表面缺陷激光超聲檢測(cè)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(shí)在材料表面激發(fā)縱波、橫波、表面波，在時(shí)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(wú)損檢測(cè)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(diǎn)，并針對(duì)激光超聲檢測(cè)表面缺陷這一應(yīng)用進(jìn)行了理論推導(dǎo)和說(shuō)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(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)儀器設(shè)備的安全性要求越來(lái)越高，對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)不可或缺。如對(duì)于鋼材、鋁材、復(fù)合材料、工業(yè)陶瓷等行業(yè)來(lái)說(shuō)，常常需要做無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)，而對(duì)于高安全等級(jí)的設(shè)備如核電站的高壓容器、航天飛機(jī)的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，為了保證絕對(duì)的安全性，必須定期進(jìn)行無(wú)損監(jiān)視[1]。由于超聲波具有波長(zhǎng)短，方向性強(qiáng)，遇障礙物產(chǎn)生衍射和散射等特點(diǎn)，超聲檢測(cè)技術(shù)在對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，特性研究和結(jié)構(gòu)分析時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)越性。不僅在工業(yè)上，超聲檢測(cè)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(lái)已發(fā)展成為超聲學(xué)的一個(gè)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)的途徑有兩個(gè)，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(lái)產(chǎn)生超聲波。激光超聲檢測(cè)技術(shù)作用過(guò)程較復(fù)雜。檢測(cè)時(shí)利用高能量的脈沖激光作用于被測(cè)對(duì)象表面，從而使被測(cè)物體表面的局部溫度改變，進(jìn)而引起被測(cè)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(cè)器接收超聲信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析從而來(lái)判斷被檢對(duì)象有無(wú)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(diǎn)，并針對(duì)激光超聲檢測(cè)表面缺陷這一應(yīng)用進(jìn)行了理論推導(dǎo)和說(shuō)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(lì)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(duì)于表面干凈、無(wú)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(guò)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(shí)，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(lái)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(duì)不透明固體進(jìn)行激光超聲檢測(cè)時(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)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(méi)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(wú)損的特點(diǎn)，它是激發(fā)超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發(fā)超聲過(guò)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(shí)，表面材料汽化，對(duì)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(duì)于金屬，當(dāng)入射激光脈沖功密度大于時(shí)，其表面因吸收光能導(dǎo)致溫度急劇升高，當(dāng)溫度超過(guò)材料的熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)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(guò)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(gè)時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對(duì)表面產(chǎn)生約的損傷，所以只能用于某些場(chǎng)合，且通常用來(lái)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(cè)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(duì)表面（或亞表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)是非常重要的[3]。表面波同其它彈性波一樣，在傳播過(guò)程中遇到表面或近表面缺陷時(shí)，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(guò)比較表面有缺陷和無(wú)缺陷的表面回波的差異，可以判斷出表面缺陷的位置。

測(cè)量表面聲波的示意圖如圖3所示：

圖3中，檢測(cè)光照射點(diǎn)位于缺陷和脈沖激光照射點(diǎn)之間，分別為激超聲源與檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)與樣品邊界，缺陷與樣品邊界之間的距離。

對(duì)于一般固體，由于表面波速度未知，無(wú)法通過(guò)表面波通過(guò)測(cè)點(diǎn)的回波時(shí)間差來(lái)計(jì)算缺陷位置。于是，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)利用表面波回波間的時(shí)間間隔的比值，來(lái)求缺陷距邊緣距離，避免了表面波速度未知或不精確帶來(lái)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究的迅猛發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)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(duì)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(guó)家和企業(yè)帶來(lái)了更多的經(jīng)濟(jì)效益。激光超聲檢測(cè)技術(shù)作為新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，雖然其優(yōu)點(diǎn)明顯，但是目前來(lái)說(shuō)，由于技術(shù)尚未成熟，并未大批量投入使用。激光超聲檢測(cè)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(cè)研究[D].大連理工大學(xué)，2015.

[2]劉輝.激光超聲表面缺陷檢測(cè)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(cè)技術(shù)[J].無(wú)損探傷，2011，（05）：1-4.endprint