基于激光辅助加热的声表面波微裂纹检测的实验研究(3)
1．2 研究意义
高温、高压、高速度、高效率是现代工业的标志，而它的实现是建立在高质量的基础之上。产品的高质量是建立在高质量的设计的基础之上，而工艺的高质量则是使产品质量符合设计要求的必要前提。为保证这些优异的质量，还必须采用不破坏产品原来的形状、不改变使用性能的检测方法对产品进行检测，以确保产品的安全可靠性，这种技术就是无损检测技术[5]。激光超声检测是传统超声检测的进一步发展，它与传统的超声无损检测技术相比，具有非常突出的优点，使其在某些特殊场合，发挥难以替代的作用。
固体材料在应力作用下产生的裂隙称为裂纹。裂纹可分为微观裂纹和宏观裂纹两种。已经形成的微观裂纹和宏观裂纹在应力或环境(或两者同时)作用下，会继续生长，这一过程称为裂纹扩展或裂纹增长。裂纹的出现和扩展，使工件的机械性能明显变差，而若裂纹沿工件的厚度较薄的方向扩展到一定程度，则会造成工件的断裂。因此，能寻找一种在检测裂纹位置的同时，亦可得到裂纹深度以及取向的检测方法，是现代无损检测领域不可避免的问题。
同时，在材料表面积聚的应力往往会使材料表面形成极为微小的表面裂纹或亚表面裂纹，其宽度可小至微米量级。这些隐藏在材料和结构件表面或亚表面的极为微小的裂纹是导致致命裂纹出现的最关键原因，而又因其尺寸微小，通常又比可见裂纹更具隐蔽性和危险性。所以无损检测技术的一个重要方面，就是对材料和结构件表面和亚表面的微小裂纹进行检测。因此，找到一种可以探测表面和亚表面微小裂纹，从而更进一步可以对材料结构的安全性提供预警的无损检测方法，一直是国内外研究的热点之一。
1．3 国内外研究概况及发展趋势
1．4 本文的主要研究内容
激光超声检测技术作为一种新兴的无损检测技术正在越来越多的受到人们的关注，并且在无损检测的领域蓬勃的发展。基于这个出发点，本文将研究方向放在基于激光辅助加热下利用激光超声表面波对材料微裂纹检测上。本文的主要研究工作如下:
a) 董利明，李加等[11] 基于光热调制使疲劳裂纹闭合引起对超声的调制效应，提出了基于激光辅助加热的激光声表面波检测发动机叶片上疲劳裂纹的实验系统和方法。在此基础上，本文介绍基于激光辅助加热搭建检测黑玻璃样品微裂纹的激光激发/探测超声的全光学非接触裂纹检测实验装置。
b) 基于脉冲光源在材料中热弹激发超声的经典理论，利用线光源在样品中激发超声波的理论基础，着重关注了当加热光源恰好入射于微裂纹上时样品内部超声的激发和传播。通过分析透射超声波的幅值得到裂纹的相关信息。
c) 基于激光辅助加热的激光超声用于裂纹检测的理论，搭建了激光辅助加热声表面波的激光超声检测裂纹系统，并对含有疲劳裂纹的黑玻璃样品进行了检测。重点分析了不同加热功率及不同加热时间对裂纹检测结果的影响。
2 激光超声的激发与检测
2．1 激光超声产生机理
实验中我们所用材料为黑玻璃样品，所以重点关注固体材料中激光超声产生机理，张晓春[12]对气体、液体和固体的激光超声产生机理进行了详细的阐述。
一般认为，固体中激光激励超声波的机理随入射激光的功率密度和固体表面条件的不同而改变，分为热弹和融蚀两种机理。对于表面干净的、无约束的固体来说，如果入射激光的功率密度较低，激光能量不足以使固体熔化，则在产生过程中，热弹机制将起主要作用。在激光功率密度较高的情况下，温度上升将使固体局部融化，以至出现融蚀，此时，尽管热弹机制仍然存在，但是融蚀效应起决定性的作用。