизации

Рис. 4. Схема эксперимента по возбуждению и детектированию ПАВ в трубах (а) и временная диаграмма распространения акустических волн (б) при отсутствии дефекта. 1 - лазерный пучок; 2 - ПЭП; ¿-Л и /_в - длина акустического хода ПАВ по минимальной и максимальной дугам соответственно; Яд и Кз-акустические отклики ПАВ, соответствующие £_д и (-в.

В случае со сквозным дефектом, располагающимся между лазерным пучком и ПЭП на минимальной дуге, наблюдается исчезновение первого акустического отклика волны Рэлея К а, в то время как второй (Яв) уверенно детектируется. Если дефект располагался между лазерным пучком и ПЭП на максимальной дуге, наблюдалось исчезновение акустического отклика Кв от волны Рэлея, не дошедшей до ПЭП по причине появления сквозного дефекта на пути распространения. Исчезновение и появление на временных диаграммах откликов рэлеевской волны, распространяющихся по поверхности трубы в обе стороны от области облучения к ПЭП, применялось для обнаружения сквозных дефектов в зоне контроля и» (на поперечном сечении трубы, проходящем через область генерации и детектирования ПАВ), определения его местоположения,

протяженности (для протяженных дефектов) и ширины.

Для определения этих параметров лазерно-акустический контроль трубы проводился в два этапа: продольным и круговым сканированием. На первом этапе осуществлялось пошаговое сканирование поверхности вдоль трубы с одновременным перемещением лазерного пучка и ПЭП (рис. 5) на величину целой длины полоски лазерного

пучка, определяющей ширину зоны контроля Минимальное значение длины полоски при оптимальном соотношении сигнал/шум при детектировании сигналов ПАВ в данном случае составляет 350 мкм. Протяженность дефекта определялась как произведение м>п на количество шагов N сканирования, при которых наблюдалось исчезновение соответствующего отклика волны Рэлея.

Ширина раскрытия сквозного дефекта будет определяться по формуле ч> = I - 1\ - 12, где I - длина окружности трубы, /, - длина дуги между ПЭП и положением лазерного пучка, при котором наблюдается исчезновение второго отклика ПАВ Лв (для рис. 5, б), распространяющейся по бездефектной поверхности трубы, а /г - длины дуги между ПЭП и положением лазерного пучка, при котором наблюдалось появление отклика ПАВ ЯА (для рис. 5, б), исчезнувшего на этапе продольного сканирования. Описанный выше способ был успешно применен и для обнаружения в трубе дефекта типа свищ.

Абсолютная погрешность определения протяженности дефекта при продольном сканировании составила

350 мкм (минимальная длина полоски лазерного излучения) и ширины при круговом -0,0087с/, где ¿/-диаметр трубы.

При исследовании

металлических покрытий

(вторая часть третьей главы) в качестве объектов контроля (ОК) были выбраны тонкие алюминиевые пленки толщиной 0,5 и 3 мкм, нанесенные на диэлектрическую подложку (пластины из силикатного стекла толщиной 5 мм) с помощью вакуумного магнетронного напыления. Подобные пленки наносят при изготовлении акустоэлектронных устройств на ПАВ. Лазерный пучок фокусировался на поверхности ОК в полоску 10x0,1 мм, при этом его интенсивность была уменьшена светофильтрами до уровня, исключающего возможность повреждения тонкого алюминиевого покрытия, но достаточного для возбуждения в нем акустических волн.

Рис. 5. Схема эксперимента по обнаружению сквозных дефектов в трубах при продольном (а) и круговом (б) сканировании лазерным пучком. 1 - лазерный пучок; 2 - ПЭП, 3 - дефект

/

и

3

-

4

■5

12-

Рис. 6. Схема эксперимента по возбуждению и детектированию ПАВ в металлическом покрытии с дефектом. 1 - ПЭП; 2 - подложка (стекло); 3 - дефект; 4 - лазерный пучок; 5 - металлическое покрытие

На начальном этапе исследований были проведены эксперименты по возбуждению и детектированию ПАВ в

бездефектных металлических

покрытиях. Сканирование

поверхности тонких пленок происходило путем перемещения лазерного пучка по направлению к неподвижно закрепленному ПЭП. Затем на исследуемых покрытиях был искусственно нанесен дефект в виде сквозного надреза ширинок примерно 100 мкм и проведено

повторное сканирование образца с прохождением через поверхностный дефект с шагами 1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 мм. При этом во всех экспериментах выбирались неизменными расстояния между дефектом и ПЭП (¿Д а также между начальным положением лазерного пучка и ПЭП (£«). На рис. 6 представлена схема эксперимента в случае пленки с дефектом. В случае бездефектного покрытия по мере отдаления лазерного пучка от детектора амплитуда ПАВ монотонно затухала.

При исследовании пленок с дефектом приближение области генерации ПАВ к границам дефекта сопровождалось значительным

затуханием её интенсивности (рис. 7). При попадании

сфокусированного лазерного пучка в область дефекта амплитуда ПАВ уменьшалась до минимального для всей области сканирования дефекта значения.

После того как лазерный пучок пересекал вторую границу дефекта, наблюдалось резкое возрастание амплитуды ПАВ. По мере дальнейшего удаления области генерации ПАВ от ПЭП интенсивность сигнала акустической волны уменьшалась, как и в бездефектном образце.

При уменьшении шага сканирования до минимального (0,01 мм) были получены значения амплитуды сигнала ПАВ в области дефекта ниже, чем при больших шагах, что указывало на более точное местоположение дефеюга в металлическом покрытии. Штриховые линии на рис. 7 обозначают границы надреза. При этом минимум амплитуды сигнала в области ¿=12,90 мм совпадает с действительным положением центра надреза с точностью до 10 мкм.

Лазерно-акустическую дефектоскопию металлических покрытий целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе сканирование осуществляется с шагом 1 мм, чтобы обнаружить наличие дефектов и предельные границы их залегания. Крупный шаг сканирования позволяет за более короткое время выявить дефекты на большей площади. На втором этапе только в пределах залегания дефекта с шагом 0,01 мм исследуется поверхность металлических покрытий для определения его точного местоположения. Минимальная ширина выявляемого дефекта была равна минимальному шагу сканирования и составила 10 мкм.

В четвертой главе на основе анализа проведенных автором экспериментов показана возможность обнаружения и определения местоположения подповерхностных дефектов в металлах на глубине до 2 мм с помощью устройства, использовавшегося ранее для контроля поверхностных и сквозных дефектов.

В начале главы рассмотрены три режима генерации акустических волн импульсным лазерным источником УАС:Ш3+ в зависимости от интенсивности излучения, каждый из которых характеризуется соответствующей диаграммой направленности продольной компоненты ОАВ. На основании проведенного анализа была выбрана (с помощью комбинации светофильтров) интенсивность

V 1 .1

I 1

I 1

V. I 1

V ! 1 /..>;<'"•'

\ I 1 •

"н 1

•ю

г -»1 , . 1 !_границы 1* дефекта 1

12,5 12,7 12,9 13,1 13,3 13,5 мм

Рис. 7. Зависимость амплитуды ПАВ от расстояния между областью облучения и ПЭП в области дефекта с шагом 0,01 мм

излучения, чтобы генерация акустических волн происходила на границе термоупругого и

испарительного режимов. Как показано в работе [5], возбуждаемые при этом продольные объемные акустические волны направлены преимущественно по нормали к поверхности ввода.

В качестве ОК были выбраны образцы из алюминиевого сплава Д16АТ с искусственными

подповерхностными дефектами.

Образцы представляли собой бруски с размерами 100x10x10 Мм. В качестве дефектов выступали как сквозные, так и глухие отверстия разного диаметра с осью, расположенной как

перпендикулярно направлению

сканирования, так и под углом, отличным от прямого, а также отверстия, имитирующие газовые поры.

Схема эксперимента изображена на рис. 8. Глубина залегания дефекта с1х (минимальное расстояние от поверхности образца до стенки дефекта) имела значения в диапазоне 1-2 мм в зависимости от диаметра отверстия и расстояния Ы от поверхности образца до его оси.

Для изучения особенностей распространения возбуждаемых

лазерным излучением акустических волн на начальном этапе были проведены эксперименты по сканированию бездефектного образца (без отверстий). В результате была получена зависимость амплитуды сигнала волны Рэлея и от расстояния Ь между лазерным пучком и ПЭП (рис. 9, линия 1). При использовании звукопоглощающего слоя,

прикрепленного к донной поверхности ОК, была получена зависимость имеющая монотонно убывающий характер (рис. 9, линия 2).

1 <5

2 /

Рис. 8. Схема эксперимента по обнаружению подповерхностных дефектов: 1 - ОК; 2 - модель дефекта; 3 -лазерный пучок; 4 - ПЭП

5 10 15 20 25 30 Ь, мм

Рис. 9. Зависимость и=ЦЦ при сканировании бездефектного образца

со звукопоглощающим слоем на донной поверхности (2) и без него (1)

0,8

5 10 15 20 25 30 Ь, мм

Рис. 10. Зависимость и=ЦЦ в образце со сквозным отверстием (штриховой линией обозначено положение оси отверстия относительно ПЭП: 1 -9 мм; 2-15 мм)

13

Введение данного слоя позволяет повысить соотношение сигнал/шум при построении зависимости и=/(Ь) и, как следствие, достоверность выявления и определения местоположения

подповерхностных дефектов.

Зависимость и=/(Ь) в случае образца с подповерхностным дефектом в виде сквозного отверстия при многократном сканировании

характеризовалась аномальными

изменениями там, где область возбуждения акустических волн оказывалась над ним. На рис. 10 изображены графики и=ДЦ в образце со сквозным отверстием диаметром 2 мм, ось которого находилась, например, на расстоянии 9 мм и 15 мм от ПЭП и 2 мм от поверхности бруска. Как видно из графика, когда положение лазерного пучка совпадало с осью отверстия (показана штриховой линией), наблюдалось повышение амплитуды сигнала детектируемой волны Рэлея. Затем следовало резкое уменьшение амплитуды, после которого зависимость принимала вид, характерный для бездефектного образца (рис. 9). Данный эффект многократно наблюдался при различных расстояниях от ПЭП до оси отверстия и с моделями дефектов в виде сквозных, глухих и имитирующих газовые поры отверстий (в случае прохождения лазерного пучка непосредственно над дефектом), а также в случаях, когда ось отверстия была ориентирована под произвольным углом относительно направления сканирования.

Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом (рис.11). При воздействии импульсного лазерного излучения на ОК в нем будут генерироваться как ПАВ (волна Рэлея), так и ОАВ, преимущественно распространяющиеся перпендикулярно поверхности. При приближении лазерного пучка к области объемного дефекта ПАВ, распространяющаяся вдоль поверхности, не претерпевает каких-либо изменений, поскольку не проникает на глубину дефекта. Объемная же волна будет отражаться от границы дефекта и, достигнув поверхности ввода, трансформироваться в ПАВ. В зависимости от положения сканирующего лазерного пучка относительно дефекта импульсы трансформировавшихся волн будут взаимодействовать с первичными импульсами ПАВ. Время пробега ОАВ до дефекта и обратно к поверхности, являющееся временем сдвига вторичной рэлеевской волны относительно первичной, оказывается в условиях нашего эксперимента настолько малым, что вызывает увеличение амплитуды акустического сигнала на детекторе при их сложении. Максимум суммарной амплитуды двух интерферирующих

1 5 7

Рис. 11. Взаимодействие акустических

волн с дефектом, залегающим под поверхностью исследуемого объекта, при облучении лазером над центром

дефекта: 1 - лазерный пучок; 2 - образец; 3 - генерируемая ОАВ; 4 - дефект; 5 - направление распространения первичной ПАВ; 6 - отраженная от поверхности дефекта ОАВ; 7 - детектор; 8 - ПАВ, трансформировавшаяся из ОАВ на поверхности образца

рэлеевских волн на ПЭП наблюдается при расположении лазерного пучка над центром дефекта, поскольку в этом случае вертикальная компонента отраженной волны достигает наибольшего значения. Уменьшение амплитуды суммы рэлеевских волн после прохождения дефекта можно объяснить изменением направления отраженного импульса ОАВ от поверхности дефекта, что приведет к смещению фазы вторичной, трасформировавшейся рэлеевской волны относительно первичной.

Абслютная погрешность определения местоположения подповерхностного дефекта- составила 0,5 мм, минимальный диаметр выявляемого дефекта составил 1 мм.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследовано взаимодействие поверхностных акустических волн с поверхностными дефектами различных конфигураций (с прямоугольным, трапецеидальным, клинообразным профилями). На основании анализа полученных результатов усовершенствован и апробирован на реальных дефектах существующий способ лазерно-акустического контроля для определения местоположения, глубины, ширины раскрытия, протяженности поверхностных трещин (а также царапин, рисок, волосовин) и профиля их берегов.

2. Разработан лазерно-акустичекий способ определения местоположения, протяженности и ширины сквозных дефектов в металлических трубах на основе сочетания продольного и кругового сканирования лазерным пучком, возбуждающим волны Рэлея.

3. Разработан способ определения местоположения и размеров поверхностных дефектов в тонких металлических пленках, напыленных на диэлектрическую подложку, на основе амплитудного анализа сигналов детектируемых ПАВ, возбуждаемых сканирующим лазерным пучком.

4. В ходе проведенных исследований по сканированию поверхностей ОК с подповерхностными дефектами была обнаружена интерференция ПАВ -первичной, непосредственно возбуждаемой лазерным источником, и трансформировавшейся на поверхности ОК из объемной акустической волны, возбуждаемой тем же пучком и отраженной от подповерхностного дефекта. Обнаруженный эффект положен в основу разработанного способа определения местоположения подповерхностных дефектов в металлических изделиях посредством сканирования их поверхности сфокусированным лазерным пучком.

Все перечисленные способы обнаружения дефектов основаны на использовании одной и той же установки лазерно-акустического контроля, состоящей из импульсного лазерного источника с пучком, фокусируемым на поверхность ОК в виде узкой полоски, и контактного пьезоэлектрического преобразователя, на единой концепции контроля, базирующейся на анализе времени распространения и/или амплитуды ПАВ при их распространении через дефектную область, что позволяет рассматривать совокупность этих способов как единый лазерно-акустический метод обнаружения поверхностных,

сквозных и подповерхностных дефектов в металлах и нарушений сплошности в металлических пленках. Можно утверждать, что разработанный лазерно-акустический метод и методики исследования могут быть применены для обнаружения дефектов в объектах контроля электронной промышленности (проводящие контакты микронной толщины, получаемые в процессе напыления, пленки для акустоэлектронных приборов на ПАВ), машиностроении (отливки, штамповки) и топливно-энергетическом комплексе (лопатки турбин, трубы). Таким образом, можно констатировать, что цель диссертационной работы достигнута.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ушаков В.М., Давыдов Д.М., Доможиров Л.И. Обнаружение и измерение поверхностных трещин ультразвуковым методом с целью оценки усталостного разрушения металлов // Дефектоскопия. - 2011. - №9. - С. 72-84.

2. Бархатов В.А. Развитие методов ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений // Дефектоскопия. - 2003. - №1. - С. 28-55.

3. Ринкевич А.Б., Корх Ю.В., Смородинский Я.Г. Перспективы применения неразрушающего контроля для диагностики нано- й микроструктурных материалов // Дефектоскопия. - 2010. - №1. - С. 14-20.

4. Хасанов, A.A. Комплексный метод и устройство лазерно-акустического контроля поверхностных дефектов в металлических и металлизированных изделиях: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.13 / Хасанов Алмаз Асхатович; [Место защиты: Казан, гос. энергет. ун-т]. - Казань, 2013. — 146 е.: ил.

5. Хамчишкин В.А., Бирюкова Н.П., Чабанов В.Е. Исследование пригодности импульсного твердотельного лазера на основе АИГ:ШЗ+ для целей лазерного ультразвукового контроля металлов//Дефектоскопия. -1990.-№11.-С. 21-27.

IV. СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК РФ

AI. Голенищев-Кутузов В.А., Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов A.A. Определение размеров приповерхностных дефектов теневым методом лазерно-акустической дефектоскопии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2012. - № 5-6. С. 103— 108.

А2. Исмагилов И.Р., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Хасанов A.A., Мороз A.B., Степанов С.А. Лазерно-акустическая дефектоскопия тонких металлических пленок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2013. - №5-6. - С. 124-127.

A3. Исмагилов И.Р., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов A.A. Обнаружение поверхностных и объемных дефектов в металлах лазерно-акустическим способом // Дефектоскопия. - 2014. - №6. - С. 16-24.

A4. Голенищев-Кутузов A.B., Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Семенников A.B. Временной теневой способ идентификации поверхностных трещин в металлических изделиях // Машиностроение и инженерное образование. — 2014. - №3. - С.32-37.

Работы, опубликованные в других изданиях

А5^ Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Устройство оптоакустической дефектоскопии на основе лазерной генерации объемных и рэлеевских волн // Электронные приборы, системы,и технологии: сб. науч. тр. I всерос. научн,-практ. конф. студ., асп. и мол. уч. - Томск: Изд-во Томск, политехи, ун-та, 2011. - С. 109-111.

А6. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Бесконтактный оптоакустический контроль поверхностных дефектов в твердых материалах // Сборник материалов докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». 2012. Т. 1. - Казань: КГЭУ, 2012. - С. 216.

А7. Исмагилов. И.Р., Хасанов A.A. Обнаружение и определение размеров приповерхностных дефектов методом теневого лазерно-акустического контроля // Измерения, контроль и диагностика: сб. матер. II всерос. научн,-техн. конф. студ., асп. и мол. уч. ИКД-2012. - Ижевск: A4, 2012. - С. 71-72.

А8. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Лазерно-акустическая диагностика поверхностных и подповерхностных слоев металлических изделий // Современные техника и технологии. Том 1: сб. трудов XIX междунар. научн,-пра'кт. конф. студ., асп. и мол. уч. - Томск: Изд-во Томск, политехи, ун-та, 2013.-С. 162-163.

А9. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов A.A. Лазерно-акустическая диагностика тонкопленочных металлических покрытий полупроводников и диэлектриков // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Том I. - Материалы XVII Международной научно-технической конференции. - Иваново: ИГЭУ, 2013. - С. 313-316.

А10. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Хасанов A.A. Лазерно-акустический контроль поверхностных и скрытых подповерхностных дефектов // Инновационные машиностроительные технологии, оборудование, материалы -2013 - ИМТОМ-2013. - Материалы международной научно-технической конференции. - Казань: КНИАТ, 2013. - С. 32-37.

All. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Теневой лазерно-акустический метод контроля приповерхностных дефектов в твердых телах // Сборн. матер. XX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» 2011. Т. 4. - Казань: КНИТУ-КАИ, 2013. - С. 507-511.

Al2. Исмагилов И.Р., Хасанов A.A. Лазерно-акустический контроль скрытых дефектов в приповерхностных слоях металлических изделий // Сборн. матер, докладов VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». 2013. Т. 1. - Казань: КГЭУ, 2013. - С. 217-218.

А13. Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Семенников A.B. Устройство и методика неразрушающего контроля металлических изделий лазерно-акустическим способом // Сб. трудов XXV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС -2013). - М: Изд-во ИМАШ РАН, 2013. - С. 411-^15.

А14. Исмагилов И.Р., Семенников A.B. Построение 3D-образа поверхностной трещины на основе временного теневого способа лазерно-акустического контроля // Сборн. материалов докладов IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». 2014 Т 1 -Казань: КГЭУ, 2014. - С. 206.

Подписано к печати 20.04.2015 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ. печ. л. 1,25 Усл. печ. л. 1,16 Уч.-изд. л. 1,2

Тираж 100 экз._Заказ № 4920 _

Издательство Казанского государственного энергетического университета 420066, Казань, Красносельская, 51