Локализация дефектов при структурном нагреве с использованием лазерной прогнозируемой фототермической термографии

Метод лазерной проецируемой фототермической термографии (LPPT) используется для обнаружения дефектов подповерхностного слоя, которые встроены в объем испытываемого образца и ориентированы преимущественно перпендикулярно к его поверхности.

Метод использует деструктивную интерференцию двух антифазных тепловых волновых полей с одинаковым удлинением и частотой, как показано на рисунке 1b . В изотропных бездефектных материалах тепловые волны нейтрализуют деструктивно ( т.е. колебание нулевой температуры) в плоскости симметрии когерентной суперпозицией. В случае материала с дефектом подповерхностного слоя метод использует взаимодействие латеральных ( т. Е. В плоскости) компонентов между переходным тепловым потоком и этим дефектом. Это взаимодействие может быть измерено в воссозданном колебательном температурном удлинении на линии симметрии на поверхности образца. Теперь дефект, содержащий образец, сканируется наложенным полем тепловых волн иУровень относительного удлинения температуры измеряется относительно положения образца. Из-за симметрии условие разрушающей интерференции снова выполняется, когда дефект пересекает плоскость симметрии; Это позволяет нам обнаружить дефект очень чувствительно. Кроме того, поскольку уровень максимального нарушения деструктивной помехи коррелирует с глубиной дефекта, можно определить его глубину, проанализировав температурное сканирование ¹ .

LPPT может быть назначен активной методологии термографии, хорошо зарекомендовавшим себя неразрушающим методом, когда активно генерируется переходное нагревание, и получаемое, а также временное распределение температуры измеряется с помощью тепловой ИК-камеры. В целом чувствительность этой методики ограничена дефектами, которые ориентированы, по существу, перпендикулярно переходному тепловому потоку. Кроме того, поскольку управляющее переходное уравнение теплопроводности является параболическим частичным дифференцированиемПри этом тепловой поток в объеме сильно затухает. Как следствие, глубина зондирования активной методологии термографии ограничена областью около поверхности, обычно в миллиметровом диапазоне. Двумя наиболее распространенными методами активной термографии являются импульсная и встроенная термография. Они быстрые благодаря плоской оптической поверхности ² , но приводят к переходному тепловому потоку, перпендикулярному поверхности. Поэтому чувствительность этих методов ограничивается дефектами, преимущественно ориентированными параллельно ( например, расслоениями или пустотами) к нагретой поверхности образца. Эмпирическое правило для импульсной термографии гласит, что «радиус наименьшего обнаруживаемого дефекта должен быть как минимум в 1-2 раза больше его глубины под поверхностью» ³ . Чтобы увеличить эффективную площадь взаимодействия между перпендикулярно ориентированным дефектом ( например , трещиной) и тепловым потоком, направление теплового потока должно бытьизменилось. Локальное возбуждение, например, с использованием сфокусированного лазера с линейным или круговым пятном, генерирует тепловой поток с компонентом в плоскости, который способен эффективно взаимодействовать с перпендикулярным дефектом ^{4 , 5 , 6 , 7} .

В представленном методе мы также используем компоненты бокового теплового потока для обнаружения дефектов подповерхностного слоя, но мы используем тот факт, что тепловые волны могут быть наложены друг на друга, а дефекты, особенно вертикально ориентированные, нарушают эту суперпозицию. Таким образом, представленный метод напоминает бесповторный, симметричный и очень чувствительный метод, поскольку можно обнаружить искусственные дефекты подповерхностного слоя при отношении ширины / глубины намного ниже одного ^{, 8} . До сих пор было трудно создать два антифазных тепловых волновых поля, обеспечивающих достаточную энергию. Мы достигли этого bY связать пространственный модулятор света (SLM) с мощным диодным лазером, что позволило объединить высокую оптическую мощность лазерной системы с пространственным и временным разрешением SLM (см . Рисунок 2 ) в мощный проектор , Теперь поля тепловых волн создаются фототермическим преобразованием двух антифазированных синусоидально-модулированных линий линий через яркость пикселя проецируемого изображения (см . Рис. 2 , рис. 1a ). Это приводит к структурированному нагреву поверхности образца и приводит к четко определенным деструктивно мешающим тепловым волнам. Чтобы найти дефект подповерхностного слоя, нарушение деструктивного вывода измеряется как колебание температуры на поверхности с помощью ИК-камеры.

Термин термическая волна обсуждается неоднозначно, поскольку тепловые волны не переносят энергию из-за диффузионного характера распространения тепла. Тем не менее, существует волнообразное поведение, когда hea Что позволяет нам использовать сходство между реальными волнами и диффузионными процессами ^{10 , 11 , 12} . Таким образом, тепловую волну можно понимать как сильно затухающую в направлении распространения, но периодическую по времени ( рис. 1b ). Характерная длина термодиффузии Описывается его материальными свойствами (теплопроводностью k , теплоемкостью c _p и плотностью ρ ) и частотой возбуждения ƒ. Хотя тепловая волна сильно затухает, ее волновая природа может быть применена, чтобы получить представление о свойствах образца. Первое применение интерференции тепловых волн использовалось для определения толщины слоев. В отличие от нашего метода интерференционный эффект использовался в измерении глубины ( т.е. перпендикулярно поверхности) Ref "> 13. Расширяя идею интерференции во втором измерении путем разделения лазерного луча, интерференция тепловых волн использовалась для определения размеров подповерхностных дефектов ^14. Тем не менее этот метод применялся в трансмиссионной конфигурации, а это означает, что он был ограничен проникновением Кроме того, поскольку использовался только один лазерный источник, этот метод применяет конструктивную интерференцию, а это значит, что необходима безошибочная ссылка. Помимо идеи использования тепловых волновых помех, первый технический подход к пространственно- Контролируемое по времени нагревание производилось Холтманом и др. С использованием немодифицированного жидкокристаллического проектора (LCD) со встроенным источником света, который был строго ограничен по своей оптической выходной мощности ^15. Дальнейшие подходы Прибе и Равичандрана были направлены на увеличение оптического Выходную мощность, также связывая лазер с SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Представленный здесь протокол описывает, как применить метод LPPT для обнаружения подповерхностных дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности образцов стали. Метод находится на ранней стадии, но все же достаточно мощный, чтобы обосновать предлагаемый подход; Однако она все еще ограничена с точки зрения достижимой оптической выходной мощности экспериментальной установки. Поскольку увеличение оптической выходной мощности остается сложной задачей, представленный способ применяется к покрытой стали, содержащей искусственные вырезы с механическим электрическим разрядом. Тем не менее, наиболее важные и наиболее важные этапы протокола, генерирующие однородное структурированное освещение, удовлетворяющее предпосылкам для разрушающих помех тепловых волн, и обнаружение дефекта, по-прежнему сохраняются и для более требовательных дефектов. Поскольку регулирующей величиной является термодиффузионная длина μ, метод LPPT можно применять и для множества различных материалов.

нт ">
Рисунок 1: Принцип деструктивного интерференционного эффекта. ( A ) Схема диаграммы освещенности, используемой во время экспериментов. Проба пространственно и временно нагревается двумя периодически облучаемыми образцами с фазовым сдвигом π. Пунктирная линия представляет собой линию симметрии между обоими образцами. Эта линия будет использована для оценки как «линия истощения». ( Б ) Схема пространственного и временного разрешения переменного теплового результата, рассчитанная по аналитическому решению уравнения теплопроводности. Он показывает ответные тепловые волны на освещение (a) с облучением двух образцов с P _{opt 1} = 1,5 Вт sin (2π 0,125 Гц t ) + 1,5 Вт и P _{opt 2} = 1,5 Вт sin (2π 0,125 Гц t + Π) + 1,5 Вт для конструкционной стали ρ </Em> = 7850 кг / м ³ , c _p = 461 Дж / (кг · К), k = 54 Вт / (м · K). Температурный профиль на пунктирной линии не показывает тепловых колебаний для однородного изотропного материала. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Схема принципа измерения структурированного нагрева, используемого в активной термографии. Гауссов пучок, гомогенизированный в профиль верхней шляпы, применяется к пространственному модулю света (SLM). SLM разрешает пространственный пучок его переключаемыми элементами и во времени по скорости переключения. Каждый элемент представляет собой пиксель SLM. В этом эксперименте SLM представляет собой цифровое микрозеркальное устройство (DMD). Модулируя яркость пикселя A с помощью детерминированного по времени управляющего программного обеспечения, поверхность образцаНагревается структурированным способом. В представленном эксперименте мы модулируем две антифазные линии (фазы: φ = 0, π), которые являются источником когерентно интерферирующих тепловых полей на угловой частоте ω. Волновые поля взаимодействуют с внутренней структурой образца, также влияя на температурное поле на поверхности. Это измеряется с помощью теплового излучения средней инфракрасной камеры. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.