激光超声波可视化检测仪

「激光超声波可视化检测仪」及其应用

罗朝莉王波陈林

（西安金波检测仪器有限责任公司 luozhaoli@）

摘要：激光超声检测是超声检测发展起来的新分支，属于光、声、电等的交叉科学。与传统的超声检测技术相比,激光超声波可视化技术以其非接触地高速扫描检测，消除了传统超声检测技术中的耦合剂影响，用于各种较复杂形状工件的无损检测。加之可重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率，使之成为极具应用前景的无损检测新技术。本公司在日本筑波科技株式会社的大力协助下，成功研发了「激光超声波可视化检测仪」。应用该仪器对各种难检样件进行实际检测，其效果甚佳。

关键词：激光超声；可视化；检测技术

1.「激光超声波可视化检测仪」简介

激光超声检测技术是用强度调制激光束射入物体时发生热弹效应产生声波,通过检测该声波对金属、非金属及复合材料等表面和内部进行无损检测。目前，多数激光超声技术采用脉冲激光照射试样表面产生超声波，利用传感器或光学系统接收。采用压电传感器与试样耦合接收激光超声产生的宽带信号。如图1所示，传感器必须与试件接触，才能获得较高的灵敏度；或者利用空气超声传感器接近试件表面（距离试件不超过5mm）接收激光超声信号，一但距离加大，接收信号的灵敏度衰减甚快。

图1 激光激励产生超声波图2 激光超声波可视化检测仪可视化技术是图形学的新领域，它运用图形学和图像处理技术，将计算机中的数据及计算结果转化成图像，呈现在计算机屏幕上，用图像直观地表达抽象数据所蕴含的内容，从而使人们加深对数据的理解和利用，更好地分析和洞察内在联系，可视一些以前不能被看见的奥秘。

「激光超声波可视化检测仪」是将激光超声检测技术与可视化技术相结合，采用脉冲激光扫描产生超声波信号，通过对接收信号进行高度同步处理来实现超声波传播过程可视化，

进而实现“一目了然”地发现工件的内部损伤。在检测时，用脉冲激光照射物体表面，由局部瞬间热膨胀而产生超声波并在该物体内部传播，当它到达异常部位时返回到物体表面的反射波被观察到。以此，可实时观察到物体构造及物理性能的变化对超声信号的影响，也可动态地观察超声波在物体中的实际传播过程，从而直观地检测出物体内部的损伤。「激光超声波可视化检测仪」如图2所示。

2.可视化检测实例

2.1薄板检测

图3为检测样件照片。如图4样件尺寸为300×150×t2mm的薄铝板，铝板中间部位制作一个人工缺陷，缺陷长度8mm、宽度0.2mm、深度0.2mm。将「激光超声波可视化检测仪」的激光发射器能量调节到15A，中心频率2MHz，且将晶片尺寸为5×5mm的表面波传感器置于该薄板的背面。用激光对于薄板进行正面扫描，同时位于背面的传感器接收激光所产生的超声信号。将人工缺陷置于激光扫描范围之内，且位于背面（图中红色标记为缺陷位置）。设置好检测条件，对其进行检测。

图5表示各扫描点的信号波形最大值的空间分布，从该图可看出超声波在传播时的强度分布。图6是波形处理前传播图像，图像由原始接收波形重建而成，反应了超声波在薄板传播时各扫描点处的振动随时间的变化状态。在t=30μs，出现与前进波反方向的回波。图7

是将图6中的超声波传播图像经单方向同步差分处理（前进波消除）后的不同时刻传播图像。该方法将具有干扰的前进波消除，从而提高了缺陷回波的相对强度，使得缺陷回波更加清晰。图7中箭头所指出的回波为缺陷产生的回波，由此可知缺陷的位置所在。

2.2两薄板间点焊检测

图8所示，检测样件是厚度为5mm的薄铝板与0.1mm薄铝板经点焊粘接而成。用激光扫描的方式对中间部位的三个点焊区域进行可视化检测。结合最大振幅图及波形传播图像可看出点焊焊接的情况。用这种方法可以对点焊焊斑大小、形状及质量进行初步评价。

2.3 复杂形状检测

图11是汽车变速箱，为一次性铸成的复杂形状样件。采用激光扫描的方式对其内部进行可视化检测。从超声波传播的动态图像（图12及13）上可看到用红色箭头所标示的位置即损伤所在。

3.结论

「激光超声波可视化检测仪」不仅能够用于金属薄板焊接、复杂形状样件等的无损检测，而且适用于非金属材料、金属与非金属结合材料的检测与评估。它还可用于高温、剧毒等特殊环境下的检测。它解决了许多用传统超声波检测方法无法解决的难题，为无损检测领域提供了崭新的检测手段。目前，该仪器及其检测技术在国内外的重点领域、研究机构和大型企业已发挥其作用。随着激光超声技术的不断发展，该仪器及其检测方法将不断地改进和完善。在不久的将来，它会在航空航天、石油化工、核电、铁路、汽车等众多领域彰显出更大的威力。

参考文献：

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激光超声检测技术

1前言

激光可以实现非接触式的高灵敏度测量,但不能通过非透明材料的内部,而超声波的检测方法可以实现内部质量的检测,因此,用激光激发超声波使之通过被检测试件的内部,再用激光技术来接收这种超声波的信号,把两者结合起来,发展出一种新的检测方法-激光超声检测方法,解决常规超声检测难以解决的问题。

与常规超声检测方法比较,激光超声技术具有下列优点:激光超声不需要耦合剂,避免

了耦合剂对测量范围和精度的影响;激光超声可实现远距离操作,可用于高温环境及腐蚀性强、有放射性等恶劣条件,并可以实现快速扫描,对生产现场快速运动的工件的在线检测;激光超声的盲区小于100μm,可用于测量薄工件。激光超声的频率带宽较常规的换能器宽,具有测量微小缺陷裂纹的能力;激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制的空间,如焊缝根部小直径管道等;空间分辨率高,有利于缺陷的精确定位及尺寸量度,并可作为声源应用于理论研究。早期受到激光器件与相关学科发展的影响,激光超声自20世纪70年代提出到80

年代中期成为热点之后,尚未达到人们预想的应用效果。20世纪末21世纪初,随着激光、电子、计算机和相关学科的发展,经过近10来年的技术积累,激光超声已经从方法探索步入技术研究与开发应用阶段,特别是国外一些新型的航空装备上已经开始采用这一检测新技术。我国则错过了这一个关键时期的技术积累。

2激光超声检测的原理

激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,然后利用这种小热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力,从而通过这种热应力产生超声波。激光作用在材料上产生两个热特性区:灼烧区、热弹区。

2.1灼烧区