表面缺陷激光超聲檢測技術(shù)

張穎萍+戢志穎

摘 要：材料本身的如光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)與激光超聲的產(chǎn)生息息相關(guān)。而且，激光超聲源能同時在材料表面激發(fā)縱波、橫波、表面波，在時間上又具有與沖激函數(shù)或階躍函數(shù)很相似的特性，使得激光超聲技術(shù)在材料無損檢測方面應(yīng)用前景廣闊。本文首先介紹了激光超聲技術(shù)的背景，闡述了激光超聲的熱彈激發(fā)機(jī)理和燒蝕激發(fā)機(jī)理的原理及其特點，并針對激光超聲檢測表面缺陷這一應(yīng)用進(jìn)行了理論推導(dǎo)和說明，最后進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：激光超聲技術(shù)；表面缺陷；無損檢測

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0078-02

1 引言

隨著工業(yè)工程的迅速發(fā)展，工業(yè)上對儀器設(shè)備的安全性要求越來越高，對儀器設(shè)備進(jìn)行無損檢測不可或缺。如對于鋼材、鋁材、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等行業(yè)來說，常常需要做無損檢測和評價，而對于高安全等級的設(shè)備如核電站的高壓容器、航天飛機(jī)的構(gòu)件來說，為了保證絕對的安全性，必須定期進(jìn)行無損監(jiān)視[1]。由于超聲波具有波長短，方向性強(qiáng)，遇障礙物產(chǎn)生衍射和散射等特點，超聲檢測技術(shù)在對材料進(jìn)行無損檢測，特性研究和結(jié)構(gòu)分析時具有獨特的優(yōu)越性。不僅在工業(yè)上，超聲檢測在醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)勘探等方面也有著一席之地。激光超聲學(xué)是超聲學(xué)與激光技術(shù)相結(jié)合而形成的新興交叉學(xué)科，涉及光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、，材料學(xué)等學(xué)科，近年來已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個重要分支。激光超聲是指利用激光產(chǎn)生超聲波這一物理過程，實現(xiàn)的途徑有兩個，一是用脈沖激光在物體中產(chǎn)生超聲波；二是利用脈沖激光來產(chǎn)生超聲波。激光超聲檢測技術(shù)作用過程較復(fù)雜。檢測時利用高能量的脈沖激光作用于被測對象表面，從而使被測物體表面的局部溫度改變，進(jìn)而引起被測物體表層分子發(fā)生熱膨脹，激發(fā)出超聲波。超聲波將攜帶材料表面和內(nèi)部的有用信息，用探測器接收超聲信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析從而來判斷被檢對象有無缺陷。本文首先介紹了激光超聲技術(shù)的背景，闡述了激光超聲的熱彈激發(fā)機(jī)理和燒蝕激發(fā)機(jī)理的原理及其特點，并針對激光超聲檢測表面缺陷這一應(yīng)用進(jìn)行了理論推導(dǎo)和說明，最后進(jìn)行了總結(jié)。

2 激光超聲技術(shù)原理

按照入射激光的功率密度和固體表面條件的不同，固體中激光激勵超聲波的機(jī)理一般可分為熱彈激發(fā)機(jī)理和燒蝕激發(fā)機(jī)理。對于表面干凈、無約束的固體，如果固體表面的損傷閾值（金屬材料一般為）高于入射激光的光功率密度，產(chǎn)生的熱能不足以使固體表面熔化，則在產(chǎn)生超聲過程中，熱彈效應(yīng)激發(fā)起主要作用；如果固體表面的損傷閾值（金屬材料一般為）低于入射激光的光功率密度，固體表面溫度上升使局部融化，表面出現(xiàn)燒蝕，此時，盡管熱彈激發(fā)效應(yīng)仍然存在，但是燒蝕激發(fā)效應(yīng)起決定性的作用。接下來分別介紹熱彈激發(fā)和燒蝕激發(fā)。

2.1 熱彈激發(fā)機(jī)理

對不透明固體進(jìn)行激光超聲檢測時，激光射向不透明固體，一部分能量被反射，一部分被吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，樣品表面升溫幾十到幾百度。對于如金屬等電導(dǎo)率很大的固體，只在表面下數(shù)微米的范圍內(nèi)存在光的吸收，吸收光能的淺表部分由于溫度上升而發(fā)生膨脹。

當(dāng)金屬表面處于自由狀態(tài)時，淺表層的體積膨脹引起的主要應(yīng)力平行于材料表面，理論上它相當(dāng)于時間上是階躍函數(shù)的切向力源，可以激發(fā)橫波、縱波和表面波[2]。

由于固體淺表層的局部升溫并沒有導(dǎo)致材料的任何相變，所以熱彈激發(fā)效應(yīng)具有嚴(yán)格無損的特點，它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過程中，光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率很低，為了提高熱彈激發(fā)超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層（如水，油），以增加表面的光吸收系數(shù)。同樣，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。熱彈激發(fā)示意圖如圖1所示：

2.2 燒蝕激發(fā)機(jī)理

當(dāng)入射激光的功率密度大于樣品表面的損傷閾值時，表面材料汽化，對樣品產(chǎn)生一法向沖力，從而激發(fā)超聲波，稱為燒蝕激發(fā)機(jī)理。燒蝕激發(fā)機(jī)理的原理如圖2所示：

對于金屬，當(dāng)入射激光脈沖功密度大于時，其表面因吸收光能導(dǎo)致溫度急劇升高，當(dāng)溫度超過材料的熔點時，會有約幾微米深的表層材料發(fā)生燒蝕，部分原子脫離金屬表面，并在表面附近形成等離子體。這一過程可產(chǎn)生很強(qiáng)的垂直于表面的反作用力脈沖，相當(dāng)于給表面施加一個時間為沖擊函數(shù)的法向力，從而激發(fā)出幅值較大的超聲波。

這種機(jī)制的超聲激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高4個數(shù)量級，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對表面產(chǎn)生約的損傷，所以只能用于某些場合，且通常用來產(chǎn)生縱波。燒蝕激發(fā)示意圖如圖2所示：

3 激光超聲檢測表面缺陷

許多材料，尤其是高強(qiáng)度的脆性材料，最大應(yīng)力常常發(fā)生在表面，而表面開口缺陷又特別易于擴(kuò)展，因此，利用激光超聲技術(shù)對表面（或亞表面缺陷進(jìn)行檢測是非常重要的[3]。表面波同其它彈性波一樣，在傳播過程中遇到表面或近表面缺陷時，部分表面聲波在缺陷處仍以表面波的形式被反射，并沿物體表面返回。通過比較表面有缺陷和無缺陷的表面回波的差異，可以判斷出表面缺陷的位置。

測量表面聲波的示意圖如圖3所示：

圖3中，檢測光照射點位于缺陷和脈沖激光照射點之間，分別為激超聲源與檢測點，檢測點與樣品邊界，缺陷與樣品邊界之間的距離。

對于一般固體，由于表面波速度未知，無法通過表面波通過測點的回波時間差來計算缺陷位置。于是，本實驗驗利用表面波回波間的時間間隔的比值，來求缺陷距邊緣距離，避免了表面波速度未知或不精確帶來的影響。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究的迅猛發(fā)展，無損檢測技術(shù)已經(jīng)在鐵路、航運(yùn)、航空、工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，不僅對保障設(shè)備的可靠運(yùn)行和人身安全具有重大意義，也為國家和企業(yè)帶來了更多的經(jīng)濟(jì)效益。激光超聲檢測技術(shù)作為新興的無損檢測技術(shù)，雖然其優(yōu)點明顯，但是目前來說，由于技術(shù)尚未成熟，并未大批量投入使用。激光超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張穎志.基于激光超聲技術(shù)的金屬表面缺陷檢測研究[D].大連理工大學(xué)，2015.

[2]劉輝.激光超聲表面缺陷檢測機(jī)理研究[D].中北大學(xué)，2014.

[3]杜麗婷，劉松平.激光超聲檢測技術(shù)[J].無損探傷，2011，（05）：1-4.endprint