郭瑞鵬，王海濤，徐　君，胡國星，曾　偉,楊先明

(1. 南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院， 南京 210016； 2. 煙臺富潤實業(yè)有限公司， 煙臺 264670)

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基于光聲效應(yīng)的激光超聲波檢測技術(shù)

郭瑞鵬1，王海濤1，徐君1，胡國星1，曾偉1,楊先明2

(1. 南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院， 南京 210016； 2. 煙臺富潤實業(yè)有限公司， 煙臺 264670)

介紹了一種基于光聲效應(yīng)的激光超聲波檢測技術(shù)，該技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)激光超聲技術(shù)中激光激發(fā)超聲波效率低的問題。為了實現(xiàn)對材料內(nèi)部缺陷的檢測，采用有限元分析方法對激光超聲波在材料內(nèi)部傳播時與缺陷相互作用的過程進(jìn)行了模擬仿真，并設(shè)計試驗進(jìn)行了驗證。設(shè)計了一種OA探頭來改善激光的激發(fā)效率，并使用該探頭對鋁試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明:這種檢測方法能夠有效地檢測出材料的內(nèi)部缺陷。

光聲效應(yīng)；激光超聲波；有限元分析；內(nèi)部缺陷

激光激發(fā)超聲技術(shù)是一門新興的技術(shù)，涉及光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科[1]。激光超聲檢測技術(shù)是傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，與傳統(tǒng)的壓電超聲相比，具有非接觸、遠(yuǎn)距離探測等優(yōu)點[2]，特別適合于一些惡劣環(huán)境，比如酸、堿、高溫高壓[3]、腐蝕、輻射等環(huán)境下的檢測，具有向工業(yè)在線檢測和質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)展的潛力，這也是激光超聲近幾年得到大力發(fā)展的重要原因。

激光超聲檢測技術(shù)的超聲波場可以不受任何干擾，或者受到的干擾很?。豢梢栽诜菈弘娋w中直接激發(fā)出超聲，用于檢測非壓電晶體；利用鎖模激光器很容易獲得與激光脈沖寬度相近的超聲脈沖，頻帶遠(yuǎn)寬于常規(guī)換能器所產(chǎn)生的超聲，從而使得基于超聲衍射方法的缺陷檢測技術(shù)具有檢測微小缺陷和裂紋的潛力[4]；探測激光束可以被聚焦成非常小的點，因而激光超聲檢測系統(tǒng)可以達(dá)到數(shù)微米的空間分辨率，有利于缺陷的精確定位及尺寸度量[5]。

物體表面被激光輻照主要通過熱彈機(jī)制與燒蝕機(jī)制[6]激發(fā)出超聲波，其他如：輻射壓、表面熔化等機(jī)制產(chǎn)生的聲波很弱或在某些特殊情況下才起主導(dǎo)作用。熱彈性激勵機(jī)制原理是:激光脈沖照射到樣品表面上，部分激光能量被材料吸收引起局部溫度升高，由材料熱膨脹帶動和單位面積動量變化引起壓力變化產(chǎn)生表面運動。熱彈效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率極其低下，如果要產(chǎn)生可用于超聲檢測的信號，通過提高激光功率密度的方式通常會對物體表面造成一定的損傷。燒蝕機(jī)制原理是:光功率密度超過某一閾值時，樣品表面溫度升高，部分材料被蒸發(fā)形成氣體或被電離成等離子體，以很高的速度離開樣品表面。根據(jù)動量守恒，離開表面的粒子對表面形成應(yīng)力脈沖。應(yīng)力脈沖的上升沿與激光脈沖有相似的上升時間，因此燒蝕機(jī)制所產(chǎn)生的超聲波不但幅值高而且適合產(chǎn)生高頻率的超聲信號。

研究表明，對樣件表面進(jìn)行約束會改變激光特性[7]，因此筆者在不損壞樣件表面的條件下，通過約束樣件表面獲得類似燒蝕機(jī)制產(chǎn)生的頻率高、幅值大的超聲信號，并通過這種方法實現(xiàn)對材料缺陷的檢測。

1　試驗原理及理論仿真

1.1試驗原理

縱波是一種彈性波，當(dāng)某處物質(zhì)粒子離開平衡位置，即發(fā)生應(yīng)變時，該粒子在彈性力的作用下發(fā)生振動，同時又引起周圍粒子的應(yīng)變和振動，這樣形成的振動在彈性介質(zhì)中的傳播過程稱為“彈性波”;而激光照射導(dǎo)致物體局部溫度周期性變化，物體受熱膨脹產(chǎn)生周期性應(yīng)變，應(yīng)變導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生使物體質(zhì)點離開平衡位置從而得到超聲波信號。

在熱彈機(jī)制下，由于材料的光吸收系數(shù)較小且激光能量功率密度小，導(dǎo)致激發(fā)出的超聲波信號太弱，不利于檢測。因此，需要設(shè)計一種新的激發(fā)模式來提高激光超聲的能量轉(zhuǎn)換效率，從而在不損壞材料表面的前提下，提高激光激發(fā)超聲波的幅值，降低檢測難度，同時有利于對材料內(nèi)部缺陷的檢測。圖1為激發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意。

圖1　激發(fā)裝置結(jié)構(gòu)示意

圖1中所示結(jié)構(gòu)分為兩層：約束層和能量吸收層。約束層的主要作用是使能量吸收層與試件緊密接觸，一般選擇光透性強(qiáng)的材料。能量吸收層主要用來吸收激光能量，產(chǎn)生熱膨脹而形成超聲源，需選取光能量吸收強(qiáng)的材料。其主要工作原理為：激光透過約束層照射到能量吸收層上，產(chǎn)生熱膨脹，材料受熱膨脹形成超聲源，向四周發(fā)射超聲波進(jìn)入材料內(nèi)部。

1.2理論仿真模型

激光照射到材料表面，考慮到激光束的對稱性，選取材料的一個二維切面進(jìn)行分析，以減小計算量。選取試件材料為鋁，能量吸收層材料為金屬鉻。鋁的材料參數(shù)為:熱傳導(dǎo)系數(shù)為292.6 W·m-1·K-1,比熱為3 971 J·kg-1·K-1，密度為2 769 kg·m-3;鉻的材料參數(shù)為：熱傳導(dǎo)系數(shù)為93.9 W·m-1·K-1,比熱為480 J·kg-1·K-1，密度為7 190 kg·m-3。

激光的空間分布為高斯分布，光束中心的能量高，邊緣能量低?？臻g分布可表示為：

(1)

式中:I0為激光束的能量功率密度,2 MW·cm-2;a0為激光光斑半徑,0.3 mm。

時間分布可表示為:

(2)

式中:t0為脈沖寬度,10 ns。

則激光的加載公式為：

(3)

式中:A(T)為材料表面吸收系數(shù)，0.01。

根據(jù)上述參數(shù)，在ANSYS軟件中采用PLANE55建立二維仿真模型，并添加材料參數(shù)，模型如圖2所示。模型大小為20 mm×4.4 mm，缺陷尺寸為1 mm×2.2 mm，網(wǎng)格劃分為100 μm×100 μm，在激光加載區(qū)域進(jìn)行加密處理。激光能量按照高斯分布熱流加載到鋁材料上表面。其中，圖2(a)為沒有進(jìn)行表面處理的自由表面，圖2(b)為上表面附著一層200 nm的鉻層，并進(jìn)行約束的表面模型(以下稱為帶OA層)，圖2(c)為在圖2 (b)的基礎(chǔ)上增加了缺陷的表面模型。

圖2　不同表面的仿真模型示意

仿真過程中，設(shè)置初始溫度為300 K(室溫)，熱分析步長為0.1 ns，分析時長為10 ns，應(yīng)力場分析時間為0.01 μs，分析時長為10 μs。在上述參數(shù)設(shè)置好之后，進(jìn)行熱力學(xué)分析求解。

1.3仿真結(jié)果分析

觀察試件上表面中心處的信號，對比有無約束的情況下的超聲波信號的幅值大小，以及有內(nèi)部缺陷時的超聲波信號的變化。

圖3　有無約束時的模擬信號

圖3(a),(b)分別為無OA層和有OA層時對心模擬的信號。可以看出，無OA層時從試件底面反射回的一次回波的信號峰峰值為1.96×10-10V，有OA層時的信號峰峰值為3.8×10-8V，即OA層對信號的放大效果很明顯，同時可以計算出金屬鉻作為OA材料時的放大倍數(shù)為193.8倍。此外，由圖3還可計算出在鋁材料中超聲縱波的速度為6 197 m·s-1，略小于其理論值6 250 m·s-1，這是由于網(wǎng)格劃分而導(dǎo)致計算時出現(xiàn)的誤差。

圖4為加上OA層后對有內(nèi)部缺陷的試件檢測時的仿真結(jié)果。

圖4　有缺陷時不同時刻的仿真結(jié)果

圖4(a),(b)分別為不同時刻超聲波在有內(nèi)部缺陷的試件內(nèi)部傳播的圖像。從圖4(b)可以看出，當(dāng)超聲波遇到缺陷時會有一部分波形被反射，另外一部分則繞過缺陷繼續(xù)傳播，碰到試件底面后再反射，從而在試件對心位置可以接收到這兩部分波形。通過比較圖4(c)和圖3，可看出在t=0.73 μs處有明顯的缺陷信號，依據(jù)圖3中得到的縱波速度6 197 m·s-1以及缺陷處的時間差，可以算出缺陷信號離上表面的距離d=2.26 μm，與實際缺陷位置大致相符。

圖5　OA探頭實物圖片

2　試驗驗證

根據(jù)上述理論分析和仿真，設(shè)計了一種OA探頭來提高激發(fā)效率，并進(jìn)行了試驗驗證。設(shè)計的OA探頭實物如圖5所示。選取石英玻璃作為約束層，在石英底部鍍上一層200 nm的金屬鉻膜作為能量吸收層，并在石英玻璃的另一側(cè)鍍上電極進(jìn)行信號采集，斜角處為激光入射點。

試驗裝置如圖6所示，主要包括Nd∶YAG脈沖激光器(脈沖能量1 mJ，重復(fù)頻率1 000 Hz，光斑直徑0.01 mm)、引導(dǎo)光纖、OA探頭以及數(shù)字示波器。

圖6　試驗裝置結(jié)構(gòu)示意

圖7　不同表面情況下的超聲波波形

利用圖6的試驗裝置進(jìn)行了相關(guān)試驗。分別采集無金屬膜層時，有金屬膜層時探頭接收到的信號，如圖7所示。圖7(a)中未看到超聲波信號，由于試驗中使用的示波器只對毫伏級以上的信號才能進(jìn)行采集，因此可以說明不加金屬膜層時的信號強(qiáng)度應(yīng)該小于1 mV。圖7(b)中超聲波信號清楚可見，其中，第一個波包為膜層產(chǎn)生超聲波并從上表面反射回來的信號，第二個波包為從試件底層反射回的波形，即所要得到的波形，其峰峰值為35 mV。此外，根據(jù)相鄰兩個波形之間的時間可算出鋁材料中的縱波速度為6 280 m·s-1，與理論值6 250 m·s-1和前述仿真結(jié)果6 197 m·s-1基本相符。由此可知,在1 mJ脈沖能量輻照下，實驗室現(xiàn)有的示波器無法檢測到激光激發(fā)的超聲波信號，而利用圖5中的OA探頭，則能接收到明顯的超聲波信號，即OA探頭能夠明顯提高光聲轉(zhuǎn)換效率。

圖8是采用實驗裝置對帶有缺陷的鋁板檢測時對心接收到的信號。從圖中可看出，在t=1.25 μs處有明顯的缺陷信號，且時間差dt=0.75 μs。按照實際測量出的縱波速度計算，可以得到缺陷位于距上表面 2.35 mm處。與實際情況和理論仿真結(jié)果相比較，誤差分別為6.8%和3.98%。

圖8　帶有缺陷的鋁板對心接收到的信號

3　結(jié)論

基于激光超聲理論，針對熱彈機(jī)制下激光激發(fā)效率過低的問題，設(shè)計了一種改善激發(fā)模式的激發(fā)裝置，并通過有限元仿真的方法對這一裝置的可行性進(jìn)行了理論仿真。對常規(guī)熱彈機(jī)制下的激光超聲以及使用OA探頭激發(fā)出的超聲波波形進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果表明設(shè)計的試驗裝置能夠明顯地提升激光激發(fā)效率。利用該試驗裝置對帶有缺陷的鋁塊進(jìn)行了缺陷檢測，結(jié)果與實際情況基本吻合，可為后續(xù)激光超聲的定量檢測提供依據(jù)。

[1]張淑儀. 激光超聲與材料無損評價[J].應(yīng)用聲學(xué), 1992, 11(4): 1-6.[2]周正干, 孫廣開, 李征,等. 激光超聲檢測技術(shù)在復(fù)合材料檢測中的應(yīng)用[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報, 2013, 17(6): 119-122.

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[5]曾偉,王海濤,田貴云,等. 激光超聲波成像技術(shù)在奧氏體不銹鋼焊縫檢測中的研究[J]. 中國激光, 2014, 41(7):0703004-1-5.

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Measurement Technique by Laser Ultrasound Based on Opto-acoustic Effect

GUO Rui-peng1, WANG Hai-tao1, XU Jun1, HU Guo-xing1, ZENG Wei1, YANG Xian-ming2

(1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China；2. Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability, Yantai 264670, China)

This paper describes the laser ultrasonic technology based on opto-acoustic effect, which can solve the problem of low excitation efficiency of the traditional laser ultrasonic technique. In order to detect the internal defects in materials, the finite element analysis method is employed to simulate the interaction of laser ultrasonic and defects while the ultrasonic wave being propagating in the material, and the experiment is designed to verify the theoretical analysis. An OA probe is designed to improve the excitation efficiency and used to detect the internal defects of Al material. The results show that the method could detect the internal defects effectively.

Opto-acoustic effect; Laser ultrasonic; Finite element analysis; Internal defects

2015-05-28

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專項資助課題(201510068)；國家安監(jiān)局關(guān)鍵技術(shù)資助項目(山東0143-2014AQ);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資助課題(NS2014032)

郭瑞鵬(1981-)，女,博士，講師，主要從事相控陣、激光超聲研究工作。

10.11973/wsjc201510001

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0001-04