激光超声检测技术及其工业应用前景

激光超声检测技术及其工业应用前景

周益军1,张永康2,周建忠2,冯爱新2

(1.扬州职业大学,江苏扬州225009;2.江苏大学,江苏镇江212013)

摘　要:阐述了激光超声的基本理论,综述了激光超声检测技术的发展,重点介绍了激光超声检测技术在工业中的相关应用,如:材料性质的无损评价、对复合材料构件进行评估、在高温有辐射等恶劣环境下对样品进行检测、非接触测量固体材料厚度等。对激光超声应用于纳米材料中的研究概况也作了简要说明。同时指出了激光超声检测技术的工业应用前景。

关键词:激光超声;检测技术;工业应用中图分类号:TN 249

文献标识码:A

文章编号:1008-3693(2005)03-0050-04

The Laser U ltrasonic Detection T echnology and

Its Applied Prospect in Industry

ZHOU Yi 2jun 1,ZHAN G Y ong 2kang 2,ZHOU Jian 2zhong 3,FEN G Ai 2xin 4

(1.Y angzhou Polytechnic College ,Y angzhou 225009,China ;2.Jiangsu University ,Zhenjiang 212013,China )

Abstract :In this article ,the basic theory of laser ultrasonic is discussed ,and the development of laser ul 2trasonic detection technology is summarized as well ,with focus on its related application to industry.Mean 2while ,a brief explanation of the application of laser ultrasound to mano 2structured materials is given and the applied prospect of the laser ultrasonic detection technology is indicated here.K ey w ords :laser ultrasound ;detection technology ;application in industry

激光超声技术的研究始于1962年,White 和Aakaryan 各自论证了用脉冲激光束在固体和液

体中激发出声波的方法。接着,White 和Aakaryan 观察了强激光在固体中产生的爆炸波(L SD 波)和在大气中产生的燃烧波(L SC 波),都会随时间和距离的增加而衰变成声波[1,2]。激光超声是超声学新近发展起来的一个分支,是涉及光学、声学、电学、材料学等学科的交叉学科[3]。1　激光超声检测技术简介

对于激光产生超声机理的研究,目前学术界认同热弹膨胀理论。所谓激光超声检测技术,即

用强度调制的激光束射入闭合的介质空间时可产生声波,通过对这种波的检测来达到对材料性质

的无损评价、对复合材料构件进行评估等的应用技术。利用激光脉冲来激发超声脉冲,不仅是非接触的,而且可以重复产生很窄的超声脉冲,在时间和空间都具有极高的分辨率。还可以在不同形状的试样中激发超声,可以在高温、高压、有毒、放射性等各种恶劣环境下进行超声检测。它适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究,因此激光超声技术以其优异特性而得到迅速发展并被关注[4]。激光超声检测技术的工业应用情景广阔。国内外就激光超声检测技术的应用已大量的报

收稿日期:2005-06-08

第一作者简介:周益军(1966-),男,扬州职业大学机械工程系讲师,江苏大学博士研究生。

第9卷第3期2005年9月

扬州职业大学学报

Journal of Y angzhou Polytechnic College Vol.9　No.3Sep.2005

导。加拿大C.K.Jen等人在2003年运用该技术在线监控Mg合金的模具铸造过程[5]。法国G. Rosa等已将超声检测技术应用于检测金属表面氧化物涂层与金属基体的结合强度[6]。L.Kehoe (爱尔兰)等将上述技术应用于无损检测样品中铝基陶瓷的含量[7]。下面简要介绍激光超声检测技术的相关工业应用。

2　激光超声检测技术的工业应用

2.1　材料性质的无损评价

极短的激光脉冲可以激发出极短的超声脉

冲。通过对衍射超声波渡越时间差的分析,可以非常准确地确定各种缺陷、包括各种体缺陷和表面缺陷的位置,其精度可优于0.1mm[8]。在这种检测系统中,最引人注目的系统之一,就是L G AP 与光探针相结合所构成的全光学检测系统。实验表明,用这种全光学系统对亚表面缺陷进行检测,除可探知缺陷的存在,确定缺陷的位置外,还可探知缺陷附近的脉冲模式转换,进而可弄清缺陷的详细情况[9]。例如,美国哈里・戴蒙实验室的一个研究小组利用这种实验系统对弹壳进行实验,检测出了小于弹壳临界尺寸一半的缺陷。美国斯坦福大学、加拿大的Qeen’s大学和物理冶金研究室等均做过类似的工作[9]。将L G AP与光探针相结合,能很容易地探测到亚表面的缺陷,实现高精度无损检测。

2.2　在高温有辐射等环境下对样品进行检测

激光超声的非接触式激发与接收,以及无损、非侵入性等特点,使得其特别适合于在恶劣的环境下(如高温、高压、高湿、有毒、酸、碱及检测环境或被测工件存在核辐射、强腐蚀性和化学反应等)对工件进行在线检测。这一方面的应用研究较多,如:德国的Keck等[10]利用准分子激光作为超声波的激发源,利用Nd:YA G激光接收,在热轧无缝钢管(管长5.5m～12m,温度1230℃,延伸速度2m/s)生产线上成功地进行了管坯壁厚均匀性的在线检测;美国EG&G公司的M.H.O Brien 等[11]利用激光超声对核反应堆中的石墨特性进行了分析;可测范围在15mm～25mm;德国的M. Paul等[12]利用激光超声实现了对铝

、陶瓷和钢在高温下(温度达1400℃)的材料特性测定。2.3　对复合材料构件进行评估

激光超声检验系统用激光束在复合材料中产生超声波并探测超声波。在洛克希德・马丁公司的1000万美元的激光超声检验技术中心的检验系统中(见图1),有2个激光器,一个激光器通过热弹性膨胀的机理在复合材料中产生超声,在此过程,在构件表面之上10μm～100μm范围内激光能转变成热,温度的升高使材料产生局部膨胀。如果激光器加热的速度快(10ns～100ns),膨胀将在超声频率范围内(1MHz～10MHz)进行,超声将垂直于表面进行传播而与激光的入射角无关。

图1　用激光超声检测系统对复合材料制造的

F-22飞机气道进行检验的情况[13]

这一特点的意义在于:激光束可以从与轴线成45度角入射而在形状复杂构件中产生超声,而传统的水浸系统,入射角必须保持在3度内才能产生超声。在传统的脉冲回波(单侧)试验中,当换能器偏离表面的法线时,声音就不能回到换能器,使检验无效。

第2个激光器与生成激光器同轴,用来探测当声波回到构件表面上部时由于超声引起的振动。这一激光器的光从复合材料表面散射出去,并用干涉仪萃取“加印”在激光上的超声信号进行分析。这种超声信号是由于移动被探测表面引起的相位及频率调制而“加印”在激光上的。

虽然被测表面只移动几个纳米,超声仪就能测出这些微小的振动。从探测激光器萃取的信号与用传统的超声系统的基本一样。这就是说,任何一位取得认证的超声操作技术人员都能马上诠释激光超声检验系统的信号,正如诠释传统的脉冲回波系统的信号一样。该系统能有效检测复合材料的许多层合板上有无缺陷存在。对构件进行

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第3期周益军等:激光超声检测技术及其工业应用前景