Метод голографической интерферометрии

Голография — это двухступенчатый метод записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете. Запись волнового фронта основана на явлении интерференции двух когерентных пучков света — предметного и опорного, первый из которых освещает предмет и рассеивается им, а второй создает когерентный фон. Если предметная и опорная волны обладают когерентностью, то разность фаз между ними остается постоянной во времени и создается стационарная интерференционная картина с определенным распределением интенсивностей освещенности. Фотографическую запись этой картины называют голограммой. Основное отличие голограммы от объемной фотографии состоит в том, что в ней регистрируется информация об амплитуде и фазе предметной волны света, тогда как в фотографии регистрируется лишь распределение освещенности. На голограмме полностью отсутствуют элементы, сколько-нибудь напоминающие очертания оригинала. При рассматривании голограммы в микроскоп в простейшем случае можно увидеть лишь систему темных и светлых полос. Для получения изображения предмета голограмму просвечивают, словно диапозитив, только одним опорным пучком света.

Для лучшего усвоения принципа голографической интерферометрии предположим, что голограмма после экспонирования и проявления установлена точно в то же место, где она находилась в момент регистрации. Если теперь, не убирая объекта, осветить голограмму опорным пучком световых лучей, за ней будут одновременно распространяться две волны: рассеянная непосредственно объектом и восстановленная голограммой (копия той волны, которая рассеивалась объектом во время экспонирования голограммы). Эти волны когерентны и могут интерферировать. Зарегистрированная на фотопластинке или фотопленке интерференционная картина называется голографической интерферограммой.

Если происходят какие-либо изменения объекта (например, деформация), обусловливающие фазовые искажения рассеянной им волны, это сказывается на виде наблюдаемой картины (появятся интерференционные полосы). Поскольку при этом интерференционную картину наблюдают одновременно с изменениями, происходящими с объектом, метод голографической интерферометрии называют также методом реального времени.

В другом варианте рассматриваемого метода на одной фотопластинке последовательно регистрируются две голограммы, соответствующие двум состояниям одного и того же объекта. Одновременно восстанавливаясь, две волны, являющиеся голографическими копиями волн, полученных в разное время, интерферируют. Этот вариант метода голографической интерферометрии называется методом двух экспозиций.

Поляризационно-оптический метод в традиционном виде позволяет достаточно точно определить разность и направления действия главных напряжений. Что касается раздельного определения главных напряжений, то, несмотря на обилие различных методов решения задачи, оно остается наиболее трудоемким и наименее точным. Один из этих методов — разделение напряжений при помощи картин-изопахит (линия разных сумм главных напряжений) — весьма прост. Однако получение этих картин связано со значительными трудностями. Голографическая интерферометрия позволяет достаточно легко построить такую картину. В отдельных случаях голографический интерферометр используется непосредственно для измерения абсолютных разностей хода лучей D_] и D₂ по направлениям а, и а, в нагруженной и ненагруженной моделях. Это избавляет от необходимости дополнительной регистрации смещений или суммы главных напряжений. Поскольку природа и способ измерения величин D, и D₂ одинаковы, то результаты разделения напряжений более достоверны, а точность их выше, чем при других способах.

Институтом проблем механики УрО РАН предложен способ измерения остаточных напряжений методом зондирующей лунки в сочетании с голографической интерферометрией [56]. Во время первой экспозиции лазерным сканированием записывается голограмма окрестности будущей лунки на поверхности объекта в исходном состоянии, потом создается возмущение поверхности тела высверливанием или травлением лунки. Это позволяет проявиться остаточным напряжениям: изъятие малого объема металла приводит к локальным упругим перемещениям, пропорциональным остаточным напряжениям. Записывается голограмма возмущенной поверхности и накладывается на первоначальную голограмму. Усовершенствованный вариант этого метода получил название спекл-интерферометрии. В отличие от предыдущего способа, требующего применения фотографии, новый способ основан на цифровой записи полученных голограмм, в том числе в динамике и расшифровке их с помощью ЭВМ. Метод применен, в том числе, для измерения остаточных напряжений в латунных втулках подшипников железнодорожных вагонов, что позволило отбраковать изделия с неудачными режимами термической обработки и не допустить аварий на железных дорогах.

Кафедрой оборудования и технологии сварочного производства Южно-Уральского государственного университета предложен метод пснстрации для определения остаточных напряжений. Метод основан на использовании эффекта неравномерного деформирования поверхности тела с остаточными напряжениями при ее локальном упругопластическом контактном взаимодействии с шаровым индентором. При силовом контакте недеформируемого индентора с пластическим полупространством формируется зона выпучивания металла. По ее профилю судят о характере напряжений, используя интерферометрию [4].

Сущность способа определения остаточных напряжений методом зондирующей лунки в сочетании с голографической интерферометрией заключается в следующем. Во время первой экспозиции записывается голограмма окрестности будущей лунки на поверхности объекта в исходном состоянии. Потом создается возмущение поверхности тела (например, путем высверливания или травления малой лунки), что позволяет проявиться остаточным напряжениям: изъятие малого объема приводит к локальным упругим перемещениям, пропорциональным остаточным напряжениям. Далее записывается голограмма возмущенной таким образом поверхности тела. В результате наложения голограмм при их одновременном восстановлении упругие перемещения поверхности в окрестности лунки выявляются в виде интерферограммы. Она наглядна и проста для расшифровки: в случае регистрации нормальной компоненты перемещений (перпендикулярной к исходной поверхности тела) полосы интерферограммы являются линиями уровня, т. е. равных перемещений, отличающихся по высоте на половину длины волны лазерного излечения Х/2 «0,3 мкм. Оси симметрии интерференционной картины совпадают с направлениями экстремальных (главных) растягивающих и сжимающих остаточных напряжений. Величина напряжений пропорциональна числу интерференционных полос, причем цена полосы зависит от упругих свойств металла и от диаметра и глубины лунки и определяется по графикам, рассчитанным на основании решения трехмерной задачи теории упругости.

Объем необходимых вычислений для получения значений напряжений очень мал, и они могут быть выполнены оператором сразу же при получении и наблюдении интерференционной картины. При этом, в отличие от тензометрирования, данный метод регистрирует линии уровня перемещений по всей области поверхности тела в окрестности зондирующей лунки, что позволяет визуально определять направления главных напряжений и делать качественные выводы о свойствах напряжений еще до подсчета числовых значений соответствующих величин.

Тем самым были созданы основы метода для массовой лабораторной работы по измерению остаточных напряжений. Начались исследования остаточных напряжений в сварных соединениях и отработка режимов сварки стали, алюминия, титана, магния. Вначале работа велась с образцами на лабораторном стенде. Новая методика оказалась эффективной при отработке технологии электронно-лучевой сварки и локальной термической обработки образцов разного сечения (плоских, тавровых, цилиндрических, сферических) из высокопрочных сталей разных марок и титановых сплавов.

По мере накопления опыта был сделан следующий важный шаг — создан переносной прибор, который работал не только в лаборатории, но и в цехе и на открытом воздухе. С этим прибором в заводских условиях выполнена комплексная программа по отработке режимов сварки и локальной термической обработке титановых крупногабаритных сосудов высокого давления объемом 1000 л, рассчитанных на рабочее давление 300 атм. Разработка новой технологии шла при непрерывном контроле остаточных напряжений. В итоге технология изготовления сосудов была значительно изменена, удешевлена, а качество изделия повышено. Это исследование проводилось в цехах Авиационного научно-технического комплекса им. А. Н. Туполева. С этим же прибором были сделаны первые выезды на строящуюся Курскую АЭС и Астраханский газоперерабатывающий завод, где измерялись сварочные напряжения в реальных конструкциях в трудных климатических условиях. В сотрудничестве с Конструкторским бюро С. А. Лавочкина была усовершенствована технология сварки и режимов термической обработки сварных соединений ряда алюминиевых сплавов, а также выполнена экспертная работа по установлению причин саморазрушения корпуса одного из космических аппаратов во время хранения.

На основе проведенных исследований создано несколько видов портативных голографических систем для измерения напряжений под общим названием ЛИМОНлазерно-интерферометрический метод определения напряжений, и с помощью этих систем выполнена большая работа, как плановая, так и экспертная, по измерению остаточных напряжений в различных технических объектах на заводах и полигонах. Накопленный опыт использовался при создании каждой следующей измерительной системы [1].