Способ №1. Непосредственное воздействие лазера на металл

Рис. 4.7. Схема лазерного возбуждения УЗ-колебаний: 1 – твердотельный лазер, 2 – объект контроля, 3 – полупрозрачное стекло, 4 – интерферометр, 5 – усилитель, 6 – регистратор, 7 – гелиевый лазер

При облучении изделия энергией светового потока в материале возникают акустические волны вследствие трех режимов генерации:

1 – термомеханических напряжений;

2 - режима испарения;

3 - детонаций.

Рис. 4.8. Зависимость амплитуды сигналов от интенсивности излучения.

Если нагреть поверхностный участок изделия, то соседние участки этого тела приобретают повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, а следовательно к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. Глубина проникновения энергии импульса за время его действия (t0) определяется зависимостью , где - коэффициент температуропроводности. Для 0 ,где - коэффициент температуропроводности. Для = 30 нс глубина для МУС составит =10мкм. Разогрев металла идет со скоростью, достигающей 1010 град/с.

При II режиме д = 200-600 квт/мм2 генерация УЗ-колебаний происходит за счет превращения испаряющегося конденсированного вещества в газ, либо за счет теплового расширения металла, нагретого выше критической точки в присутствие избыточного давления паров металла. Импульс отдачи разлетающихся паров металла пропорционален плотности мощности излучения лазера.

В III режиме генерации УЗ-колебаний заметную роль играют процессы взаимодействия паров металла с падающим излучением. При значениях, когда тепловая энергия вещества и энергия ионизации равны между собой, плазма становится непрозрачной и ведет себя как взрывчатое вещество, создавая ударную волну. Трем режимам генерации соответствуют различные диаграммы направленности продольных УЗ-волн. Качественно эта картина представлена на рисунке, а количественно сигналы для I, II, III режимов находятся в соотношении 1:20:30.

В первом (I) режиме диаграмма представляет собой два симметричных лепестка, расположенных под углом 550 к нормали.

Для второго (II) режима диаграмм представляет собой центральный лепесток.

Третий (III) режим характеризуется почти сферической диаграммой направленности.

Рис. 4.9. Диаграммы направленности продольных (а) и поперечных волн (б) для различных режимов излучения

Для возбуждения всех типов волн необходим лазер мощностью с энергией порядка нескольких долей (0,1 Дж) и длительностью =10-8с. Применение термоупругого эффекта не обеспечивает оптимальных условий проведения контроля, вследствие более размытой диаграммы направленности. Поэтому наиболее целесообразно проведение лазерного ультразвукового контроля в испарительном режиме. Сдерживание лазерного ультразвукового контроля объясняется в первую очередь не эффективностью приема УЗ-колебаний и не стабильностью характеристик лазеров.