近年來，隨著現代工業(yè)技術的飛速發(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)境惡劣的工件進行檢測。

激光超聲技術作為一種非接觸、遠距離的新興檢測技術，將激光技術與超聲技術進行了有機結合，與傳統(tǒng)意義上的超聲檢測技術相比，激光超聲技術的特點如下：

(1)可實現與被檢測材料表面非接觸激發(fā)超聲信號，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，同時也避免對試件表面產生各種化學污染。

(2) 可實現大面積、快速掃描及超聲成像等特點，能夠實現在實際工業(yè)生產中對一些快速運動的試件進行在線檢測的要求。

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

(4)激光器產生激光聲源，可大可小且易聚焦。在實際檢測中，可以自由選取點、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、形狀復雜的試件以及焊縫根部，可以實現較好的缺陷檢測。

(6)利用零部件應力水平和聲速的相關性，可以用于應力測試。

01 激光超聲技術原理

1.1 激光超聲的產生

根據激光是否與被測工件接觸產生超聲信號的方法，可將激光超聲檢測技術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或熔蝕作用產生超聲信號;間接式則通過與被測工件周圍介質產生超聲信號。直接式是激光束直接與被測材料表面直接作用產生超聲信號，因此產生的超聲信號不僅與激光束本身的時空特性有關，而且還與被測工件的材質及表面特性有關。

1.2 熱彈機制

激光束在固體材料中激發(fā)出超聲信號主要是由于激光源與被測試件表面的相互作用。在熱彈機制中，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生發(fā)光，其中無輻射躍遷及化學作用將導致超聲信號的產生。對于一些表面材料干凈、無約束的固體來說，當激光束的功率密度較低時，其值低于被測工件材料表面的損傷閾值時，被測工件表面由于吸收激光束輻射能導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生切向壓力，可同時在被測工件表面產生橫波、縱波及表面波信號。在這種熱彈機制下，產生的超聲波信號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。但是在這種機制中，其光熱轉換效率比較低，為了提高其轉換效率，一般在其激光束照射的區(qū)域內涂各種涂層(如水或油)，可以提高被測材料表面吸收系數。同時在實際檢測中，采用一些脈沖寬度較窄的激光束同樣可以提高超聲信號的能量。熱彈激發(fā)機理原理如圖1所示。

1.3 熔蝕機制

在熔蝕機制中，當激光束功率密度很大，被照射材料表面的瞬態(tài)溫度迅速達到材料的熔點時，導致被照射材料表面產生等離子體，這時在被檢測材料表面有小部分物質會以很高的速度噴射出來，并在被檢測材料表面產生一個垂直的反作用力，同時在激光照射的表面產生一個壓縮脈沖，產生的應力波和表面波的波形振幅顯劇增強。這種熔蝕機制對被測物體表面有一定的損傷(每次對表面產生約0.3μm的損傷)，但是在此機制下能獲得較大強度的縱波和表面波，因此這種機制適用于某些對超聲信號強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，近年來產生了一些表面修飾技術，如濕表面技術。該技術主要在試件照射區(qū)的表面涂一層油或一滴水，同樣也可以產生燒蝕激發(fā)效果，而在材料中激發(fā)產生足夠強度的超聲波，而不對試件表面產生損傷。熔蝕激發(fā)原理如圖2所示。

1.4 激光超聲的接收

激光超聲信號的檢測方法主要有傳感器檢測和光學法檢測。

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行耦合接觸，接收激光產生的超聲信號。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方法，在使用時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。但對于一些復雜形狀的材料來說，該檢測方法無法使用且靈敏度低。

光學檢測法是一種非接觸、寬帶的超聲信號檢測方法。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。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，從而檢測出被測材料表面的振動位移。一般在檢測系統(tǒng)中引入外差干涉檢測儀，以提高檢測信號的抗干擾能力。非干涉檢測法是利用當被檢測材料表面照射檢測光束小于接收的超聲信號波長時，表面反射的光束會受到表面超聲波的振動而產生偏轉，偏轉大小直接與超聲波信號的幅值及性質有關。該檢測方法具有裝置簡單、頻帶寬等特點，是對一些拋光材料表面進行超聲波檢測的有效工具。

02 激光超聲技術在航空工業(yè)中的應用

由于激光超聲檢測技術有突出的優(yōu)點，常用于復雜的幾何形狀如：楔形結構、拐角結構、V型結構、T型結構、蜂窩夾層結構等，國外在航空工業(yè)及其他領域都有較好的應用效果。

飛機大型復合材料結構較為復雜，如復合材料機身和機翼的壁板結構，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。對于大型復合材料結構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，該技術對于平板類結構檢測效率高，但對于復雜結構檢測效率低，某些部位存在不可達。對于大型復合材料結構在服役階段的無損檢測，常采用超聲 A  掃和敲擊檢測技術，該技術檢測效率低，且受操作人員經驗要求較高。具有適應復雜型面和高效率特點的激光超聲檢測技術，在飛機大型復合材料的無損檢測方面具有廣闊應用前景，同時激發(fā)縱波且為激光接收的激光超聲檢測技術更適用于飛機大型復合材料結構無損檢測的工程應用。

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，但是準備時間(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，準備工作可以在幾分鐘之內完成。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，例如帶加強筋的寬體客機壁板或機翼的復雜結構，考慮到對于不同部件的操作靈活性和較短的定位和準備時間，激光超聲系統(tǒng)就非常具有競爭力了，既省時又省錢。

引用資料：

【1】胡婷萍， 高麗敏， 楊海楠.“激光超聲技術在航空復合材料無損檢測中的應用”. 2018

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

轉自：翔博科技

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