激光超声技术及其应用

近年来，随着现代工业技术的飞速发展，在一些恶劣的环境中，如高温、高压、易腐蚀及放射性强的条件下，传统的无损检测方法无法完全满足检测要求，需要寻求一种更有效的无损检测方法对一些环境恶劣的工件进行检测。

激光超声技术作为一种非接触、远距离的新兴检测技术，将激光技术与超声技术进行了有机结合，与传统意义上的超声检测技术相比，激光超声技术的特点如下：

• (1)可实现与被检测材料表面非接触激发超声信号，因此，在材料表面无需添加任何耦合剂，避免耦合剂对检测精度的影响，同时也避免对试件表面产生各种化学污染。
• (2) 可实现大面积、快速扫描及超声成像等特点，能够实现在实际工业生产中对一些快速运动的试件进行在线检测的要求。
• (3) 可实现在一些绝缘体、陶瓷及有机材料中激发不同模式的超声波。而传统的压电超声技术中一种换能器只能在材料表面产生一种超声信号。
• (4)激光器产生激光声源，可大可小且易聚焦。在实际检测中，可以自由选取点、线、环的激光声源。
• (5)对被检材料表面的要求较低，对一些材料表面粗糙、形状复杂的试件以及焊缝根部，可以实现较好的缺陷检测。
• (6)利用零部件应力水平和声速的相关性，可以用于应力测试。

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激光超声技术原理

1.1 激光超声的产生

根据激光是否与被测工件接触产生超声信号的方法，可将激光超声检测技术分为直接式与间接式两大类。直接式主要采用激光与被测工件表面直接作用，一般这种方法主要通过热弹效应或熔蚀作用产生超声信号;间接式则通过与被测工件周围介质产生超声信号。直接式是激光束直接与被测材料表面直接作用产生超声信号，因此产生的超声信号不仅与激光束本身的时空特性有关，而且还与被测工件的材质及表面特性有关。

1.2 热弹机制

激光束在固体材料中激发出超声信号主要是由于激光源与被测试件表面的相互作用。在热弹机制中，激光束直接照射到试件材料表面的某一区域，被照射区域中的电子吸收光子能量，从基态跃迁至高能态，处于高能态的电子通过辐射跃迁产生发光，其中无辐射跃迁及化学作用将导致超声信号的产生。对于一些表面材料干净、无约束的固体来说，当激光束的功率密度较低时，其值低于被测工件材料表面的损伤阈值时，被测工件表面由于吸收激光束辐射能导致材料局部温度上升而不足以使其材料熔化，由于热膨胀而在其表面产生切向压力，可同时在被测工件表面产生横波、纵波及表面波信号。在这种热弹机制下，产生的超声波信号幅度随着激光束功率的增加而增加。由于激光束的功率较低，其在材料表面完全无损。但是在这种机制中，其光热转换效率比较低，为了提高其转换效率，一般在其激光束照射的区域内涂各种涂层(如水或油)，可以提高被测材料表面吸收系数。同时在实际检测中，采用一些脉冲宽度较窄的激光束同样可以提高超声信号的能量。热弹激发机理原理如图1所示。

1.3 熔蚀机制

在熔蚀机制中，当激光束功率密度很大，被照射材料表面的瞬态温度迅速达到材料的熔点时，导致被照射材料表面产生等离子体，这时在被检测材料表面有小部分物质会以很高的速度喷射出来，并在被检测材料表面产生一个垂直的反作用力，同时在激光照射的表面产生一个压缩脉冲，产生的应力波和表面波的波形振幅显剧增强。这种熔蚀机制对被测物体表面有一定的损伤(每次对表面产生约0.3μm的损伤)，但是在此机制下能获得较大强度的纵波和表面波，因此这种机制适用于某些对超声信号强度有较高要求的无损检测场合。

为了降低被检测材料的表面损伤度，近年来产生了一些表面修饰技术，如湿表面技术。该技术主要在试件照射区的表面涂一层油或一滴水，同样也可以产生烧蚀激发效果，而在材料中激发产生足够强度的超声波，而不对试件表面产生损伤。熔蚀激发原理如图2所示。

1.4 激光超声的接收

激光超声信号的检测方法主要有传感器检测和光学法检测。

传感器检测法主要是采用PVDF压电薄膜直接与被测材料表面进行耦合接触，接收激光产生的超声信号。一般说来，这种检测方法具有较高的检测灵敏度。但这种接触式的检测超声信号方法，在使用时需要在传感器与被测材料之间添加耦合剂，一般对检测材料表面要求较高。常见的换能器一般有电磁、压电陶瓷换能器和电容换能器，这些换能器具有较宽的频带，可在被检测材料表面接收到超声信号。但对于一些复杂形状的材料来说，该检测方法无法使用且灵敏度低。

光学检测法是一种非接触、宽带的超声信号检测方法。该方法通过连续激光照射被检测表面，接收表面产生的反射光，从接收到的反射光的幅值等特征值的变化中得到超声信号。该检测方法又分为干涉检测与非干涉检测。干涉法检测主要是将接收的反射光与参考光束发生干涉，得到频移信号，从而检测出被测材料表面的振动位移。一般在检测系统中引入外差干涉检测仪，以提高检测信号的抗干扰能力。非干涉检测法是利用当被检测材料表面照射检测光束小于接收的超声信号波长时，表面反射的光束会受到表面超声波的振动而产生偏转，偏转大小直接与超声波信号的幅值及性质有关。该检测方法具有装置简单、频带宽等特点，是对一些抛光材料表面进行超声波检测的有效工具。

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激光超声技术在航空工业中的应用

由于激光超声检测技术有突出的优点，常用于复杂的几何形状如：楔形结构、拐角结构、V型结构、T型结构、蜂窝夹层结构等，国外在航空工业及其他领域都有较好的应用效果。

飞机大型复合材料结构较为复杂，如复合材料机身和机翼的壁板结构，包含蒙皮和长桁，蒙皮为变厚度且存在一定曲面，需检测分层、脱粘和孔隙等缺陷，通常要求检出ϕ6mm分层和脱黏，以及 1% 以上孔隙率。对于大型复合材料结构在制造阶段的无损检测，常采用超声脉冲和穿透 C 扫检测技术，该技术对于平板类结构检测效率高，但对于复杂结构检测效率低，某些部位存在不可达。对于大型复合材料结构在服役阶段的无损检测，常采用超声 A 扫和敲击检测技术，该技术检测效率低，且受操作人员经验要求较高。具有适应复杂型面和高效率特点的激光超声检测技术，在飞机大型复合材料的无损检测方面具有广阔应用前景，同时激发纵波且为激光接收的激光超声检测技术更适用于飞机大型复合材料结构无损检测的工程应用。

目前，虽然传统多通道超声系统的扫描速度比激光超声系统快，但是准备时间(刮掉涂层、定位和仿形)较长，而激光超声检测不需要精确地装卡定位，准备工作可以在几分钟之内完成。如果考虑到相对较平的板件，激光超声系统并不占优势。然而，一旦需要大量的手工操作，例如带加强筋的宽体客机壁板或机翼的复杂结构，考虑到对于不同部件的操作灵活性和较短的定位和准备时间，激光超声系统就非常具有竞争力了，既省时又省钱。