Localización del defecto subsuperficial mediante calentamiento estructurado mediante termografía fototérmica proyectada con láser

El método de termografía fototérmica proyectada por láser (LPPT) se utiliza para localizar defectos subsuperficiales que están incrustados en el volumen de la muestra de ensayo y orientados predominantemente perpendiculares a su superficie.

El método utiliza la interferencia destructiva de dos campos de ondas térmicas anti-fase del mismo alargamiento y frecuencia como se muestra en la Figura 1b . En materiales libres de defectos isotrópicos, las ondas térmicas neutralizan destructivamente ( es decir, oscilación de temperatura cero) en el plano de simetría mediante superposición coherente. En el caso de un material con un defecto subsuperficial, el método aprovecha la interacción de los componentes laterales ( es decir, en el plano) entre el flujo de calor transitorio y este defecto. Esta interacción puede medirse en un alargamiento de temperatura oscilante recreado en la línea de simetría en la superficie de la muestra. Ahora, el defecto que contiene la muestra es escaneado por el campo de onda térmica superpuesta yEl nivel de alargamiento de la temperatura se mide con relación a la posición de la muestra. Debido a la simetría, la condición de interferencia destructiva se satisface una vez más cuando el defecto cruza el plano de simetría; Esto nos permite localizar el defecto con mucha sensibilidad. Además, dado que el nivel de perturbación máxima de la interferencia destructiva se correlaciona con la profundidad del defecto, es posible determinar su profundidad analizando la exploración de temperatura ¹ .

El LPPT puede asignarse a la metodología de termografía activa, un método no destructivo bien establecido, donde el calentamiento transitorio se genera activamente y la distribución de temperatura resultante, también transitoria, se mide a través de una cámara IR térmica. En general, la sensibilidad de esta metodología se limita a defectos que están orientados esencialmente perpendiculares al flujo de calor transitorio. Además, dado que la ecuación transitoria de conducción de calor gobernante es una parabólica parcialEl flujo de calor en el volumen está fuertemente amortiguado. Como consecuencia, la profundidad de sondeo de la metodología de termografía activa está limitada a una región cercana a la superficie, usualmente en el intervalo milimétrico. Dos de las técnicas termográficas activas más comunes son la termografía pulsada y de bloqueo. Son rápidos debido a la iluminación superficial óptica planar ² , pero conducen a un flujo de calor transitorio perpendicular a la superficie. Por lo tanto, la sensibilidad de estas técnicas está limitada a defectos predominantemente orientados en paralelo ( por ejemplo, delaminaciones o huecos) a la superficie de la muestra calentada. Una regla empírica para la termografía pulsada establece que "el radio del defecto detectable más pequeño debe ser al menos uno o dos veces mayor que su profundidad bajo la superficie" ³ . Para aumentar el área de interacción efectiva entre un defecto orientado perpendicularmente ( por ejemplo, una grieta) y el flujo de calor, la dirección del flujo de calor debe serCambiado La excitación local, utilizando un láser enfocado con un punto lineal o circular, por ejemplo, genera un flujo de calor con un componente en el plano que es capaz de interactuar eficazmente con el defecto perpendicular ^{4 , 5 , 6 , 7} .

En el método presentado, también utilizamos los componentes laterales de flujo de calor para detectar defectos subsuperficiales, pero utilizamos el hecho de que las ondas térmicas pueden superponerse, mientras que los defectos, especialmente orientados verticalmente, perturban esta superposición. De esta manera, el método presentado se asemeja a un método libre de referencia, simétrico y muy sensible, ya que es posible detectar defectos artificiales subsuperficiales en una relación anchura / profundidad muy por debajo de un ^{8 , 9} . Hasta ahora, era difícil crear dos campos de ondas térmicas anti-fase proporcionando suficiente energía. Logramos esto bY acoplar un modulador de luz espacial (SLM) a un láser de diodo de alta potencia, que nos permitió fusionar la alta potencia óptica del sistema láser con la resolución espacial y temporal del SLM (ver Figura 2 ) en un proyector de alta potencia . Los campos de ondas térmicas se crean ahora mediante la conversión fototérmica de dos patrones de línea modulados sinusoidalmente anti-fase mediante el brillo de los píxeles de la imagen proyectada (véase la figura 2 , figura 1a ). Esto conduce a un calentamiento estructurado de la superficie de la muestra y da como resultado campos de ondas térmicas interferentes destructivamente bien definidos. Para encontrar un defecto subsuperficial, la perturbación de la inferencia destructiva se mide como una oscilación de temperatura en la superficie usando una cámara IR.

El término ola térmica, se discute controversialmente porque las ondas térmicas no transportan energía debido al carácter difusivo de la propagación del calor. Sin embargo, hay comportamiento ondulatorio cuando hea Permitiéndonos utilizar similitudes entre ondas reales y procesos de difusión ^{10 , 11 , 12} . Por lo tanto, una onda térmica puede ser entendida como altamente amortiguada en la dirección de propagación pero periódica con el tiempo ( Figura 1b ). La longitud de difusión térmica característica Se describe por sus propiedades materiales (conductividad térmica k , capacidad calorífica cp y densidad ρ ), y la frecuencia de excitación ƒ. Aunque la onda térmica está en descomposición fuerte, su naturaleza ondulatoria puede aplicarse para obtener una visión de las propiedades de la muestra. La primera aplicación de interferencia de ondas térmicas se utilizó para determinar el espesor de las capas. En contraste con nuestro método, el efecto de interferencia se utilizó en la dimensión de profundidad ( es decir, perpendicular a la superficie) 13. Al extender la idea de interferencia a una segunda dimensión mediante la división de un rayo láser, se utilizó la interferencia de ondas térmicas para dimensionar defectos subsuperficiales ^14. Sin embargo este método se aplicó en configuración de transmisión, lo que significa que estaba limitado por la penetración Además, debido a que sólo se ha utilizado una fuente láser, este método aplica una interferencia constructiva, lo que significa que se necesita una referencia libre de defectos.Además de la idea de utilizar la interferencia de ondas térmicas, la primera aproximación técnica a la Holtmann y colaboradores utilizaron un proyector de cristal líquido (LCD) no modificado con la fuente de luz incorporada, que estaba severamente limitada en su potencia de salida óptica ^15. Otros enfoques de Pribe y Ravichandran dirigidos a aumentar el rendimiento óptico Potencia de salida al acoplar también un láser a un SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

El protocolo presentado aquí describe cómo aplicar el método LPPT para localizar defectos subsuperficiales orientados perpendicularmente a la superficie de las muestras de acero. El método está en una etapa temprana, pero lo suficientemente potente como para validar el enfoque propuesto; Sin embargo, sigue siendo limitado en términos de la potencia de salida óptica alcanzable de la configuración experimental. Puesto que el aumento de la potencia de salida óptica sigue siendo un desafío, el método presentado se aplica a las muescas mecanizadas con descarga eléctrica que contienen acero recubierto. Sin embargo, los pasos más importantes y más críticos del protocolo, generando una iluminación estructurada homogénea, cumpliendo con los requisitos previos para la interferencia de ondas térmicas destructivas, y localizando el defecto, todavía sostienen para defectos más exigentes también. Puesto que la cantidad que gobierna es la longitud de difusión térmica μ, el método LPPT también se puede aplicar a numerosos materiales diferentes.

Nt ">
Figura 1: Principio de efecto de interferencia destructiva. (A) Esquema del patrón de iluminación utilizado durante los experimentos. La muestra es calentada espacial y temporalmente por dos patrones iluminados periódicamente con un desplazamiento de fase de π. La línea discontinua representa la línea de simetría entre ambos patrones. Esta línea se utilizará para la evaluación como una "línea de agotamiento". ( B ) Diagrama del resultado térmico alternante resuelto espacial y temporalmente calculado a partir de la solución analítica de la ecuación de conducción térmica térmica. Muestra las ondas térmicas que responden a la iluminación de (a) con una irradiancia de los dos patrones con P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W y P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W para acero de construcción ρ </Em> = 7,850 kg / m ^$ ³ ^$ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). El perfil de temperatura en la línea discontinua no muestra oscilación térmica para material isotrópico homogéneo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Esquema del principio de medición del calentamiento estructurado utilizado en termografía activa. Un haz gaussiano homogeneizado a un perfil de sombrero superior se aplica a un modulador de luz espacial (SLM). El SLM resuelve el haz espacialmente por sus elementos conmutables y temporalmente por su velocidad de conmutación. Cada elemento representa un píxel SLM. En este experimento, el SLM es un dispositivo digital micro espejo (DMD). Mediante la modulación del brillo de píxel A con un software de control determinista de tiempo, la superficie de muestraSe calienta de forma estructurada. En el caso del experimento presentado, modulamos dos líneas antifase (fases: φ = 0, π), que son el origen de campos de ondas térmicas interferentes coherentemente a la frecuencia angular ω. Los campos de onda interactúan con la estructura interna de la muestra también influye en el campo de temperatura en la superficie. Esto se mide a través de su radiación térmica por una cámara infrarroja de onda media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.