激光超声无损检测技术研究进展

激光超声无损检测技术研究进展

于水淼

佛兰德传动系统有限公司天津300400

摘要：激光超声无损检测技术作为非接触式无损检测的一种新型检测手段，凭借其显著的优势逐渐受到广泛关注。本文基于激光超声无损检测技术的研究进展，与空气耦合超声、电磁超声、静电耦合超声等主要非接触式无损检测进行了优劣势比较，介绍了激光超声技术国内外研究现状和应用情况，提出了目前激光超声无损检测遇到的技术难点，并对激光超声无损检测技术的发展进行总结和展望。

关键词：激光超声；无损检测；非接触式；应用前景

1激光超声无损检测

1.1激光超声检测技术现状

1.1.1激光超声检测技术国外现状

Ｎｉｇｒｅｌｌｉ等人就航空航天工业中多层粘合材料脱胶问题采用了激光超声非接触检测，进行检测结果评价，得到信号频率的衰减主要集中在剥离区，而外面脱胶表现为标准波形导致不易检测。Ｇ〇ｎｇ［Ｍ］将激光超声技术应用在商业产品封装焊点质量的检测上，用于检测焊料凸点缺陷，搭建成一个测量系统并实现了其质量检测的可行性。ＡｎｄｅｒＭｏｕｒａ采用激光束在Ｓｉ材料产生超声波信号，利用频谱变换的方法对透射波信号进行分析，有效验证了在微小损伤中损伤附近发生了波形变换。Ｃｈｉａ利用激光超声波扫描，提出了一种具有相邻波减法的异常播传播方法，证明了在复杂形状上无损检测的适用性。Ｋｅｎｄｅｒｉａｎ将激光超声技术与空气耦合技术混合形成了一套铁轨动态检测系统，实现了对钢轨裂纹的现场检测，取得了理想的效果。Ｃａｖｕｔ〇等人应用激光超声技术来检测高速机车空心轴与机车轮对，得到不同类型超声信号在不同位置的信噪比，推断出检测方式的最佳监测点。Ｋａｒａｂｕｔ〇Ｖ研制出了一种特殊的激光超声换能器，用激光激发超声波和高敏压电换能器接收信号，根据超声波速度的相对变化和钢轨压力张力绝对值呈线性关系，测得其轴向应力，证明了激光超声换能器可行性。

1.1.2激光超声检测技术国内现状

戴永等人利用有限元法和解析法对超声波信号在不同金属材料中传播过程进行分析，并根据传播出来的信号，完成对材料缺陷大小、位置、形状的检测。董利明进行了激光超声对金属残余应力的检测，通过试验和数值模拟两个方面进行分析，证明了检测的可行性。郑德根等人采用激光超声技术对铝合金薄板的两种典型缺陷隧道孔缺陷和未焊合缺陷进行检测，得到良好的检测结果。孙开广等人自主研发了一套激光激励检测系统，在层压复合材料紧固孔边沿分层缺陷进行检测，采用脉冲反射法、透射法对其进行激光超声扫描成像，有效获得分层损伤位置、大小等特性。曹建树等人利用激光脉冲在管道的表面裂纹缺陷进行了Ａ、Ｂ面的扫查，通过滤波，微分的的信号处理方法对缺陷信息进行研究，完成显示。蔡桂喜团队利用局部统计滤波算法、二阶微分算子、惩罚函数改善了激光超声可视化图像质量，对缺陷特征的观察更为直接。可以看出，在国内外研究人员的共同探索下，激光超声技术从检测过程，包括激光激励、超声传播、信号接收等；检测材料，包括金属材料、陶瓷材料、复合材料等；检测领域，包括工业、商业、木业等；检测缺陷，包括缺陷大小、缺陷数量、缺陷形状等；以及对检测构件的复杂几何形状和检测完成后的超声成像可视化技术都在不断探索并且有了新的突破。虽然在国外激光超声无损检测起步较早，发展也更为完善先进，但在国内，随着工业生产上的需求和人们的重视，最近几年在国内的发展也非常迅速，取得的成果也逐渐增加[1]。国内外研究人员的共同努力已经使激光超声无损检测技术有了很好的发展和较好满足了现代工业的生产要求。

1.2激光超声检测技术应用情况

随着激光超声技术的不断发展，各行各业对检测要求的提高，激光超声无损检测凭借其众多突出的优越性解决了问题并获得了广泛的应用。主要表现在以下几个方面：在钢轨车轨领域，列车使用量大，负载量高，并且高速运行，钢轨就极易产生缺陷，而对钢轨缺陷的检测，主要难点在于亚表面斜裂纹检测和髙速实时检测，前者因为裂纹深度过深，宽度过窄，需要灵敏度很高的检测技术，后者因为铁路无车时间减少，需要非接触、高速高效的巡检[2]。激光超声无损检测凭借非接触，测量位置灵活，灵敏度高，对轨道表面要求不高等优势，在其中获得了很好的应用。在航空航天领域，复合材料由于有较好的比强度、抗疲劳、耐腐蚀、减震性、密度小等优点在飞机结构上的应用比例高，对复合材料的缺陷检测就很重要，而飞机复合材料结构较为复杂，其他方式检测探头不易达到相应位置，激光超声检测方法激光照射角度灵活，具有适应各种复杂型面和高效率的优势，在其中获得了很好的应用。在管道岩体领域，进行管道开采时，岩体应力平衡状态会被破坏，容易发生安全事故，需要对岩体的结构特征及应力变化规律进行检测，而在开采过程中，岩体会受到高压影响并且岩体结构变化需要实时检测，使检测难度增加[3]。而激光超声无损检测技术可以适用于各种环境，并且能不断产生窄的超声脉冲，随着岩体压力变化频谱反应能实时体现，很好地解决了相应问题，在其中也获得了很好的应用。除此之外，在高精度缺陷检测、高温等恶劣环境材料特性检测、超声扫描的快速成像等方面，激光超声技术都有相应的应用。

2激光超声检测技术面临难点

虽然目前发展较好，应用也很广泛，但还是存在一些关键问题需要解决。在对飞机复杂结构复合材料的检测中，激光超声无损检测虽然拥有很好的优势并获得了应用，但是对于平坦规则的板件，在考虑检测速度和成本的情况下，传统的超声检测系统还是占据了优势。激光器需要改进，超声传播过程稳定、缺陷信号表述清晰以及检测过程达到完全实时监测，都需要研制出高脉冲、高重复发射激光的激励激光器，同时配上能持续时间接收信号的接受激光器，所以在激光器方面还需要大量的研究。光声能量转换效率较低，现阶段主要应用激光热弹超声，能量转换效率不高，使超声信号很弱，影响缺陷检测准确性，而目前解决该问题有如下办法：提高激光能量的辐射，但是激光能量提升过高，会损伤工件表面；在工件表面涂上一些提高吸收能量的液体涂层，但比较费时间，对检测效率很有影响。所以，在转换效率的提高上，需要一种更好地解决方式[4]。最后，为了更好地适应现代工业应用要求，符合现代技术发展的标准，激光器的小型化、集成化，检测系统的自动化、智能化，操作过程的快速化、方便化，也是需要解决的难点和进一步研究的方向。

结束语

现阶段，可以看出激光超声无损检测方法拥有非接触测量，时间空间分辨率高，灵敏度高，高效准确，能在线实时检测，适用于各种复杂结构和各种恶劣环境，相对于其他无损检测方式有大量独特的优势，应用于航空、核电、石化等一系列场合，应用领域非常广泛，虽然目前还存在这些技术难题，包括成本、激光器改进、光声转换效率、以及智能化等问题，但国内外科研人员对激光超声技术的探索从未停止，这些难题终究会得到解决，在今后，激光超声无损检测技术应用将会更加广泛，前景会更加广阔。

参考文献

[1]周正干,孙广开.先进超声检测技术的研究应用进展[J].机械工程学报,2017,53(22):1-10.

[2]彭志珍,陶于春,任尚坤.基于不锈钢焊缝缺陷的无损检测研究进展[J].焊管,2018,41(04):1-6.

[3]胡婷萍,高丽敏,杨海楠.激光超声技术在航空复合材料无损检测中的应用[J].航空制造技术,2018,61(19):50-57.

[4]孙广开,周正干,陈曦.激光超声技术在先进复合材料无损检测中的应用研究[J].失效分析与预防,2016,11(05):276-282.