金属材料表面缺陷及残余应力的无损检测研究

金属材料表面缺陷及残余应力的无损检测研究

摘要：新的时代不断的涌现出新的科技和工艺，引起人们的生产和生活的巨大

改善。新材料的出现预示着新工艺的产生，对新材料的各种物理表征的监测都引

起了广大人们的重视。传统的检测技术都会对材料进行损害，因此无损检测技术

的出现，更为满足现代人的生产需求。无损检测技术就是指在不破坏检测材料的

基础上，对这些材料进行质量以及工艺性能、安全性能的检测。

关键词：激光超声；无损检测；金属材料；表面缺陷；残余应力

一、金属材料表面缺陷和残余应力检测概述

金属材料在加工过程中难免会出现材料变形，并且会在材料内部产生残余应力。这部分残余应力会造成材料出现开裂以及变形的情况，与此同时也会严重影

响到材料疲劳性能，这在一定程度上会影响到材料的工艺性能与强度，所以，检

测金属材料残余应力一直以来都是学界研究的重点内容，同时也是金属质量以及

工艺标准的重要保证。伴随着科学技术以及工业水平的持续发展，金属材料残余

应力无损检测手段也出现了多种类型，包括了电学法、X射线法、磁测法以及光

学法等，可是相较而言，利用激光超声技术检测金属材料的表面波是成本最低，

同时也是最为精确的一种检测手段。通过激光与超声的有效结合，对声波渡越时

间进行测量，从而探测残料表面缺陷以及残余应力。

二、扫描线光源缺陷检测机制研究

超声表面波检测材料表面的缺陷已经在金属材料无损检测方面发挥了巨大的

作用，但是这种检测方法一般都是分析反射信号的脉冲回波或者是信号衍射的渡

越时间分析，具有一定的局限性。利用利用激光源来激发超声波而不是利用压电

换能器，这样就具备了非接触式检测法以及远距离激发超声波的优点，而且激发

光源还可以自由的进行移动，奠定了对大面积的工件进行高效率无损害的检测的

坚实基础。在早期的研究中，仅仅是利用了表面波的透射、折射、反射等依据，

并没有将激光声源的优势真正的发挥，然而提高激光声源的利用率是一个艰难的

研究。21世纪以后，激光源得到了充分的利用，高效率的实现了无损检测，这就是扫描激光源技术。扫描激光源技术就是对样品的表面利用激光源进行扫描检查，如图1所示，超声探测可以选择传统的接触式压电换能器，也可以选择光学检测法；对于超声探测的位置，可以固定，也可以随着光源一起移动，只要保持激光

源和探测位置的距离是固定的就可以，当激光源扫描到缺陷位置的时候，探测到

的材料表面波就会发生变化。扫描激光源技术会出现以下三种特征的结果：图1扫描激光源法缺陷探测示意图

1.当检测样品的表面没有缺陷或者是激光源与缺陷的距离比较远的时候，探

测到的表面波的波幅几乎保持不变，如果出现缺陷，则反射回来的表面波的信号

就会减弱（样品表面有微小缺陷的情况下）；

2.当激光源扫描到样品上的缺陷时，探测到的声波信号会很明显的放大；

3.当激光源的扫描位置移动到缺陷位置的后面时，由于散射现象，到达探测

点的信号就会减小。根据探测点收到的回波信号的时间和幅度，可以对材料表面

的缺陷位置和深度进行探测。

三、无损检测技术实际应用的过程中遇到的问题

在缺陷精准定量以及精准定性领域当中，现存的超声检测技术比方说 A 型脉

冲实际应用的过程当中，可以精准的将缺陷找寻出来，但是对缺陷的定量及定性

能力显得比较差，TOFD 检测技术在检测内部缺陷的过程当中，精准性比较强，

相控阵超声技术实际应用的过程当中，可以从多个角度上获取缺陷的二维图像，但是在对缺陷的三维形状进行测量的过程当中，展现出来的精准性并不是很强。

针对运行过程中的设备易接触位置腐蚀、裂缝的定时检测，有很多技术实际

应用的过程中都可以实现这个目标，但是当对高空以及地下等难以接触到的位置

进行检测的过程当中，大部分技术都难以正常的发挥作用，除此之外腐蚀和裂缝

问题其实是一个渐变性问题，因此在对处于运行状态的设备进行检测的过程当中，需要使用到长期在线定量监测方法，以便于可以实时动态的去对各种类型问题的

实际发展情况进行分析，并使用适应性比较强的措施解决问题。在现代化工业发

展进程向前推进的过程中，大部分装备都逐渐向着高参数运行的方向发展，例如

电力行业致力于研发 700℃超临界锅炉技术措施，在此背景之下自然需要使用到

极端环境下检测技术。在超声检测技术当中，高温压电传感器的正常工作温度往

往会在450℃之下，激光超声技术不方便在运行现场当中应用，一般情况下都会

在实验室当中得到应用，因此运行现场极端环境下的无损检测技术研发力度应当

得到大幅度提升。

四、金属材料表面缺陷及残余应力的探测

1.电学检测法。根据是否与被测样品之间接触，电学检测法可以分成接触式

以及非接触式两种类型。接触式主要利用压电换能器（PAT），利用压电晶体、

压电陶瓷以及压电薄膜等材料把超声信号转化成为电信号，为了能够显著提升能

量传递效率，换能器会和样品之间通过耦合剂的形式耦合。这种方法在十九世纪

末期随着压电材料的兴起而形成，在超声探测当中被广泛使用。非接触式检测方

法包含了电容换能器以及电磁—声换能器。电学检测方法相对较为成熟，具有较

高的灵敏度，价格也比较适中，是当前工业生产中经常用到的一种无损检测手段，其缺点在于检测的时候需要和被测物体表面距离很近，或者相互接触，否则的话

难以遥测超声波。

2.光学检测法。光学检测法包含了非干涉法以及干涉法。非干涉法中使用到

的检测技术包含了光反射技术、光偏转技术以及光衍射技术。干涉法则包含了外

差干涉仪以及共焦F-P干涉仪。（1）干涉法。干涉法测量主要是借助声波在金属表面传播或者是到达金属表面的时候声波会产生位移，从而导致光束频率以及相

位调制实现的。干涉仪种类大体上可以分成两种类型，第一种是零拍干涉仪，其

原理是探测以及参考光束本身不是处在同一条光路上，是通过镜面反射的形式返

回的，所以这类干涉仪对于被测金属表面有着较高的要求。如果被测金属的表面

是镜面，那么这种干涉仪所具备的光学灵敏度是最高的，但是实际的检测过程中，因为外界振动所产生的影响，难以确保干涉仪静态相位差始终保持为零，这会导

致干涉仪灵敏度降低，可以利用压电陶瓷掌控参考臂当中的反射镜，通过闭环掌

控参考臂长度，保持静态相位差为一个定值。第二种是外差干涉仪。外差干涉仪

能够很好地解决零拍干涉仪抗干扰能力差的弱点。但是这两种方法都需要金属表

明必须是镜面发射。这在一定程度上极大地限制了被检测对象的种类，难以在实际检测当中使用。为了有效避免这种情况的限制，可以使用时延干涉仪、

F-P干涉仪等方法，他们对于物品表面的要求较低。（2）非干涉法。非干涉法就

是将超声波信号调制到光强信号当中，因此光电检测器能够直接对其检测，通常

使用超声到金属的表明或者在金属表面传播的过程中样品表面形状、反射率都会

改变，造成了反射光位置以及强度出现变化，借此来实现无损检测。经常使用的