激光超声技术及其在无损检测中的应用探究

激光超声技术及其在无损检测中的应用探究

胡飙

中油（新疆）石油工程有限公司油建分公司 新疆 克拉玛依 834000

摘要：随着国家经济的快速发展，各领域的不断进步和提高，当前在不同结构特点的工业构件生产过程中，应当对相关的生产构件参数开展有效地检测工作，进而确保生产构件的质量能够符合相关出厂标准。对于一些结构相对复杂的构件通常需要运用激光超声技术对其进行无损检测，可有效降低对工业构建自身的损耗程度。

关键词：激光超声技术；无损检测；应用

引言

无损检测技术已广泛应用到铁路钢轨缺陷伤损检测和巡检中，对钢轨的故障检测和状态维护发挥重要作用。目前国内外常用的铁路钢轨检测技术主要包括可视化检测、涡流检测、漏磁检测和电磁检测等。然而，不同检测方法及其仪器设备的原理和检测性能不同，且都有一定的局限性。由于激光超声无损检测过程中无需与钢轨接触，非接触检测，测量位置灵活，对轨道表面清洁度要求不高，能有效检测不同伤损等优点，在多种无损检测技术中脱颖而出。

1激光超声检测技术原理及应用特点

随入射激光的功率密度和固体表面条件的不同而改变，分为热弹性效应和烧蚀效应两种。对于表面干净的、无约束的固体来说，如果入射激光的功率密度较低，激光能量不足以使固体熔化，则在产生过程中，热弹机制将起主要作用。在激光功率密度较高的情况下，温度上升将使固体局部融化，以至出现烧蚀。通过改善和调节激光器，可以避免烧蚀现象。与目前广泛应用的超声检测技术相比，激光超声检测技术在飞机材料及结构检测中具有显著的特点和优势：（1）非接触检测。利用激光脉冲激发超声波并采用光学方法对超声波进行非接触式的探测；（2）高精度检测。激光超声检测技术对激光束进行光学聚焦可以得到尺寸很小的光斑进而达到很高的空间分辨率；（3）复杂型面检测。激光束可以在较大距离、角度范围内倾斜入射到复杂型面结构表面进行超声波的激发和探测而不影响检测结果的正确性；（4）原位检测。将激光超声检测技术与机器人技术和偏转反射镜扫描技术结合起来，可实现大范围的扫描，应用于飞机服役期大型复杂结构的快速原位检测。综上所述，激光超声检测技术具有非接触、高精度、高效率的特点以及复杂型面检测和原位检测能力，在飞机制造与服役全生命周期结构检测方面具有广阔的应用前景。

2激光超声及其在钢轨无损检测的技术难点

（1）光声能量转换效率低：增强激光超声的强度就提高激光能量转换到超声能量的效率,但是，为不损伤被测件表面，不可以过大的增强激光辐射能量，可以从提高光的吸收效率来提高光声转换效率。现初步研究涂各种不同的液体涂层在试样表面上,既可增强对光能量的吸收，也可以防止试样表面损伤。（2）激光超声信号检测灵敏度低：在实际应用场合，被测物体表面光滑度比较粗糙，会发生漫反射或散射,这对许多领域的推广应用是临界的,且大多数激光超声波系统的灵敏度在数量级上比常规超声无损检测系统要差些,如果激光超声信号的检测灵敏度特别高,反过来可以降低对激发超声信号的激光功率的要求。由于换能器检测的局限性,不太适合检测激光超声信号，而光学检测法特别适合于窄脉冲激光产生的宽频带超声检测,因此，提高光学检测法的灵敏度是目前发展趋势之一。（3）钢轨多模态的分离：钢轨性质的波导结构在同一频率下有多种导波模态，要合理选择合适的模态进行检测及处理。钢轨轨头是一踏面呈圆弧状的波导，在钢轨踏面激发和传播的表面波已不是经典的Rayleigh波，而是表面导波，具有多个传播模式。所以，不排除其他模态对钢轨无损检测有更好的效果，可选择不同模态对钢轨的同一部位进行缺陷检测，再根据融合方法，更全面的反映实际缺陷特征。（4）特征量及信号的提取：钢轨缺陷类型较多，对应的特征量较多，不同的信号处理方法可筛选出不同的信息量，此外，造成钢轨损伤的机理复杂，定性和定量评估都存在相当难度，因此如何选择合适的信号处理方法对检测信号进行特征提取，并实现检测信号类型的智能识别也显得愈加重要。（5）高速巡检：随着列车速度的提升与运量的加大，铁路无车时间不断减少，钢轨损伤也随之增加，因而实现对钢轨的高速巡检，及时发现和判断铁轨缺陷显得越来越重要，实现快速巡检，节约人力并满足铁路运营的要求也愈发重要。

3激光超声技术在无损检测中的应用路径

3.1用于高精度的缺陷检测

在激光超声技术的应用过程中，由于该技术产生的激光超声的脉冲宽度较小，且频率可高达千兆以上，相应的波长通常在几微米。因此，在利用其进行无损检测的过程中，能够大幅度提升对检测构件的细微瑕疵的水平，进而可将其应用在一些对于精准度有极高要求的高精度构件的无损检测工作中。如对于一些复合材料或纳米材料的构件进行物性测量时，则应根据该种构件表面土层进行有效地研究，并运用激光光束，检测该类型材料中的以微米为单位的微小缺陷或微裂纹。与此同时，在该技术的应用过程中，通常会将其与扫描探针显微镜配合监测，对以纳米为单位的检测构件的物理特性开展研究。

3.2用于恶劣环境下的材料特性测量

早在20世纪90年代，德国科学家运用准分子激光器作为超声波的激发源，利用Nd:YAG激光器接收超声波，对正在生产作业中的热轧钢管进行无损测量，在钢管温度高于1200℃，且以运动速度在2m/s的状态下，对钢管内部的管壁厚度进行的测量，并取得了相对精确的检测结果。在现阶段的构件检测领域中，激光超声技术可充分发挥其自身无损、非侵入性等优势，在检测环境恶劣或目标检测构建具有强烈的辐射、腐蚀或能产生一系列化学反应的状态下，对其开展动态无损检测工作。在当前的无损检测中，该技术可运用与核反应堆中的石墨特性、对陶瓷制品或铝制品在1400℃的高温下的物质特性是测定工作，都需要运用激光超声技术。

3.3岩体超声检测

该技术不仅能够对一些细微的构建进行精准的无损检测，还能够对一些大型的工业构件开展大面积的无损检测。因此，该技术被相关工作人员广泛关注并用在一些大型物质的超声检测工作中。在进行岩体的超声检测工作中，可将岩石作为检测工件，对其表面发生一定范围的激光光束脉冲，并通过岩体反馈回来的超声波检测信号，经过相关工作人员对其进行有效地探究与分析，进而可分析出能够充分体现出岩体特性的不同特点，既人们所述的频谱分析。在此过程中，如果向岩石工件中发射一束宽度较小的脉冲，则该束脉冲在岩石工件表面的传播时间与其他反射波相比相对较短，因此，有利于提升纵向分辨率，并且有效将直达波与后续波进行有效区分。在一定程度上可以规避由于界面反射造成的信噪比。与此同时，由于激光光束中的宽度较窄的脉冲具有非常丰富的频率成分，因此可有效规避透射波的失真现象。

结语

由于激光超声无损检测技术具有非接触、灵活简单、可以远距离激发超声波进行测量、高时间分辨率及空间分辨率等一系列优点,因而特别适用于恶劣环境条件下的在线检测、快速超声扫描成像等一系列实际场合。该方法在钢轨无损检测上有很好的应用前景，虽然目前存在着一些技术难题,在工业无损检测领域仍有一段相当长的路要走，但是随着超声技术的发展，激光超声技术的应用将更加广泛,激光超声无损检测技术会有更加广阔的前景。

参考文献

[1]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,2021,61(19):50-57.

[2]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,2021,11(05):276-282.