激光超聲檢測技術及其應用
發布時間：2021/09/13
殘余應力也被稱為內部應力，經常產生于材料的熱處理和不均勻的塑性變形過程中。殘余應力的存在會降低材料的疲勞強度和耐蝕性，使工件在加工時產生變形甚至開裂，嚴重影響零件裝配，后期服役時誘發疲勞壽命，影響工件服役年限，因此有必要對結構件內部殘余應力進行測量與評價。
目前公認的殘余應力測量方法多為利用殘余應力釋放后的應變反推殘余應力，如鉆孔法、切條法、輪廓法、裂紋柔度法等，但是這些方法使得對殘余應力的測量存在著不可逆性，限制了它們在一些領域的實際應用。
非破壞性應力測量方法是人們多年來努力探索的課題。目前主要的無損應力測量方法包括巴克豪森噪聲法、X射線法、磁彈性法和超聲波法。其中X射線法的測量深度只有表面幾或十幾微米，需要剝層檢測或進行表面檢測;中子衍射雖然能測量幾十毫米深的內部應力，但設備過于復雜，難以進行工程應用。
相較之下， 激光超聲檢測技術作為一種新興無損檢測手段，在復合材料檢測方面有著獨特的優勢，特別是對結構復雜的大型復合材料構件，在工業生產和科學研究等方面均有良好且十分廣闊的發展前景，是一種分析非透明材料應力的新方法。
激光超聲檢測技術概述
激光超聲檢測的原理是利用激光脈沖輻照材料表面，因熱彈性效應產生應力脈沖，應力脈沖同時以縱波、橫波和表面波等形式的超聲波向試樣內部或沿表面傳播，通過超聲波的反射、散射或衰減表征缺陷，從而獲取工件信息和缺陷表征，比如工件厚度、內部及表面缺陷，材料參數等。
與目前廣泛應用的超聲檢測技術相比，激光超聲檢測技術在飛機材料及結構檢測中具有顯著的特點和優勢：
(1)非接觸檢測。利用激光脈沖激發超聲波并采用光學方法對超聲波進行非接觸式的探測;
(2)高精度檢測。激光超聲檢測技術對激光束進行光學聚焦可以得到尺寸很小的光斑進而達到很高的空間分辨率;
(3)復雜型面檢測。激光束可以在較大距離、角度范圍內傾斜入射到復雜型面結構表面進行超聲波的激發和探測而不影響檢測結果的正確性;
(4)原位檢測。將激光超聲檢測技術與機器人技術和偏轉反射鏡掃描技術結合起來，可實現大范圍的掃描，應用于飛機服役期大型復雜結構的快速原位檢測。綜上所述，激光超聲檢測技術具有非接觸、高精度、高效率的特點以及復雜型面檢測和原位檢測能力，在飛機制造與服役全生命周期結構檢測方面具有廣闊的應用前景。
激光超聲檢測技術簡介
激光超聲檢測技術主要電學檢測法和光學檢測法，其中電學檢測法可以分成接觸式以及非接觸式兩種類型。光學檢測法則包含了非干涉法以及干涉法。
1、電學檢測法
根據是否與被測樣品之間接觸，電學檢測法可以分成接觸式以及非接觸式兩種類型。
接觸式主要利用壓電換能器( PAT)，利用壓電晶體、壓電陶瓷以及壓電薄膜等材料把超聲信號轉化成為電信號，為了能夠顯著提升能量傳遞效率，換能器會和樣品之間通過耦合劑的形式耦合。這種方法在十九世紀末期隨著壓電材料的興起而形成，在超聲探測當中被廣泛使用。
非接觸式檢測方法包含了電容換能器以及電磁——聲換能器。電學檢測方法相對較為成熟，具有較高的靈敏度，價格也比較適中，是當前工業生產中經常用到的一種無損檢測手段。其缺點在于檢測的時候需要和被測物體表面距離很近，或者相互接觸，否則的話難以遙測超聲波。
2、光學檢測法
光學檢測法包含了非干涉法以及干涉法。非干涉法中使用到的檢測技術包含了光反射技術、光偏轉技術以及光衍射技術。干涉法則包含了外差干涉儀以及共焦F—P干涉儀。
2.1 干涉法
干涉法測量主要是借助聲波在金屬表面傳播或者是到達金屬表面的時候聲波會產生位移，從而導致光束頻率以及相位調制實現的。
干涉儀種類大體上可以分成兩種類型，第一種是零拍干涉儀，其原理是探測以及參考光束本身不處在同一條光路上，是通過鏡面反射的形式返回的，所以這類干涉儀對于被測金屬表面有著較高的要求。如果被測金屬的表面是鏡面，那么這種干涉儀所具備的光學靈敏度是最高的，但是實際的檢測過程中，因為外界振動所產生的影響，難以確保干涉儀靜態相位差始終保持為零，這會導致干涉儀靈敏度降低，可以利用壓電陶瓷掌控參考臂當中的反射鏡，通過閉環掌控參考臂長度，保持靜態相位差為一個定值。
第二種是外差干涉儀。外差干涉儀能夠很好地解決零拍干涉儀抗干擾能力差的弱點。
但是這兩種方法都需要金屬表明必須是鏡面發射。這在一定程度上極大地限制了被檢測對象的種類，難以在實際檢測當中使用。為了有效避免這種情況的限制，可以使用時延干涉儀、F—P干涉儀等方法，對于物品表面的要求較低。
2.2 非干涉法
非干涉法就是將超聲波信號調制到光強信號當中，因此光電檢測器能夠直接對其檢測，通常使用超聲到金屬的表明或者在金屬表面傳播的過程中樣品表面形狀、反射率都會改變，造成了反射光位置以及強度出現變化，借此來實現無損檢測。經常使用的方法包括了光衍射技術以及光偏轉技術。
激光超聲檢測在航空工業中的應用
由于激光超聲檢測技術有突出的優點，常用于復雜的幾何形狀如：楔形結構、拐角結構、V型結構、T型結構、蜂窩夾層結構等，國外在航空工業及其他領域都有較好的應用效果。
1、高溫大曲面的復合材料平板的檢測
圖1激光超聲檢測系統檢測大面積曲面結構件的示意圖
圖1是激光超聲檢測曲面復合材料平板的原理圖。被檢測材料的表面溫度是1400℃，厚2.24mm，大小254mm×254mm，生成C-Scan掃描圖像，可以直觀分析內部的缺陷，用這種方法使曲面物體的檢測變得容易得多。
2、復合材料構件涂層的監測和控制系統
能夠對涂層的變化進行監測，及時發現影響飛行的一些變化，使事故防范于未然。
3、用于環氧樹脂機身平板、機艙平板、方向舵、尾翼等其他飛機結構件的檢測。
此外在其他領域也有廣泛的應用：可以對產品的生產過程進行監控，如利用激光脈沖的時間間隔可以在線對鋼管的厚度進行測量，這樣可以明顯提高生產速度，提高鋼材的產量;還可以對材料的彈性應力進行在線測量，便于監控產品的質量和性能，降低生產成本。目前在我國這項技術還處于試驗室研究階段，在工業生產方面還沒有大規模的投入使用。
激光超聲檢測的經濟價值
目前，雖然傳統多通道超聲系統的掃描速度比激光超聲系統快，但是準備時間(刮掉涂層、定位和仿形)較長，而激光超聲檢測不需要精確地裝卡定位，準備工作可以在幾分鐘之內完成。如果考慮到相對較平的板件，激光超聲系統并不占優勢。然而，一旦需要大量的手工操作，例如帶加強筋的寬體客機壁板或機翼的復雜結構，激光超聲系統就非常具有競爭力了，既省時又省錢。
在洛克希德·馬丁航空公司，僅僅在F–22和F–35項目中，應用激光超聲技術就將比傳統超聲技術節省數億美元的資金和人力成本。在2000年6月到2006年5月1日之間，洛克希德·馬丁公司用LaserUT系統檢測了超過13000個部件。在復合材料生產量幾乎翻了10倍的同時，從事復合材料NDT的人員數量并沒有改變。而目前該激光超聲系統目前已具有非常高的可靠性和穩定性，一整年的使用中也只需要2~3天的維護時間。
對于商用飛機的制造，部件多數是很大并且相對平滑的，因此傳統的多通道超聲技術更加適用。然而，對于相對大型的復雜部件，就需要分析整個檢測周期所用的時間。如果考慮到對于不同部件的操作靈活性和較短的定位和準備時間，激光超聲系統就顯示出了真正的經濟性。
結語
激光超聲檢測技術與傳統無損檢測技術相比，優勢比較明顯，且隨著技術的不斷不斷迭代更新，正向著自動化、智能化、小型化等方向發展。
應用方面，激光超聲檢測在上世紀九十年代晚期出現成熟的商用系統，最早在無縫鋼管產業開始應用。目前該技術的成熟工業應用已經擴展到硅片檢測、激光焊接焊縫質量在線監控、風力發電機葉片檢測、飛機機身搭接腐蝕檢測、高溫陶瓷/金屬/復合材料檢測，電子元器件/半導體封裝質量檢測等各種材料涂層缺陷檢測等眾多領域，針對其他應用的商用系統也不斷成熟并走向市場，具有非常大的市場潛力。
引用文獻：
楊德宏.“金屬材料表面缺陷和殘余應力的激光超聲無損檢測研究”.內燃機與配件.2018
胡婷萍， 高麗敏， 楊海楠.“激光超聲技術在航空復合材料無損檢測中的應用”. 2018
