表面缺陷激光超聲檢測技術

張穎萍+戢志穎

摘 要：材料本身的如光學、熱學和力學性質與激光超聲的產生息息相關。而且，激光超聲源能同時在材料表面激發縱波、橫波、表面波，在時間上又具有與沖激函數或階躍函數很相似的特性，使得激光超聲技術在材料無損檢測方面應用前景廣闊。本文首先介紹了激光超聲技術的背景，闡述了激光超聲的熱彈激發機理和燒蝕激發機理的原理及其特點，并針對激光超聲檢測表面缺陷這一應用進行了理論推導和說明，最后進行了總結。

關鍵詞：激光超聲技術；表面缺陷；無損檢測

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0078-02

1 引言

隨著工業工程的迅速發展，工業上對儀器設備的安全性要求越來越高，對儀器設備進行無損檢測不可或缺。如對于鋼材、鋁材、復合材料、工業陶瓷等行業來說，常常需要做無損檢測和評價，而對于高安全等級的設備如核電站的高壓容器、航天飛機的構件來說，為了保證絕對的安全性，必須定期進行無損監視[1]。由于超聲波具有波長短，方向性強，遇障礙物產生衍射和散射等特點，超聲檢測技術在對材料進行無損檢測，特性研究和結構分析時具有獨特的優越性。不僅在工業上，超聲檢測在醫學診斷、地質勘探等方面也有著一席之地。激光超聲學是超聲學與激光技術相結合而形成的新興交叉學科，涉及光學、聲學、電學、，材料學等學科，近年來已發展成為超聲學的一個重要分支。激光超聲是指利用激光產生超聲波這一物理過程，實現的途徑有兩個，一是用脈沖激光在物體中產生超聲波；二是利用脈沖激光來產生超聲波。激光超聲檢測技術作用過程較復雜。檢測時利用高能量的脈沖激光作用于被測對象表面，從而使被測物體表面的局部溫度改變，進而引起被測物體表層分子發生熱膨脹，激發出超聲波。超聲波將攜帶材料表面和內部的有用信息，用探測器接收超聲信號，對其進行數據處理分析從而來判斷被檢對象有無缺陷。本文首先介紹了激光超聲技術的背景，闡述了激光超聲的熱彈激發機理和燒蝕激發機理的原理及其特點，并針對激光超聲檢測表面缺陷這一應用進行了理論推導和說明，最后進行了總結。

2 激光超聲技術原理

按照入射激光的功率密度和固體表面條件的不同，固體中激光激勵超聲波的機理一般可分為熱彈激發機理和燒蝕激發機理。對于表面干凈、無約束的固體，如果固體表面的損傷閾值（金屬材料一般為）高于入射激光的光功率密度，產生的熱能不足以使固體表面熔化，則在產生超聲過程中，熱彈效應激發起主要作用；如果固體表面的損傷閾值（金屬材料一般為）低于入射激光的光功率密度，固體表面溫度上升使局部融化，表面出現燒蝕，此時，盡管熱彈激發效應仍然存在，但是燒蝕激發效應起決定性的作用。接下來分別介紹熱彈激發和燒蝕激發。

2.1 熱彈激發機理

對不透明固體進行激光超聲檢測時，激光射向不透明固體，一部分能量被反射，一部分被吸收，并轉化為熱能，樣品表面升溫幾十到幾百度。對于如金屬等電導率很大的固體，只在表面下數微米的范圍內存在光的吸收，吸收光能的淺表部分由于溫度上升而發生膨脹。

當金屬表面處于自由狀態時，淺表層的體積膨脹引起的主要應力平行于材料表面，理論上它相當于時間上是階躍函數的切向力源，可以激發橫波、縱波和表面波[2]。

由于固體淺表層的局部升溫并沒有導致材料的任何相變，所以熱彈激發效應具有嚴格無損的特點，它是激發超聲使用最廣泛的方法。熱彈激發超聲過程中，光能轉化為熱能的效率很低，為了提高熱彈激發超聲的效率，常在固體表面涂各種涂層（如水，油），以增加表面的光吸收系數。同樣，采用脈沖寬度極窄的高能量密度光束照射，也可以獲得較高的聲波能量。熱彈激發示意圖如圖1所示：

2.2 燒蝕激發機理

當入射激光的功率密度大于樣品表面的損傷閾值時，表面材料汽化，對樣品產生一法向沖力，從而激發超聲波，稱為燒蝕激發機理。燒蝕激發機理的原理如圖2所示：

對于金屬，當入射激光脈沖功密度大于時，其表面因吸收光能導致溫度急劇升高，當溫度超過材料的熔點時，會有約幾微米深的表層材料發生燒蝕，部分原子脫離金屬表面，并在表面附近形成等離子體。這一過程可產生很強的垂直于表面的反作用力脈沖，相當于給表面施加一個時間為沖擊函數的法向力，從而激發出幅值較大的超聲波。

這種機制的超聲激發效率比熱彈機制高4個數量級，可以獲得大幅度的縱波，橫波和表面波。但由于它每次對表面產生約的損傷，所以只能用于某些場合，且通常用來產生縱波。燒蝕激發示意圖如圖2所示：

3 激光超聲檢測表面缺陷

許多材料，尤其是高強度的脆性材料，最大應力常常發生在表面，而表面開口缺陷又特別易于擴展，因此，利用激光超聲技術對表面（或亞表面缺陷進行檢測是非常重要的[3]。表面波同其它彈性波一樣，在傳播過程中遇到表面或近表面缺陷時，部分表面聲波在缺陷處仍以表面波的形式被反射，并沿物體表面返回。通過比較表面有缺陷和無缺陷的表面回波的差異，可以判斷出表面缺陷的位置。

測量表面聲波的示意圖如圖3所示：

圖3中，檢測光照射點位于缺陷和脈沖激光照射點之間，分別為激超聲源與檢測點，檢測點與樣品邊界，缺陷與樣品邊界之間的距離。

對于一般固體，由于表面波速度未知，無法通過表面波通過測點的回波時間差來計算缺陷位置。于是，本實驗驗利用表面波回波間的時間間隔的比值，來求缺陷距邊緣距離，避免了表面波速度未知或不精確帶來的影響。

4 結語

隨著現代工業和科學研究的迅猛發展，無損檢測技術已經在鐵路、航運、航空、工程機械等諸多領域發揮了巨大的作用，不僅對保障設備的可靠運行和人身安全具有重大意義，也為國家和企業帶來了更多的經濟效益。激光超聲檢測技術作為新興的無損檢測技術，雖然其優點明顯，但是目前來說，由于技術尚未成熟，并未大批量投入使用。激光超聲檢測技術的發展，任重而道遠。

參考文獻

[1]張穎志.基于激光超聲技術的金屬表面缺陷檢測研究[D].大連理工大學，2015.

[2]劉輝.激光超聲表面缺陷檢測機理研究[D].中北大學，2014.

[3]杜麗婷，劉松平.激光超聲檢測技術[J].無損探傷，2011，（05）：1-4.endprint