近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，在一些惡劣的環(huán)境中，如高溫、高壓、易腐蝕及放射性強(qiáng)的條件下，傳統(tǒng)的無損檢測方法無法完全滿足檢測要求，需要尋求一種更有效的無損檢測方法對一些環(huán)境惡劣的工件進(jìn)行檢測。

激光超聲技術(shù)作為一種非接觸、遠(yuǎn)距離的新興檢測技術(shù)，將激光技術(shù)與超聲技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，與傳統(tǒng)意義上的超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)的特點(diǎn)如下：

(1)可實(shí)現(xiàn)與被檢測材料表面非接觸激發(fā)超聲信號(hào)，因此，在材料表面無需添加任何耦合劑，避免耦合劑對檢測精度的影響，同時(shí)也避免對試件表面產(chǎn)生各種化學(xué)污染。

(2) 可實(shí)現(xiàn)大面積、快速掃描及超聲成像等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對一些快速運(yùn)動(dòng)的試件進(jìn)行在線檢測的要求。

(3) 可實(shí)現(xiàn)在一些絕緣體、陶瓷及有機(jī)材料中激發(fā)不同模式的超聲波。而傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)中一種換能器只能在材料表面產(chǎn)生一種超聲信號(hào)。

(4)激光器產(chǎn)生激光聲源，可大可小且易聚焦。在實(shí)際檢測中，可以自由選取點(diǎn)、線、環(huán)的激光聲源。

(5)對被檢材料表面的要求較低，對一些材料表面粗糙、形狀復(fù)雜的試件以及焊縫根部，可以實(shí)現(xiàn)較好的缺陷檢測。

(6)利用零部件應(yīng)力水平和聲速的相關(guān)性，可以用于應(yīng)力測試。

01 激光超聲技術(shù)原理

1.1 激光超聲的產(chǎn)生

根據(jù)激光是否與被測工件接觸產(chǎn)生超聲信號(hào)的方法，可將激光超聲檢測技術(shù)分為直接式與間接式兩大類。直接式主要采用激光與被測工件表面直接作用，一般這種方法主要通過熱彈效應(yīng)或熔蝕作用產(chǎn)生超聲信號(hào);間接式則通過與被測工件周圍介質(zhì)產(chǎn)生超聲信號(hào)。直接式是激光束直接與被測材料表面直接作用產(chǎn)生超聲信號(hào)，因此產(chǎn)生的超聲信號(hào)不僅與激光束本身的時(shí)空特性有關(guān)，而且還與被測工件的材質(zhì)及表面特性有關(guān)。

1.2 熱彈機(jī)制

激光束在固體材料中激發(fā)出超聲信號(hào)主要是由于激光源與被測試件表面的相互作用。在熱彈機(jī)制中，激光束直接照射到試件材料表面的某一區(qū)域，被照射區(qū)域中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷至高能態(tài)，處于高能態(tài)的電子通過輻射躍遷產(chǎn)生發(fā)光，其中無輻射躍遷及化學(xué)作用將導(dǎo)致超聲信號(hào)的產(chǎn)生。對于一些表面材料干凈、無約束的固體來說，當(dāng)激光束的功率密度較低時(shí)，其值低于被測工件材料表面的損傷閾值時(shí)，被測工件表面由于吸收激光束輻射能導(dǎo)致材料局部溫度上升而不足以使其材料熔化，由于熱膨脹而在其表面產(chǎn)生切向壓力，可同時(shí)在被測工件表面產(chǎn)生橫波、縱波及表面波信號(hào)。在這種熱彈機(jī)制下，產(chǎn)生的超聲波信號(hào)幅度隨著激光束功率的增加而增加。由于激光束的功率較低，其在材料表面完全無損。但是在這種機(jī)制中，其光熱轉(zhuǎn)換效率比較低，為了提高其轉(zhuǎn)換效率，一般在其激光束照射的區(qū)域內(nèi)涂各種涂層(如水或油)，可以提高被測材料表面吸收系數(shù)。同時(shí)在實(shí)際檢測中，采用一些脈沖寬度較窄的激光束同樣可以提高超聲信號(hào)的能量。熱彈激發(fā)機(jī)理原理如圖1所示。

1.3 熔蝕機(jī)制

在熔蝕機(jī)制中，當(dāng)激光束功率密度很大，被照射材料表面的瞬態(tài)溫度迅速達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)致被照射材料表面產(chǎn)生等離子體，這時(shí)在被檢測材料表面有小部分物質(zhì)會(huì)以很高的速度噴射出來，并在被檢測材料表面產(chǎn)生一個(gè)垂直的反作用力，同時(shí)在激光照射的表面產(chǎn)生一個(gè)壓縮脈沖，產(chǎn)生的應(yīng)力波和表面波的波形振幅顯劇增強(qiáng)。這種熔蝕機(jī)制對被測物體表面有一定的損傷(每次對表面產(chǎn)生約0.3μm的損傷)，但是在此機(jī)制下能獲得較大強(qiáng)度的縱波和表面波，因此這種機(jī)制適用于某些對超聲信號(hào)強(qiáng)度有較高要求的無損檢測場合。

為了降低被檢測材料的表面損傷度，近年來產(chǎn)生了一些表面修飾技術(shù)，如濕表面技術(shù)。該技術(shù)主要在試件照射區(qū)的表面涂一層油或一滴水，同樣也可以產(chǎn)生燒蝕激發(fā)效果，而在材料中激發(fā)產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的超聲波，而不對試件表面產(chǎn)生損傷。熔蝕激發(fā)原理如圖2所示。

1.4 激光超聲的接收

激光超聲信號(hào)的檢測方法主要有傳感器檢測和光學(xué)法檢測。

傳感器檢測法主要是采用PVDF壓電薄膜直接與被測材料表面進(jìn)行耦合接觸，接收激光產(chǎn)生的超聲信號(hào)。一般說來，這種檢測方法具有較高的檢測靈敏度。但這種接觸式的檢測超聲信號(hào)方法，在使用時(shí)需要在傳感器與被測材料之間添加耦合劑，一般對檢測材料表面要求較高。常見的換能器一般有電磁、壓電陶瓷換能器和電容換能器，這些換能器具有較寬的頻帶，可在被檢測材料表面接收到超聲信號(hào)。但對于一些復(fù)雜形狀的材料來說，該檢測方法無法使用且靈敏度低。

光學(xué)檢測法是一種非接觸、寬帶的超聲信號(hào)檢測方法。該方法通過連續(xù)激光照射被檢測表面，接收表面產(chǎn)生的反射光，從接收到的反射光的幅值等特征值的變化中得到超聲信號(hào)。該檢測方法又分為干涉檢測與非干涉檢測。干涉法檢測主要是將接收的反射光與參考光束發(fā)生干涉，得到頻移信號(hào)，從而檢測出被測材料表面的振動(dòng)位移。一般在檢測系統(tǒng)中引入外差干涉檢測儀，以提高檢測信號(hào)的抗干擾能力。非干涉檢測法是利用當(dāng)被檢測材料表面照射檢測光束小于接收的超聲信號(hào)波長時(shí)，表面反射的光束會(huì)受到表面超聲波的振動(dòng)而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)大小直接與超聲波信號(hào)的幅值及性質(zhì)有關(guān)。該檢測方法具有裝置簡單、頻帶寬等特點(diǎn)，是對一些拋光材料表面進(jìn)行超聲波檢測的有效工具。

02 激光超聲技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用

由于激光超聲檢測技術(shù)有突出的優(yōu)點(diǎn)，常用于復(fù)雜的幾何形狀如：楔形結(jié)構(gòu)、拐角結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等，國外在航空工業(yè)及其他領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用效果。

飛機(jī)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如復(fù)合材料機(jī)身和機(jī)翼的壁板結(jié)構(gòu)，包含蒙皮和長桁，蒙皮為變厚度且存在一定曲面，需檢測分層、脫粘和孔隙等缺陷，通常要求檢出ϕ6mm分層和脫黏，以及 1% 以上孔隙率。對于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造階段的無損檢測，常采用超聲脈沖和穿透 C 掃檢測技術(shù)，該技術(shù)對于平板類結(jié)構(gòu)檢測效率高，但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測效率低，某些部位存在不可達(dá)。對于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役階段的無損檢測，常采用超聲 A  掃和敲擊檢測技術(shù)，該技術(shù)檢測效率低，且受操作人員經(jīng)驗(yàn)要求較高。具有適應(yīng)復(fù)雜型面和高效率特點(diǎn)的激光超聲檢測技術(shù)，在飛機(jī)大型復(fù)合材料的無損檢測方面具有廣闊應(yīng)用前景，同時(shí)激發(fā)縱波且為激光接收的激光超聲檢測技術(shù)更適用于飛機(jī)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無損檢測的工程應(yīng)用。

目前，雖然傳統(tǒng)多通道超聲系統(tǒng)的掃描速度比激光超聲系統(tǒng)快，但是準(zhǔn)備時(shí)間(刮掉涂層、定位和仿形)較長，而激光超聲檢測不需要精確地裝卡定位，準(zhǔn)備工作可以在幾分鐘之內(nèi)完成。如果考慮到相對較平的板件，激光超聲系統(tǒng)并不占優(yōu)勢。然而，一旦需要大量的手工操作，例如帶加強(qiáng)筋的寬體客機(jī)壁板或機(jī)翼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，考慮到對于不同部件的操作靈活性和較短的定位和準(zhǔn)備時(shí)間，激光超聲系統(tǒng)就非常具有競爭力了，既省時(shí)又省錢。

引用資料：

【1】胡婷萍， 高麗敏， 楊海楠.“激光超聲技術(shù)在航空復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用”. 2018

【2】曾偉，楊先明，王海濤，等，激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用[J].無損檢測，2013，35(12)：49-52.

轉(zhuǎn)自：翔博科技

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