激光超声表面波在工业生产关键部件无损探伤的应用与研究

激光超声表面波在工业生产关键部件无损探伤的应用与研究

崔松昌

吉林烟草工业有限责任公司延吉卷烟厂吉林延吉133000

摘要：伴随现代科学技术的发展，现代工业生产智能化的程度不断加强。在智能化生产中，关键部件性能的好坏直接关系到所生产质量及效率。为了在智能生产中能实时获取关键部件信息，本文将声表面波技术与激光超声检测技术有机相结合，利用声表面波在介质深度不同的表面层传播时，振幅随深度的增加迅速衰减，提出了一种新的关键部件无损检测方法。根据激光源即可聚焦成点光源又可聚焦线光源，从而使得所获得的波能够满足对小和薄的部件进行有效的检测，能够克服传统的检测方法存在检测盲区的缺点。通过实验分析知，其对部件性能表征和亚表面微小缺陷高度敏感，非常适用于智能化生产中关键部件的微缺陷的无损检测。

关键词：智能化生产；关键部件；声表面波；无损探伤；激光超声检测

0引言

智能化、速度化、效率化、是当今工业的标志，而其能否实现，取决于是否有高质量的设计，而高质量的工艺设备是产品质量符合设计要求的首要前提。为确保上述优异的质量，必须在保证原有工艺设备的形状及性能的前提下，对工艺设备关键部件可靠性进行检测，这种技术就是无损探伤技术。激光超声检测是较为先进的技术，具有独特的技术特点，在某些特殊场合，发挥难以替代的作用。

激光超声检测技术就是当强度受到调制的激光照射在器件的表面上时，使材料内部非接触地产生超声振荡。激光超声能同时产生纵波、横波和声表面波等多种模态的声波。激光超声技术的广泛应用进一步扩展了传统超声检测方法的应用范围。应用激光激发声表面波可以对小而薄的部件进行有效的检测，表征材料性质。尤其适用于部件表面损伤情况无损检测。

1激光超声无损探伤的原理

激光超声检测作为无损探伤的一种先进方法，可用于非金属、金属、复合材料部件的无损评价。超声波在介质中传播，携带了介质内部的结构性能信息，因此可以通过分析声波的衰减、速度等信息来评判介质的结构性能。倘若介质存在不同程度的结构损伤，则通过介质损伤区域的声波会发生散射，从而致使声场特性发生改变。改变后的声场变化必然传递出介质内部损伤或者异常区的性能信息。可以利用变化的声场来反演介质内部奇异区域的信息，从而实现对介质缺陷进行检测，对材料进行物性评价。图1.1为声表面波位移分量与缺陷深度之间的关系图。

2光差分技术检测激光声表面波

当一束直径为D的检测光源经焦距为式的透镜几聚焦入射至样品表面，反射光束经焦距为凡的透镜几准直成圆形光斑，投射在直角三棱镜棱边上，此时出射光束被分成两束。将这两束光聚焦并分别投射到平衡接收器的两个光敏面上。通过调节三棱镜位置，将反射光束分成光通量相等的两束光（用实线表示）。当样品表面有声扰动时，受声扰动的表面上因脉冲波影响而引起局部倾斜。当入射于表面的探测光斑的尺寸远小于要检测的最短声波时，声扰动导致表面倾斜，从而引起反射光发生偏转，偏转的反射光束携带着声脉冲的信息。发生偏转的反射光束（用虚线表示），经准直透镜几，照射在三棱镜的棱边上，此时反射光束的中心相对于直角棱边发生微小偏移量h。通过棱镜分出的两束光，在平衡接收器两个光敏面上的光通量也发生了等量的变化，由平衡接收器内部的差分、放大电路把声扰动的信号进行了放大输出，即可反映出声脉冲信号。原理图如下图2.1所示：

3实验结果分析

基于光偏转法的光差分检测系统如图3.1所示。声表面波是由波长为532nm、脉宽为8sn的脉冲激光器来激发。入射到样品表面上的激光能量可以通过激光器本身和检测光路中的衰减片来调节。通过凸透镜（或柱面透镜）聚焦成点源（或线源）。实验触发信号是由上升时间响应为100Ps的光电二极管，获取脉冲激光经分光片反射的散射光来实现。检测光束由波长为632nm、功率为8mW的连续激光器发出。为方便调节激发光束投射在样品上的位置，将用于改变光束方向的直角三棱镜和聚焦透镜放置在平移台上。

检测光束通过透镜聚焦投射到抛光的样品表面，反射光束经准直透镜成为一束携带样品表面信息的平行光束。该平行光束再经直角棱镜的直角棱边，分成两光束。图中Ml、M2、M3、M4为反射镜，用于改变光束的方向。调节反射镜M3和M4位置，使两束光的光程差相等。然后将这两束光通过透镜聚焦在平衡接收器的光敏面上，并将输出信号接入型示波器。调节直角棱镜的位置，使两束光的强度相等。由于平衡接收器含有宽带差分放大电路，因此，这时平衡接收器无信号输出。当脉冲激光投射在样品表面上激发出声表面波时，声表面波沿样品表面传至探测点位置，由于声扰动会导致样品表面发生倾斜，从而使反射光发生偏转，此时，两光敏面上光强也发生相应的变化。偏转了的反射光携带着声脉冲的信息，两个光敏面光通量的改变，记录了声波信息。从而经平衡接收器的射频输出，即可反映模具的声表面波信号。

图3.3激光源与接收点配置方式

图3.2为人工缺陷铝制模具缺陷深度分别为、0.40mm、1.60mm时的直达声表面波和反射回波的频谱分布。由图可知，随着深度的增加，反射回波频谱幅度呈增加趋势，高频成分也有所增加。这一点验证了声表面波是沿样品浅表层传播的，其能量分布主要集中在表面以下波长量级的深度范围内，随着缺陷深度的增加，声表面波中绕过缺陷继续向前的能量随之

减少，另一方面声表面波中被缺陷阻挡而发生反射的能量成分呈现单调增长的趋势。

为了确定模具缺陷的位置，分别在缺陷的前后表面接收相应的反射回波和透射波信号。脉冲激光激发源与接收点的配置方式如图3.3所示：

图3.4为接收点和激光源在缺陷同侧情况下得到的超声信号。此时的实验为表面缺陷深度0.30mm的铝制模具。1表示激光线源激发的声表面波直接传播至接收点所得到的直达声表面波，2表示激光线源激发的声表面波经缺陷反射返回接收点的反射回波。根据直达声表面波和反射回波到达时间可以精确算出缺陷的位置。

图3.4经缺陷反射的声表面波信号

4结论

本文利用声表面波技术对工业生产关键部件进行了无损探伤的实验研究，获取了携带部件损伤特性的声表面波，根据到达时间可以精确算出缺陷位置；根据波的频谱特性分析得到的结论为：反射回波随缺陷深度的增加，频谱幅度有单调增加。该检测系统既为激光超声无损检测提供了一种新的实验方法，也为进一步研究表面缺陷对声表面波作用机制的理论提供实验依据。

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