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激光超声检测技术及其应用

发布时间:2021/09/13

残余应力也被称为内部应力,经常产生于材料的热处理和不均匀的塑性变形过程中。残余应力的存在会降低材料的疲劳强度和耐蚀性,使工件在加工时产生变形甚至开裂,严重影响零件装配,后期服役时诱发疲劳寿命,影响工件服役年限,因此有必要对结构件内部残余应力进行测量与评价。

 

目前公认的残余应力测量方法多为利用残余应力释放后的应变反推残余应力,如钻孔法、切条法、轮廓法、裂纹柔度法等,但是这些方法使得对残余应力的测量存在着不可逆性,限制了它们在一些领域的实际应用。

 

非破坏性应力测量方法是人们多年来努力探索的课题。目前主要的无损应力测量方法包括巴克豪森噪声法、X射线法、磁弹性法和超声波法。其中X射线法的测量深度只有表面几或十几微米,需要剥层检测或进行表面检测;中子衍射虽然能测量几十毫米深的内部应力,但设备过于复杂,难以进行工程应用。

 

相较之下, 激光超声检测技术作为一种新兴无损检测手段,在复合材料检测方面有着独特的优势,特别是对结构复杂的大型复合材料构件,在工业生产和科学研究等方面均有良好且十分广阔的发展前景,是一种分析非透明材料应力的新方法。

 

激光超声检测技术概述

激光超声检测的原理是利用激光脉冲辐照材料表面,因热弹性效应产生应力脉冲,应力脉冲同时以纵波、横波和表面波等形式的超声波向试样内部或沿表面传播,通过超声波的反射、散射或衰减表征缺陷,从而获取工件信息和缺陷表征,比如工件厚度、内部及表面缺陷,材料参数等。

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与目前广泛应用的超声检测技术相比,激光超声检测技术在飞机材料及结构检测中具有显著的特点和优势:

 

(1)非接触检测。利用激光脉冲激发超声波并采用光学方法对超声波进行非接触式的探测;

 

(2)高精度检测。激光超声检测技术对激光束进行光学聚焦可以得到尺寸很小的光斑进而达到很高的空间分辨率;

 

(3)复杂型面检测。激光束可以在较大距离、角度范围内倾斜入射到复杂型面结构表面进行超声波的激发和探测而不影响检测结果的正确性;

 

(4)原位检测。将激光超声检测技术与机器人技术和偏转反射镜扫描技术结合起来,可实现大范围的扫描,应用于飞机服役期大型复杂结构的快速原位检测。综上所述,激光超声检测技术具有非接触、高精度、高效率的特点以及复杂型面检测和原位检测能力,在飞机制造与服役全生命周期结构检测方面具有广阔的应用前景。

 

激光超声检测技术简介

激光超声检测技术主要电学检测法和光学检测法,其中电学检测法可以分成接触式以及非接触式两种类型。光学检测法则包含了非干涉法以及干涉法。

 

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。

 

2.1 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,对于物品表面的要求较低。

 

2.2 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。经常使用的方法包括了光衍射技术以及光偏转技术。

 

激光超声检测在航空工业中的应用

由于激光超声检测技术有突出的优点,常用于复杂的几何形状如:楔形结构、拐角结构、V型结构、T型结构、蜂窝夹层结构等,国外在航空工业及其他领域都有较好的应用效果。

 

1、高温大曲面的复合材料平板的检测

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图1激光超声检测系统检测大面积曲面结构件的示意图

 

图1是激光超声检测曲面复合材料平板的原理图。被检测材料的表面温度是1400℃,厚2.24mm,大小254mm×254mm,生成C-Scan扫描图像,可以直观分析内部的缺陷,用这种方法使曲面物体的检测变得容易得多。

 

2、复合材料构件涂层的监测和控制系统

能够对涂层的变化进行监测,及时发现影响飞行的一些变化,使事故防范于未然。

 

3、用于环氧树脂机身平板、机舱平板、方向舵、尾翼等其他飞机结构件的检测。

 

此外在其他领域也有广泛的应用:可以对产品的生产过程进行监控,如利用激光脉冲的时间间隔可以在线对钢管的厚度进行测量,这样可以明显提高生产速度,提高钢材的产量;还可以对材料的弹性应力进行在线测量,便于监控产品的质量和性能,降低生产成本。目前在我国这项技术还处于试验室研究阶段,在工业生产方面还没有大规模的投入使用。

 

激光超声检测的经济价值

 

目前,虽然传统多通道超声系统的扫描速度比激光超声系统快,但是准备时间(刮掉涂层、定位和仿形)较长,而激光超声检测不需要精确地装卡定位,准备工作可以在几分钟之内完成。如果考虑到相对较平的板件,激光超声系统并不占优势。然而,一旦需要大量的手工操作,例如带加强筋的宽体客机壁板或机翼的复杂结构,激光超声系统就非常具有竞争力了,既省时又省钱。

 

在洛克希德·马丁航空公司,仅仅在F–22和F–35项目中,应用激光超声技术就将比传统超声技术节省数亿美元的资金和人力成本。在2000年6月到2006年5月1日之间,洛克希德·马丁公司用LaserUT系统检测了超过13000个部件。在复合材料生产量几乎翻了10倍的同时,从事复合材料NDT的人员数量并没有改变。而目前该激光超声系统目前已具有非常高的可靠性和稳定性,一整年的使用中也只需要2~3天的维护时间。

 

对于商用飞机的制造,部件多数是很大并且相对平滑的,因此传统的多通道超声技术更加适用。然而,对于相对大型的复杂部件,就需要分析整个检测周期所用的时间。如果考虑到对于不同部件的操作灵活性和较短的定位和准备时间,激光超声系统就显示出了真正的经济性。

 

结语

激光超声检测技术与传统无损检测技术相比,优势比较明显,且随着技术的不断不断迭代更新,正向着自动化、智能化、小型化等方向发展。

 

应用方面,激光超声检测在上世纪九十年代晚期出现成熟的商用系统,最早在无缝钢管产业开始应用。目前该技术的成熟工业应用已经扩展到硅片检测、激光焊接焊缝质量在线监控、风力发电机叶片检测、飞机机身搭接腐蚀检测、高温陶瓷/金属/复合材料检测,电子元器件/半导体封装质量检测等各种材料涂层缺陷检测等众多领域,针对其他应用的商用系统也不断成熟并走向市场,具有非常大的市场潜力。

 

引用文献:

杨德宏.“金属材料表面缺陷和残余应力的激光超声无损检测研究”.内燃机与配件.2018

胡婷萍, 高丽敏, 杨海楠.“激光超声技术在航空复合材料无损检测中的应用”. 2018

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