激光超声检测技术

　　1　前言

　　激光可以实现非接触式的高灵敏度测量,但不能通过非透明材料的内部,而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测,因此,用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部,再用激光技术来接收这种超声波的信号,把两者结合起来,发展出一种新的检测方法-激光超声检测方法,解决常规超声检测难以解决的问题。

　　与常规超声检测方法比较,激光超声技术具有下列优点:激光超声不需要耦合剂,避免了耦合剂对测量范围和精度的影响;激光超声可实现远距离操作,可用于高温环境及腐蚀性强、有放射性等恶劣条件,并可以实现快速扫描,对生产现场快速运动的工件的在线检测;激光超声的盲区小于100μm,可用于测量薄工件。激光超声的频率带宽较常规的换能器宽,具有测量微小缺陷裂纹的能力;激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制的空间,如焊缝根部小直径管道等;空间分辨率高,有利于缺陷的精确定位及尺寸量度,并可作为声源应用于理论研究。早期受到激光器件与相关学科发展的影响,激光超声自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点之后,尚未达到人们预想的应用效果。20世纪末21世纪初,随着激光、电子、计算机和相关学科的发展,经过近10来年的技术积累,激光超声已经从方法探索步入技术研究与开发应用阶段,特别是国外一些新型的航空装备上已经开始采用这一检测新技术。我国则错过了这一个关键时期的技术积累。

　　2　激光超声检测的原理

　　激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,然后利用这种小热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力,从而通过这种热应力产生超声波。激光作用在材料上产生两个热特性区:灼烧区、热弹区。

　　2.1　灼烧区

　　如图1所示,在高的能量作用下,物体的温度升高超过了其蒸发温度,原子以高速离开物体表面,产生一个动量,这种产生超声的模式称为热蚀效应。

　　2.2　热弹区

　　如图2所示,当激光器的能量不足在表面上形成腐蚀现象时,在固体表面产生热特性区,从而在物体内部产生应力波即超声波,较低的吸收率下,表面吸收的热量没有超过其融化温度,产生源是一个短暂的膨胀过程,与这个膨胀相关的压力波绝大部分低于弹性范围内,这种模式称为热弹效应。

　　通常所说的激光超声指的是热弹区,由于用于激励的脉冲激光器与被检测物体表面之间不需要任何机械连接和接触,因此,这种方法具有很好的工程应用潜力和前景。当采用光学方法接收激光束在被检测材料中产生的超声波时,这种方法可以完全实现非接触的超声检测。