方奔　戰(zhàn)宇　陳春明

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)的跨越式發(fā)展給無損檢測與評價技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)在新材料及復(fù)雜環(huán)境下質(zhì)量評價方面存在難以解決的問題。激光超聲技術(shù)作為一種新興的檢測技術(shù)以其諸多優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)檢測中備受關(guān)注。本文闡述激光超聲檢測技術(shù)的基本原理與方法，概述相關(guān)的研究成果與工業(yè)應(yīng)用，討論激光超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿ΑＱ芯拷Y(jié)果表明，激光超聲技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，可以適應(yīng)苛刻的條件限制與特殊的環(huán)境要求，解決極為復(fù)雜的實際問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光超聲 無損檢測 殘余應(yīng)力檢測

中圖分類號：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0106-03

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)在設(shè)備和裝備的運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、降低成本、提高生產(chǎn)率等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。傳統(tǒng)無損檢測方法諸如X射線法、磁粉法、渦流法、滲透法等在放射性、有毒性、高溫、高壓等惡劣環(huán)境下應(yīng)用具有一定的局限性，嚴(yán)重地限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。激光超聲技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測方式，它既克服了傳統(tǒng)光測技術(shù)的非穿透性，又克服了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的要求接觸檢測的弊端，能夠?qū)崿F(xiàn)對試件進(jìn)行高精度、無損傷、非接觸的檢測，同時不受構(gòu)件形狀及惡劣環(huán)境等因素的影響，可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測[2]。激光超聲方法有點突出，首先，能夠?qū)崿F(xiàn)與被檢測材料表面非接觸式的激發(fā)超聲信號，即在材料表面無需添加任何耦合劑，可以避免耦合劑對檢測精度的影響以及對材料表面產(chǎn)生污染或破壞；其次，可實現(xiàn)在一些絕緣體、陶瓷及有機(jī)材料中激發(fā)不同模式的超聲波。而傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)中一種換能器只能在材料表面產(chǎn)生一種超聲信號；最后，對被檢材料表面的要求較低，對一些材料表面粗糙、形狀復(fù)雜的試件以及焊縫根部，可以實現(xiàn)較好的缺陷檢測。

本文對激光超聲技術(shù)做了系統(tǒng)的總結(jié)，針對激光誘導(dǎo)超聲的機(jī)理以及激發(fā)系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述，闡明了不同接收系統(tǒng)的原理及特點，為超聲信號的高精度檢測提供參考依據(jù)，討論了激光超聲系統(tǒng)在裂紋檢測、彈性常數(shù)測量、殘余應(yīng)力表征等領(lǐng)域的應(yīng)用以及需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文的研究對于激光超聲實驗系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及拓展激光超聲技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 激光超聲實驗系統(tǒng)及其原理

1.1 激光超聲實驗系統(tǒng)

激光超聲是通過脈沖激光與物體的相互作用在物體內(nèi)部及表面產(chǎn)生多模態(tài)超聲波，通過檢測和分析超聲信號反演材料固有的物理屬性及幾何特征的一門新興的交叉學(xué)科。激光超聲系統(tǒng)集聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、計算機(jī)等多學(xué)科于一身，主要由4部分組成，即超聲波的產(chǎn)生部分、超聲波的接收部分、接收信號的處理和顯示部分與機(jī)械運(yùn)動的控制和執(zhí)行部分。

產(chǎn)生超聲波的部分主要是大功率激光器，一般使用脈沖激光器。目前主要有：（1）Nd：YAG激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長是1064nm，激光器的典型參數(shù)為能量300mJ，脈寬5ns，激光光斑直徑為6.5mm，Nd：YAG激光器具有量子效率高、受激輻射界面大的優(yōu)點，應(yīng)用上與金屬耦合效率高，但其能量轉(zhuǎn)化率較低，在實際應(yīng)用中經(jīng)常選用Nd：YAG激光器。（2）二氧化碳激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長是10600nm，激光脈沖的持續(xù)時間為70ns左右，根據(jù)制造需要，二氧化碳激光束的形狀可以是長方形的，激光光斑直接大約為5nm，二氧化碳激光器除了具有一般氣體激光器的高度相干性和頻率穩(wěn)定性的特點，還可以達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)化率，檢測非金屬材料包括復(fù)合材料，脈沖氣體激光器的激光激光波長較長，具有一些優(yōu)勢。（3）XeCI激光器。該激光器產(chǎn)生的激光波長是308nm，脈寬5ns，其與二氧化碳激光器有相似的光束形狀，光斑直接大約為3nm，由于“準(zhǔn)分子”壽命極短，在共振腔內(nèi)往復(fù)次數(shù)少，缺乏共振，因此光束指向性差，發(fā)散角一般為2～10毫弧度。

接收超聲波的部分主要是激光器和激光干涉儀。通常使用的連續(xù)激光器有倍頻的Nd：YAG半導(dǎo)體激光器（波長532nm，綠光）、紅寶石固體激光器（波長694.3nm，紅光）、氦氖氣體激光器（波長632.8nm，紅光）。氦氖激光器是使用時間最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的激光器之一，因其極大的相干長度、激光不受溫度波動影響、激光輸出具有良好的準(zhǔn)直性、使用壽命比較長等特點，在材料檢測具有廣泛的應(yīng)用。而激光干涉儀的組成包含復(fù)雜的光路系統(tǒng)，分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種，因其高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點在高精度測量中具有極大的使用價值。

接收信號的處理和顯示部分主要是鑒頻器、信號采集與處理系統(tǒng)、信號傳輸、信號存儲、信號顯示等以及相應(yīng)的軟件，眾多功能集成在一臺計算機(jī)中。機(jī)械運(yùn)動的控制和執(zhí)行部分包括計算機(jī)的控制軟件和機(jī)械掃描的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等外圍設(shè)備。

1.2 激光超聲實驗系統(tǒng)原理

1.2.1 激光激發(fā)超聲的機(jī)理

利用激光產(chǎn)生超聲波主要有以下兩種方式。

第一種方式叫作熱彈機(jī)制激發(fā)超聲，當(dāng)一束脈沖激光入射到固體表面時，由于其極高的能量密度，部分激光能量被固體吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使得材料局部受熱迅速膨脹，由于周圍材料的約束，這個作用區(qū)域就形成一個高頻振動源，其產(chǎn)生的超聲波在材料內(nèi)部傳播。這種方式所加載的能量不足以融蝕材料，不會破壞材料表面，在無損檢測領(lǐng)域具有很重要的研究意義。

第二種方式叫作融蝕機(jī)制激發(fā)超聲。融蝕激發(fā)的原理和熱彈性激發(fā)的原理一樣，都是通過激光入射材料表面產(chǎn)生超聲波。不同的是這種方式使用的激光能量過高，材料表面被融蝕汽化。材料表面的汽化會給材料一個法向的沖力，形成一個法向脈沖力源，導(dǎo)致在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波。

1.2.2 激光接收超聲的機(jī)理

激光接收超聲，是連續(xù)或脈寬足夠長的激光入射樣品表面，散射或者反射的光攜帶了超聲信息，再由干涉型或非干涉型的光學(xué)接收器收集后進(jìn)行信號解調(diào)分析。在激光超聲技術(shù)中，最常用的是基于光學(xué)干涉技術(shù)的光學(xué)測振技術(shù)。

光學(xué)測振的原理是：物體表面的機(jī)械振動會使散射光產(chǎn)生多普勒頻移，機(jī)械振動的位移和速度等物理量被調(diào)制到多普勒頻移中；利用光學(xué)干涉技術(shù)可以把光的多普勒頻移除以差頻的方式轉(zhuǎn)換成為光強(qiáng)變化的頻率，應(yīng)用鑒頻技術(shù)可以將頻率拾撿出來，從而獲得物體表面的機(jī)械振動狀況。

2 激光超聲技術(shù)的發(fā)展

工程應(yīng)用方面，1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象。自20世紀(jì)80年代，美國學(xué)者開始研究將激光超聲應(yīng)用于無損檢測，1998年，為了配合美國軍方聯(lián)合攻擊機(jī)JSF的競爭，洛馬公司建造了第一套激光超聲系統(tǒng)（LUS）；2000年和2004年，又分別為F22和F35戰(zhàn)機(jī)建造了第二套和第三套激光超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了傳統(tǒng)水浸超聲檢測系統(tǒng)無法實現(xiàn)的超大尺寸復(fù)雜形狀構(gòu)建的非接觸式快速測量；TECNAR公司研制出了商業(yè)化的激光超聲檢測系統(tǒng)，用于航空復(fù)合材料構(gòu)件的檢測與評價；Bossa Nova Tech公司研制出適用于多種材料檢測與評價的激光超聲系統(tǒng)。

科學(xué)研究方面，S.G.Pierce等研究了碳/玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的光致寬帶蘭姆波測量方法；S.Guilbaud等通過激光激發(fā)、探測聲波的方式，研究了C-PMR15復(fù)合材料剛度隨溫度的變化特征；J.C.Adamowski等利用具有聚偏氟乙稀（PVDF）80mm孔徑薄膜的接受器，用激光超聲的方法測量了復(fù)合材料的楊氏模量，且誤差在1%以內(nèi)；S.K. Rathore等應(yīng)用名為C-ART的新造影技術(shù)，結(jié)合激光超聲的實驗及理論數(shù)據(jù)，求出了復(fù)合材料的彈性常量。

國內(nèi)對激光超聲的研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代末。國立臺灣大學(xué)的T.-T.Wu教授使用傳統(tǒng)超聲法激發(fā)體波和激光激發(fā)板波（Lamb波）相結(jié)合的方法測量了一塊各向異性薄板的彈性參數(shù)，同時利用反演算法，通過測量表面波波速得到了一塊環(huán)氧樹脂粘結(jié)的分層樣品的層厚度以及彈性參數(shù)[3]；同濟(jì)大學(xué)錢夢騄等進(jìn)行了激光超聲產(chǎn)生機(jī)理研究并建立了理論模型[4]；南京大學(xué)張淑儀對凝聚態(tài)物質(zhì)（液體和固體）中多種模式的超聲波傳播規(guī)律進(jìn)行了較深入細(xì)致的實驗和理論研究[5]。南京理工大學(xué)沈中華研究了點光源和線光源激勵表面波的數(shù)值模擬方法；北京航空航天大學(xué)周正干研究了復(fù)合材料層壓板鉆孔分層激光超聲檢測方法[6]。

總體而言，國外經(jīng)過50多年的發(fā)展，已經(jīng)將激光超聲技術(shù)成熟應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展，形成科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用同步進(jìn)行、相互促進(jìn)的發(fā)展方式；國內(nèi)經(jīng)過20年左右的發(fā)展，在激光超聲技術(shù)方面取得了一定的成績，但是從科學(xué)研究到工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，與國際先進(jìn)水平仍有一定的差距。

3 激光超聲系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 裂紋、脫粘等缺陷的檢測

利用激光作為超聲激發(fā)＼探測源來探測缺陷，在具備超聲波法無損、可側(cè)任何深度的缺陷分布的優(yōu)點以外，還可發(fā)揮激光易掃描、空間分辨率高等優(yōu)點。按照檢測原理，可將激光超聲檢測基本方法分為脈沖反射法和穿透法兩類[7]。脈沖回波法主要是靠監(jiān)測由裂紋反射的超聲信號來實現(xiàn)對裂紋的檢測；穿透法主要靠監(jiān)測由裂紋透射的超聲信號來實現(xiàn)對裂紋的檢測。激光超聲技術(shù)對裂紋的位置、尺寸等測量難點在于如何處置超聲波在傳遞過程中產(chǎn)生反射衍射現(xiàn)象模態(tài)轉(zhuǎn)變時，在復(fù)雜的超聲信號中提取出準(zhǔn)確的裂紋信息。

3.2 材料彈性常數(shù)的測量

若已知材料的幾何尺寸，則可測量超聲波波速，從而進(jìn)一步推導(dǎo)出材料的彈性常數(shù)[8]。常用的彈性常數(shù)聲學(xué)測量方法是脈沖回波法。該測量方法的誤差主要來源于測量縱波、橫波、Rayleigh波速度的誤差，主要難點在于如何確定各向異性材料波速與材料力學(xué)常數(shù)之間的本構(gòu)關(guān)系。

3.3 材料殘余應(yīng)力的測量

利用激光超聲技術(shù)測量材料殘余應(yīng)力技術(shù)主要包括以下幾種：聲雙折射法、表面波法、反射縱波法等。檢測材料殘余應(yīng)力難點在于：（1）聲彈性常數(shù)的確定。材料的力學(xué)性質(zhì)（尤其是新型材料，比如功能梯度材料）對于工程設(shè)計具有很大的影響，材料的彈性常數(shù)更是表征其力學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。材料的二階、三階彈性系數(shù)是波速與應(yīng)力關(guān)系系數(shù)——材料聲彈性系數(shù)的組成部分，因此對其的精確檢測也是聲彈性檢測不可忽略的。（2）復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力表征問題以及應(yīng)力主方向的確定。構(gòu)件或材料被研究區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)為非均勻（存在應(yīng)力梯度）、雙軸和三軸應(yīng)力狀態(tài)，其應(yīng)力隨著被測位置、方向的變化而發(fā)生變化，從而增加了準(zhǔn)確定性、定量表征應(yīng)力的測量難度。目前針對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的激光超聲測量技術(shù)與系統(tǒng)仍處于實驗室測試階段，并未真正應(yīng)用于工程測量中[9]。

3.4 其他領(lǐng)域

激光超聲憑借其極大的技術(shù)優(yōu)勢可以做到真正意義上的隨形、原位、綠色檢測，在其他領(lǐng)域亦有很重要的應(yīng)用空間，如薄膜力學(xué)性質(zhì)表征[10]、晶粒尺寸的測量、材料發(fā)生相變過程的監(jiān)測?？梢哉雇?，激光超聲由于其非接觸、高精度、無損傷的檢測特點，未來將在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)代工業(yè)的跨越式發(fā)展給無損檢測與評價技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的檢測技術(shù)在新材料及復(fù)雜環(huán)境下質(zhì)量評價方面存在難以解決的問題。（2）本文對激光超聲技術(shù)做了系統(tǒng)的總結(jié)，針對激光誘導(dǎo)超聲的機(jī)理以及激發(fā)系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述，闡明了不同接收系統(tǒng)的原理及特點，為超聲信號的高精度檢測提供參考依據(jù)，討論了激光超聲系統(tǒng)在裂紋檢測、彈性常數(shù)測量、殘余應(yīng)力表征等領(lǐng)域的應(yīng)用以及需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。（3）研究結(jié)果表明，激光超聲技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，可以適應(yīng)苛刻的條件限制與特殊的環(huán)境要求，解決極為復(fù)雜的實際問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的研究對于激光超聲實驗系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化以及拓展激光超聲技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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