[发明专利]一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法

说明书

本发明公开了一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法。其步骤为：1)将脉冲激光器探头置于工件亚表面缺陷的一侧，与亚表面缺陷相距d₁；2)将激光测振仪放置在工件亚表面缺陷的另一侧；3)利用激光测振仪接收模态转换表面波R₁；4)将脉冲激光器探头向亚表面缺陷移动，使探头与亚表面缺陷距离为d₂；5)利用激光测振仪接收模态转换表面波R₂；6)通过模态转换波R₁和R₂的到达时间和距离d₁与d₂，计算纵波声速和亚表面缺陷的深度。本发明能够用于超精密加工在位检测和其他一些高温高压等特殊环境中的亚表面缺陷深度的检测。

技术领域

本发明涉及定量无损检测领域，尤其涉及一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的的定量无损测量方法。

背景技术

亚表面缺陷，是在表面下方百微米左右深度地方，大小为几微米到数十微米之间的裂纹和气孔，往往是在精密或者超精密加工过程中产生的。亚表面缺陷的存在会大大降低零件的强度和缩短零件的使用寿命，对设备的安全运行带来极大的威胁，轻则使得设备发生故障，无法正常运行，重则引发重大安全事故，造成严重的经济损失。因此，如果能在加工过程中检测出亚表面缺陷，并且能够定量测得其深度，则便于在后续的加工过程中予以去除。但是由于亚表面缺陷在表面下方，无法通过普通的光学方法检测。然后其具有深度浅，尺寸小等特征，常规的无损检测方法也很难检测到，对其深度进行定量检测则更是难上加难。为此，众多学者致力于研究定量检测亚表面缺陷的方法。

在已有的研究中，Jin等人利用TOFD方法，对浅表亚表面裂纹深度进行了定量检测。该方法将TOFD检测方法的盲区从深度5.5mm减小到2.4mm。但是，该方法对于深度小于2mm的亚表面缺陷仍然无能为力。Paehler等人利用激光超声对硅片加工过程中的亚表面裂纹去除情况进行在线监测，他们发现随着硅片在加工过程中亚表面裂纹的去除，硅片的杨氏模量也会随之变化，通过对硅片杨氏模量的变化，可以对加工过程中硅片亚表面裂纹去除情况进行监测。该方法目前只能做定性分析，还无法做到定量检测。Xu等人利用经过频率调制后的连续激光器激励超声，同时对硅片下方埋藏缺陷深度进行了定量检测。由于所激励的超声频率与连续激光器的调制频率一致，因此该方法只能对于波长尺寸相当的缺陷进行检测。其他无损检测方法，如扫描超声显微镜法和X射线检测法等，在亚表面缺陷的定量检测中也有所应用。但是扫描超声显微镜法需要耦合剂，待测件往往是放置在水槽中，无法做到在位检测，且可能污染样品。X射线方法虽然精度高，但是对裂纹类型亚表面缺陷不敏感，且设备昂贵和X射线对人体有害。

在无损检测领域，检测到并定位缺陷不是终点，对缺陷尺寸能够进行定量检测才是最终目标，对于精密和超精密加工中产生的亚表面缺陷更是如此。只有在定量检测到亚表面缺陷的深度后，才能够优化加工参数，在后续的加工将亚表面缺陷去除掉。在已有的无损检测方法中，很少有能对亚表面缺陷的深度进行定量测量。本发明能够快速准确的对亚表面缺陷深度进行定量测量，并且无需提前获知超声波在待测材料中的传播速度。本发明还可以用于在位测量，或者用于高温高压等极端环境下的亚表面缺陷深度的定量检测。

发明内容

本发明是为了定量检测精密/超精密加工过程中在材料表面下方所产生的亚表面缺陷的深度，以指导后续加工将缺陷去除掉，而提出的一种基于激光激励纵波的亚表面缺陷深度的定量测量方法。其具体方案如下：

一种基于激光激励纵波测量亚表面缺陷深度的方法，包括以下步骤：

1)将脉冲激光器探头和激光测振仪分别放置于工件亚表面缺陷的相反侧，且脉冲激光器探头与被测亚表面缺陷之间的横向距离为d₁。

2)脉冲激光器探头发射脉冲激光照射在工件上，在工件内部激励出超声纵波，利用激光测振仪测得入射的超声纵波在亚表面缺陷的模态转换表面波信号R₁，并记录表面波信号R₁的到达时间t_R1。