表面缺陷激光超声检测技术

张颖萍+戢志颖

摘 要：材料本身的如光学、热学和力学性质与激光超声的产生息息相关。而且，激光超声源能同时在材料表面激发纵波、横波、表面波，在时间上又具有与冲激函数或阶跃函数很相似的特性，使得激光超声技术在材料无损检测方面应用前景广阔。本文首先介绍了激光超声技术的背景，阐述了激光超声的热弹激发机理和烧蚀激发机理的原理及其特点，并针对激光超声检测表面缺陷这一应用进行了理论推导和说明，最后进行了总结。

关键词：激光超声技术；表面缺陷；无损检测

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0078-02

1 引言

随着工业工程的迅速发展，工业上对仪器设备的安全性要求越来越高，对仪器设备进行无损检测不可或缺。如对于钢材、铝材、复合材料、工业陶瓷等行业来说，常常需要做无损检测和评价，而对于高安全等级的设备如核电站的高压容器、航天飞机的构件来说，为了保证绝对的安全性，必须定期进行无损监视[1]。由于超声波具有波长短，方向性强，遇障碍物产生衍射和散射等特点，超声检测技术在对材料进行无损检测，特性研究和结构分析时具有独特的优越性。不仅在工业上，超声检测在医学诊断、地质勘探等方面也有着一席之地。激光超声学是超声学与激光技术相结合而形成的新兴交叉学科，涉及光学、声学、电学、，材料学等学科，近年来已发展成为超声学的一个重要分支。激光超声是指利用激光产生超声波这一物理过程，实现的途径有两个，一是用脉冲激光在物体中产生超声波；二是利用脉冲激光来产生超声波。激光超声检测技术作用过程较复杂。检测时利用高能量的脉冲激光作用于被测对象表面，从而使被测物体表面的局部温度改变，进而引起被测物体表层分子发生热膨胀，激发出超声波。超声波将携带材料表面和内部的有用信息，用探测器接收超声信号，对其进行数据处理分析从而来判断被检对象有无缺陷。本文首先介绍了激光超声技术的背景，阐述了激光超声的热弹激发机理和烧蚀激发机理的原理及其特点，并针对激光超声检测表面缺陷这一应用进行了理论推导和说明，最后进行了总结。

2 激光超声技术原理

按照入射激光的功率密度和固体表面条件的不同，固体中激光激励超声波的机理一般可分为热弹激发机理和烧蚀激发机理。对于表面干净、无约束的固体，如果固体表面的损伤阈值（金属材料一般为）高于入射激光的光功率密度，产生的热能不足以使固体表面熔化，则在产生超声过程中，热弹效应激发起主要作用；如果固体表面的损伤阈值（金属材料一般为）低于入射激光的光功率密度，固体表面温度上升使局部融化，表面出现烧蚀，此时，尽管热弹激发效应仍然存在，但是烧蚀激发效应起决定性的作用。接下来分别介绍热弹激发和烧蚀激发。

2.1 热弹激发机理

对不透明固体进行激光超声检测时，激光射向不透明固体，一部分能量被反射，一部分被吸收，并轉化为热能，样品表面升温几十到几百度。对于如金属等电导率很大的固体，只在表面下数微米的范围内存在光的吸收，吸收光能的浅表部分由于温度上升而发生膨胀。

当金属表面处于自由状态时，浅表层的体积膨胀引起的主要应力平行于材料表面，理论上它相当于时间上是阶跃函数的切向力源，可以激发横波、纵波和表面波[2]。

由于固体浅表层的局部升温并没有导致材料的任何相变，所以热弹激发效应具有严格无损的特点，它是激发超声使用最广泛的方法。热弹激发超声过程中，光能转化为热能的效率很低，为了提高热弹激发超声的效率，常在固体表面涂各种涂层（如水，油），以增加表面的光吸收系数。同样，采用脉冲宽度极窄的高能量密度光束照射，也可以获得较高的声波能量。热弹激发示意图如图1所示：

2.2 烧蚀激发机理

当入射激光的功率密度大于样品表面的损伤阈值时，表面材料汽化，对样品产生一法向冲力，从而激发超声波，称为烧蚀激发机理。烧蚀激发机理的原理如图2所示：

对于金属，当入射激光脉冲功密度大于时，其表面因吸收光能导致温度急剧升高，当温度超过材料的熔点时，会有约几微米深的表层材料发生烧蚀，部分原子脱离金属表面，并在表面附近形成等离子体。这一过程可产生很强的垂直于表面的反作用力脉冲，相当于给表面施加一个时间为冲击函数的法向力，从而激发出幅值较大的超声波。

这种机制的超声激发效率比热弹机制高4个数量级，可以获得大幅度的纵波，横波和表面波。但由于它每次对表面产生约的损伤，所以只能用于某些场合，且通常用来产生纵波。烧蚀激发示意图如图2所示：

3 激光超声检测表面缺陷

许多材料，尤其是高强度的脆性材料，最大应力常常发生在表面，而表面开口缺陷又特别易于扩展，因此，利用激光超声技术对表面（或亚表面缺陷进行检测是非常重要的[3]。表面波同其它弹性波一样，在传播过程中遇到表面或近表面缺陷时，部分表面声波在缺陷处仍以表面波的形式被反射，并沿物体表面返回。通过比较表面有缺陷和无缺陷的表面回波的差异，可以判断出表面缺陷的位置。

测量表面声波的示意图如图3所示：

图3中，检测光照射点位于缺陷和脉冲激光照射点之间，分别为激超声源与检测点，检测点与样品边界，缺陷与样品边界之间的距离。

对于一般固体，由于表面波速度未知，无法通过表面波通过测点的回波时间差来计算缺陷位置。于是，本实验验利用表面波回波间的时间间隔的比值，来求缺陷距边缘距离，避免了表面波速度未知或不精确带来的影响。

4 结语

随着现代工业和科学研究的迅猛发展，无损检测技术已经在铁路、航运、航空、工程机械等诸多领域发挥了巨大的作用，不仅对保障设备的可靠运行和人身安全具有重大意义，也为国家和企业带来了更多的经济效益。激光超声检测技术作为新兴的无损检测技术，虽然其优点明显，但是目前来说，由于技术尚未成熟，并未大批量投入使用。激光超声检测技术的发展，任重而道远。

参考文献

[1]张颖志.基于激光超声技术的金属表面缺陷检测研究[D].大连理工大学，2015.

[2]刘辉.激光超声表面缺陷检测机理研究[D].中北大学，2014.

[3]杜丽婷，刘松平.激光超声检测技术[J].无损探伤，2011，（05）：1-4.endprint