激光超声激励技术研究

　　激光超声是一种新型无损检测方法,早期受激光器件与相关学科发展的限制,自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后,未达到人们预想的应用效果。20世纪末至今,随着激光、电子、计算机和相关学科的发展,经过近十年的技术积累,激光超声已从方法探索步入技术研究与开发应用阶段,是传统超声检测技术的进一步发展。激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波(穿透波或发射波),具有非接触、远距离探测、频带宽及检测可达性好等优点,尤其适用于一些恶劣环境,如高温、腐蚀、辐射及具有较快运动速度的被检件^[1~6]。在此主要对激光超声激励技术进行研究,但不涉及激光接收的问题。

　　1　激光超声检测原理

　　激光超声利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热应力区,从而在物体内部产生应力波(即超声波)。如图1所示,在较低的吸收率下,表面吸收的热量不超过其融化温度,产生的是短时膨胀过程,与该膨胀相关的应力波绝大部分在弹性范围内,该模式称为热弹效应;在高能作用下,物体的温度升高,超过了其蒸发温度,产生烧蚀现象,使材料表面汽化,形成等离子体,于是有一垂直表面的反作用力作用在表面,形成弹性波源,该产生超声的模式称为热蚀效应^[2,7,8]。通常所说激光超声是指热弹效应。

　　在热弹效应区内,激光产生的应力波大小与吸收光的能量成正比,在能量分布均匀的情况下,可用一维模型来描述激光在材料表面产生的应力σ^[4]

　　式中　ε———弹性常数

　　ξ———热应力产生的应变

　　γ———泊松比

　　α———线性膨胀系数

　　ΔE———被材料表面吸收的激光能量

　　ρ———材料密度

　　C———材料的特征热容

　　由于激励的脉冲激光器与被检物体表面之间无需机械连接和接触、无需耦合剂且检测能量可调等特点,使得激光超声技术在工程上有较大的应用前景。

　　2　试验

　　2.1　试验装置

　　试验装置如图2所示。激光源是调Q的Nd:YAG固体激光器,可调的最大能量是300 mJ,重复频率为10 Hz,可发出直径为5 mm的激光光斑。激光器发射的激光作用在被检测的复合材料试样上,在试样的另一侧用超声换能器接收材料内产生的超声穿透波,检测信号放大后经过信号处理单元送到示波器上显示。

　　2.2　试验结果

　　采用图2所示装置对1~10 mm厚的树脂基(T300/双马树脂)碳纤维复合材料进行检测,材料表面未处理。每个试样上都采用同轴发射同轴接收(图3左边)以及发射和接收有偏离(图3右边)两种情况采集波形。图4是用激光超声对传统压电效应检测有困难的试样(如R角部位)进行检测。采用图4a的入射方式可得到图4b某复合材料外涵道含R角部位的激光超声回波信号。检测结果表明,即使入射角较大,也能接收到来自R角部位的超声信号。由于是非接触入射,因此该方法也可用于桶形翻边等存在几何难接近区的复合材料结构的检测。