Page 51 - 无损检测2022年第十期

焦 婷,等:
基于激光三维扫描的裂纹可视化表征方法

别, 提取裂纹长度、 裂纹宽度和裂纹两侧高度差作为
重构参数来表征裂纹可视化识别特征。
裂纹长度是指从裂纹萌生点到裂纹尖端 的距

离。使用游标卡尺测量裂纹长度, 精度为0.01mm 。
裂纹宽度是指裂纹局部张开的尺寸。在裂纹闭合情
况下, 基于可视化表征, 以裂纹颜色明显变化界限之
间的距离作为裂纹宽度。裂纹宽度的光学显微镜测
量结果如图 2 所示。裂纹颜色改变主要是由于裂纹
图 3 裂纹两侧高度差的光学显微镜测量结果
发生塑性变形, 而塑性变形尺寸受裂纹尖端塑性区
尺寸影响。自然裂纹的裂纹长度增加, 裂纹尖端应
力强度因子增大, 塑性区尺寸增大, 裂纹宽度增大。
因为 2 试样裂纹长度较长, 所以, 测量了 2 试
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样靠近中心孔和靠近试样边缘两个位置的 裂纹宽
度。裂纹作为分界线将试样局部表面分为两部分,
试样承载形式和裂纹扩展过程中能量释放会造成裂
纹发生错位, 使裂纹两侧产生高度差。 2 试样在裂
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纹长度方向上不同位置处的裂纹两侧高度差明显不
图 4 1 ~4 试样裂纹长度测量结果
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同, 因此, 使用光学显微镜对 2 试样测量了靠近中
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心孔和靠近试样边缘两个位置的裂纹两侧高度差
进行测量。其结果如图 3 所示。在由光学显微镜
生成的景 深 图 上, 在 裂 纹 两 侧 分 别 选 择 5 个 均 匀
对称分布 的 测 量 点, 测 量 垂 直 于 裂 纹 表 面 方 向 的
高度值, 对 两 侧 高 度 值 取 平 均 值, 再 对 平 均 值 作
差, 即为裂 纹 两 侧 高 度 差。光 学 显 微 镜 采 用 光 栅
刻度尺校 准 测 量, 裂 纹 宽 度 和 裂 纹 两 侧 高 度 差 的

测量精度为 0.001mm 。
图 5 1 ~4 试样裂纹宽度和裂纹两侧高度差
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测量结果
4 种裂纹特征的裂纹宽度随着目视可检困难程

度增加而减小, 宽度为 0.198mm 的人工裂纹( 1 试
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样) 容易目视识别。自然裂纹的裂纹两侧高度差随
着目视可检困难程度增加而减小, 易于目视可见裂
纹( 2 试样) 在靠近边缘位置的裂纹两侧高度差为
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0.244mm , 容易目视识别。目视勉强可见裂纹( 4
试样) 的裂纹宽度和裂纹两侧高度差最小, 分别为
图 2 裂纹宽度的光学显微镜测量结果

裂纹长度和裂纹宽度代表结构表面平面内两个 0.011mm 和0.005mm , 并且裂纹长度也最小, 为 3.

垂直方向的裂纹特征重构参数, 裂纹两侧高度差代 56mm , 目视可检难度最大。裂纹长度、 裂纹宽度和
表垂直于裂纹表面方向的裂纹特征重构参数, 三个 裂纹两侧高度差这三个重构参数尺寸与裂纹目视可
重构参数共同组成了裂纹特征在结构表面三维方向 检难易程度的对应关系证明了选用参数的合理性。
的特征尺寸。
3 基于激光三维扫描的裂纹特征识别
4 种典型中 心 孔 边 裂 纹 特 征 试 样 的 裂 纹 长 度

测量结果如图 4 所 示。 4 种 典 型 中 心 孔 边 裂 纹 特 由于含裂纹试样扫描范围为 50 mm×50 mm
征试样的裂纹宽度和裂纹两侧高度差测量结果如 ( 长 × 宽), 选用手持式激光三维扫描仪即能满足扫
图 5 所示。 描面幅和扫描效率的要求。首先利用标定板对手持
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2022 年 第 44 卷 第 10 期
无损检测