激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)

1、激光超聲無損檢測(cè)技術(shù) Intro 背景簡(jiǎn)介 葉片在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、 巨大離心力、腐蝕振動(dòng)等作用，易產(chǎn)生疲 勞裂紋。如果裂紋不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，工作過 程中發(fā)生斷裂將帶來嚴(yán)重后果。 背景簡(jiǎn)介 ？X射線 渦流 內(nèi)窺鏡磁粉 滲透 超聲 背景簡(jiǎn)介 射線檢測(cè)圖像直觀、缺陷定量準(zhǔn)確，但 如果照相角度不適合會(huì)對(duì)裂紋產(chǎn)生漏檢， 還存在輻射泄露問題，不適宜外場(chǎng)使用 背景簡(jiǎn)介 滲透檢測(cè)可以大面積檢測(cè)，缺陷能夠直觀 顯示，但檢測(cè)程序復(fù)雜，無法檢測(cè)出埋藏 缺陷或閉口型缺陷，且需要足夠操作空間， 不適合原位檢測(cè)。 背景簡(jiǎn)介 磁粉檢測(cè)適用于鐵質(zhì)材料檢測(cè)，可以檢測(cè) 出表面及近表面缺陷，檢測(cè)成本低，速度 快，但需將檢

2、測(cè)工件磁化，且需要一定操 作空間，不適宜原位各種材質(zhì)葉片檢測(cè)。 背景簡(jiǎn)介 內(nèi)窺鏡通過視頻攝像頭檢測(cè)肉眼無法直接 觀測(cè)的地方，可進(jìn)行視覺定性檢查和定量 測(cè)量。可用于葉片原位檢測(cè)，但人工檢查 效率低，不能發(fā)現(xiàn)材質(zhì)內(nèi)部缺陷。 背景簡(jiǎn)介 渦流檢測(cè)靈敏度高，無需表面處理，無需 耦合劑。但對(duì)缺陷的估計(jì)困難，受集膚效 應(yīng)的限制，只能用于近表面缺陷檢測(cè)，對(duì) 檢測(cè)位置有要求，只能用于可達(dá)部位檢測(cè)。 背景簡(jiǎn)介 超聲波脈沖回波法是把超聲短脈沖射入物 體，如物體存在缺陷就會(huì)生產(chǎn)一個(gè)額外反 射回波， 從而判斷缺陷及缺陷位置，但使 用中需逐點(diǎn)檢測(cè)，費(fèi)時(shí)，需要耦合劑，僅 能在可達(dá)部位使用。 背景簡(jiǎn)介 激光超聲檢測(cè)技術(shù)因其非

3、接觸式激發(fā)和探 測(cè)的特點(diǎn)，便于在高溫、高壓等惡劣環(huán)境 下進(jìn)行，并且不受表面幾何形狀的限制， 因此廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)和評(píng)估領(lǐng)域。 檢測(cè)機(jī)理-超聲波 超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波。 聽覺范圍:聲波頻率在20Hz-20kHz 次聲波:頻率小于20Hz的聲波 超聲波:頻率超過20kHz的聲波 探傷常用的頻率范圍：1MHz10MHz 檢測(cè)機(jī)理-壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)指的是壓電晶體材料受到交變 電壓的作用時(shí)產(chǎn)生交變應(yīng)變的現(xiàn)象。這時(shí) 電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。（超聲波發(fā)射的原理） 正壓電效應(yīng)是指壓電晶體材料在交變拉壓 應(yīng)力作用下，其表面產(chǎn)生交變電壓的現(xiàn)象。 這時(shí)聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＃ǔ暡ń邮盏脑?理） 檢測(cè)機(jī)理-f、c、 超

4、聲波在工件中傳播的3個(gè)物理量：頻率、聲 速、波長(zhǎng) 聲波頻率主要由探頭決定。例如型號(hào)為 2.5P20的探頭發(fā)射的超聲波，頻率為 2.5MHz。 聲速的大小取決于材料，例如鋼的縱波聲速 為5900m/s、陶瓷的縱波聲速為5300 6900m/s 波長(zhǎng)聲速/頻率。波長(zhǎng)的大小影響到可以探 測(cè)的最小缺陷。 檢測(cè)機(jī)理-探頭結(jié)構(gòu) 檢測(cè)機(jī)理- 缺陷檢測(cè) 儀器：激勵(lì)探頭（發(fā)射）、接收/放大/顯示探頭的信號(hào) 探頭：發(fā)射/接收超聲波 缺陷波：缺陷反射回波 缺陷：有無、大小、位置 利用激光產(chǎn)生超聲波的方法可分為直接式和間 接式兩大類。 直接式是使激光與被測(cè)材料直接作用，通過熱 彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波； 間接

5、式則是利用被測(cè)材料周圍的其它物質(zhì)作為 中介來產(chǎn)生超聲波。 激光產(chǎn)生超聲波機(jī)理 熱彈機(jī)制 當(dāng)入射光的功率密度較低（金屬材料的典型值是 106W/cm2）時(shí)，材料表層由于吸收光能導(dǎo)致局 部升溫，引起熱膨脹而產(chǎn)生表面壓力，同時(shí)激發(fā) 出橫波、縱波和表面波。 由于激發(fā)功率的密度較低，表層的局部升溫沒有 導(dǎo)致材料的任何相變，即材料處于彈性范圍內(nèi)， 因而具有嚴(yán)格無損檢測(cè)的特點(diǎn)。 熱彈機(jī)制由于對(duì)表面無損傷，且能產(chǎn)生各種波形， 所目前應(yīng)用最廣。 激發(fā)效率很低。 熱彈激發(fā)機(jī)理原理 當(dāng)入射光的功率密度逐漸升高時(shí)，材料表層的瞬 態(tài)升溫將逐步導(dǎo)致材料的熔化、汽化和形成等離 子體。這時(shí)將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來， 從

6、而給樣品表面施加了一個(gè)非常高的反作用力， 導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生。 在這種機(jī)制下可以獲得大幅度的縱波和表面波， 激發(fā)效率比熱彈機(jī)制高4個(gè)數(shù)量級(jí)。但由于它每次 對(duì)表面產(chǎn)生約0.3m的損傷，所以只能用于某些 場(chǎng)合，且通常用來產(chǎn)生超聲縱波。 燒蝕機(jī)制 燒蝕激發(fā)機(jī)理原理 p常用的檢測(cè)方法有電學(xué)檢測(cè)法和光學(xué)檢 測(cè)法兩大類： 電學(xué)檢測(cè)法主要以借助換能器接受超聲波信號(hào)，其 中有接觸的壓電陶瓷換能器（PZT），以及非接觸 的電容換能器（ESAT）、電磁換能器（EMAT）。 光學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)， 達(dá)成真正意義上的 非接觸檢測(cè)。光學(xué)方法可以分為干涉法和非干涉法。 技術(shù)方法 電學(xué)檢測(cè)法 電容換能器法（ESAT） 基

7、于電容效應(yīng)的一種換能器 通過檢測(cè)電容的變化，分析工件的表面平整度和內(nèi) 部缺陷。 檢測(cè)頻帶寬， 但極板需拋光，實(shí)際操作安裝難度大 電學(xué)檢測(cè)法 電磁換能器法（EMAT） 電磁換能器是由線圈和強(qiáng)磁場(chǎng)（一般是永磁體）組 成，工作原理可以分為洛侖磁力和磁致伸縮力兩種 主要應(yīng)用于高溫環(huán)境下的材料非接觸檢測(cè) 如果磁場(chǎng)垂直于表面，檢測(cè)器對(duì)檢測(cè)剪切波較為靈 敏；若磁場(chǎng)與表面平行，則檢測(cè)器對(duì)檢測(cè)縱波較為 靈敏。 光學(xué)檢測(cè)法 非干涉法 非干涉檢測(cè)法將超聲波信號(hào)直接調(diào)制到光強(qiáng)信號(hào)中， 用光電探測(cè)器直接探測(cè)。 利用超聲到達(dá)樣品表面或沿樣品表面?zhèn)鞑r(shí)樣品表 面的形狀或反射率的改變，導(dǎo)致反射光的位置或強(qiáng) 度發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)。

8、 常見的有光衍射技術(shù)、光偏轉(zhuǎn)技術(shù)等。 發(fā)展較完善，但應(yīng)用有局限性，故沒有推廣 光學(xué)檢測(cè)法 干涉法 基于超聲波在表面?zhèn)鞑セ虻竭_(dá)表面時(shí)超聲波的位移 引起光束相位或頻率的改變來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)這一手段 的方法和儀器主要有零差法、外差法、差分位移干 涉儀，速度或時(shí)延干涉儀等，以零差法為例： 激光超聲技術(shù)是利用激光來激發(fā)和檢測(cè)超聲的一門 新興技術(shù)，是一種涉及光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、 材料學(xué)等多學(xué)科的科學(xué)與技術(shù)。與傳統(tǒng)的超聲無損 檢測(cè)技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、非接觸性 ； 2、遠(yuǎn)距離遙測(cè) ； 3、頻帶寬 ； 4、高的時(shí)空分辨率 ； 5、對(duì)檢測(cè)部位的空間位置要求不高 ； 6、具有特殊的方向性 相關(guān)應(yīng)用 p應(yīng)用舉例 1、高精度的無損檢測(cè)； 2、惡劣環(huán)境下的材料特性測(cè)量； 3、快速超聲掃描成像。 相關(guān)應(yīng)用 l 李剛. 激光超聲技術(shù)及其在金屬無損檢測(cè)方面的應(yīng)用 DD. 武漢: 華中師范大學(xué), 2004. l 施德恒, 陳玉科, 孫金鋒, 等. 激光超聲技術(shù)及其在無損檢測(cè)中 的應(yīng)用概況J. 激光雜志, 2004, 25(5): 1-4. l 杜麗婷, 劉松平. 激光超聲檢測(cè)技術(shù)J. 無損探傷, 2011, 35(5): 1-4. l 周益軍, 張永康, 周建