裂紋、孔隙等零部件中常見的缺陷，易產(chǎn)生于產(chǎn)品的鑄鍛成型、機(jī)加工、焊接、熱處理等加工制造階段，和承受各種動靜載荷的服役階段。缺陷對產(chǎn)品的載荷極限、服役壽命等性能指標(biāo)帶來極大的負(fù)面影響，尤其對諸如鍋爐、壓力容器、航空航天零部件、高鐵轉(zhuǎn)向架、車輪等高可靠性的關(guān)鍵重要裝備零部件，必須盡量杜絕和減少整個生命周期中的缺陷，確保裝備的安全可靠服役。
因此，找到一種可以探測缺陷，更進(jìn)一步對材料結(jié)構(gòu)的安全性提供預(yù)警的無損檢測方法，一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。而激光超聲無損檢測技術(shù)因其無損、非接觸、快速、準(zhǔn)確的無損檢測能力，近年來引起的眾多科研及工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，方興未艾。激光超聲作為一種新興多學(xué)科交叉的超聲無損檢測技術(shù)，可對構(gòu)件缺陷和殘余應(yīng)力進(jìn)行無損檢測，是當(dāng)前最有發(fā)展前景的殘余應(yīng)力無損檢測技術(shù)之一。
激光是上世紀(jì)60年代一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它具有單色性好、能量集中、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)。人們對于激光的研究與應(yīng)用非常廣泛，其中對激光與材料相互作用后產(chǎn)生的熱學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)方面的研究促使研究者們發(fā)現(xiàn)了激光可以激發(fā)超聲波這一現(xiàn)象。
當(dāng)激光照射金屬表面或非金屬材料時，介質(zhì)吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱能來不及擴(kuò)散，在介質(zhì)表面附近形成了不均勻的溫度梯度場，進(jìn)而引起了材料的熱膨脹，由于在熱膨脹區(qū)域周圍存在約束它的介質(zhì)，所以會形成一個應(yīng)力場，出于應(yīng)力平衡的需要，這一應(yīng)力分布就以瞬態(tài)超聲脈沖的形式進(jìn)行傳播，即形成了超聲波。
自1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)了脈沖激光輻射固體材料表面時，會在樣品表面激發(fā)出低于激光頻率的聲表面波以來，眾多學(xué)者圍繞這一課題展開了大量的研究。
激光超聲技術(shù)利用激光脈沖輻照材料表面，因熱彈性效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力脈沖，應(yīng)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(nèi)部或沿表面?zhèn)鞑ィㄟ^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(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等。
與目前廣泛應(yīng)用的超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲檢測技術(shù)在飛機(jī)材料及結(jié)構(gòu)檢測中具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢，如非接觸檢測、檢測精度高，可在較大距離、角度范圍內(nèi)檢測復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)表面等優(yōu)點(diǎn)。激光超聲檢測技術(shù)主要分為電學(xué)檢測法和光學(xué)檢測法兩大類，其中電學(xué)檢測法可以分成接觸式以及非接觸式兩種類型；光學(xué)檢測法則包含了非干涉法以及干涉法。根據(jù)是否與被測樣品之間接觸，電學(xué)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），通過壓電晶體、壓電陶瓷以及壓電薄膜等材料把超聲信號轉(zhuǎn)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19世紀(jì)末期隨著壓電材料的興起而形成，在超聲檢測中被廣泛使用。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(xué)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(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的一種無損檢測手段。其缺點(diǎn)在于檢測時需要和被測物體表面距離很近，或者相互接觸，否則難以遙測超聲波。光學(xué)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(shù)包含光反射技術(shù)、光偏轉(zhuǎn)技術(shù)以及光衍射技術(shù)。干涉法則包含了外差干涉儀以及共焦F-P干涉儀。
干涉法測量主要是借助聲波在金屬表面?zhèn)鞑セ蛘呤堑竭_(dá)金屬表面的時候聲波會產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致光束頻率以及相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。干涉儀種類大體上可以分成兩種類型，第一種是零差干涉儀，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(xué)靈敏度是最高的，但是實(shí)際的檢測過程中，因?yàn)橥饨缯駝铀a(chǎn)生的影響，難以確保干涉儀靜態(tài)相位差始終保持為零，這會導(dǎo)致干涉儀靈敏度降低，可以利用壓電陶瓷掌控參考臂當(dāng)中的反射鏡，通過閉環(huán)掌控參考臂長度，保持靜態(tài)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干涉儀抗干擾能力差的弱點(diǎn)。但是這兩種方法都需要金屬表面必須是鏡面發(fā)射。這在一定程度上極大限制了被檢測對象的種類，難以在實(shí)際檢測中使用。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。
非干涉法就是將超聲波信號調(diào)制到光強(qiáng)信號中，因此光電檢測器能夠直接對其檢測，通常發(fā)射超聲到金屬的表面或者在金屬表面?zhèn)鞑サ倪^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(qiáng)度出現(xiàn)變化，借此來實(shí)現(xiàn)無損檢測。經(jīng)常使用的方法包括光衍射技術(shù)以及光偏轉(zhuǎn)技術(shù)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）因其具有高比強(qiáng)度和耐腐蝕性，被廣泛用于飛機(jī)和汽車的結(jié)構(gòu)材料，其在飛機(jī)上的應(yīng)用不僅局限于次要結(jié)構(gòu)部件（如襟翼、尾翼、發(fā)動機(jī)罩），還擴(kuò)展到主要結(jié)構(gòu)部件（如機(jī)身和主機(jī)翼）。因此對這些組件在制造和使用過程中進(jìn)行無損檢測是必不可少的。
由于激光超聲檢測技術(shù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，常被用于復(fù)雜的幾何形狀，如楔形結(jié)構(gòu)、拐角結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等，國外在航空工業(yè)及其他領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用效果。(1) 高溫大曲面的復(fù)合材料板材檢測
激光超聲檢測系統(tǒng)檢測大面積曲面結(jié)構(gòu)件示意圖如上圖所示，被檢測材料的表面溫度是1400℃，厚2.24 mm，尺寸為254 mm×254 mm，通過激光超聲檢測系統(tǒng)生成C掃描圖像，可以直觀分析結(jié)構(gòu)件內(nèi)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
激光超聲技術(shù)在CFRP結(jié)構(gòu)健康無損評估方面的研究一直有報(bào)道。Choquet等最早開發(fā)出工業(yè)激光超聲設(shè)備并將其用于CF-18飛機(jī)部件的檢測。
CF-18飛機(jī)
管道傳輸廣泛應(yīng)用于石油、化工、核能等工業(yè)生產(chǎn)中。由于高溫、高壓、內(nèi)外腐蝕、凹痕以及焊縫缺陷等因素的綜合作用，給管道在運(yùn)行過程中帶來嚴(yán)重的安全隱患，因此針對管道潛在的裂紋缺陷實(shí)施安全、高效、快速的檢測具有重要意義。激光超聲無損檢測技術(shù)特別適合管道表面微小裂紋的檢測，此外還可對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，如利用激光脈沖的時間間隔可以在線對鋼管的厚度進(jìn)行測量，這樣可以明顯提高生產(chǎn)速度和鋼材產(chǎn)量；還可以對材料的彈性應(yīng)力進(jìn)行在線測量，便于監(jiān)控產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，降低生產(chǎn)成本。目前在我國這項(xiàng)技術(shù)還處于試驗(yàn)研究階段，在工業(yè)生產(chǎn)方面還沒有大規(guī)模的投入使用。高溫合金一般指能夠在600℃以上的高溫下承受較大復(fù)雜應(yīng)力，并具有表面穩(wěn)定性的高合金化鐵基、鎳基和鈷基奧氏體金屬材料。高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化、抗熱腐蝕性能以及良好的疲勞性能和斷裂韌性，是飛機(jī)發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車發(fā)動機(jī)等的常用材料，研究高溫合金的熱力學(xué)性能特性對我國航天航空、生物醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。激光超聲通過激光產(chǎn)生和激光檢測超聲脈沖，是一種完全非接觸式的檢測技術(shù)，可用于檢測任何溫度的熱材料，非常適合用于原位研究固態(tài)金屬或陶瓷材料的熱力學(xué)特性。金屬增材制造（MAM）技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種基于離散堆積思想的新型材料成形技術(shù)。目前，MAM技術(shù)主要包括激光選區(qū)熔化技術(shù)、激光工程化凈成形技術(shù)和電弧增材制造技術(shù)等。MAM具有對任意復(fù)雜形狀構(gòu)件成形精度高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
但是，MAM過程復(fù)雜，容易帶來材料的不連續(xù)性，最常見的是位于熔融材料主體中的空隙裂紋和氣孔。這些缺陷嚴(yán)重影響了工件的力學(xué)性能，給MAM工藝的發(fā)展和應(yīng)用帶來一定的限制。因此，迫切需要能對MAM過程中工件質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測評估的無損檢測技術(shù)。目前，表征MAM零件內(nèi)部缺陷最常用的技術(shù)是X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）技術(shù)和超聲檢測技術(shù)。但XCT設(shè)備尺寸較大，而常規(guī)超聲檢測需要耦合劑，因此應(yīng)用都受到了一定限制。激光超聲檢測由于非接觸式，與MAM設(shè)備兼容性良好，特別適合對復(fù)雜幾何零件進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，但目前該方面的研究還僅局限于實(shí)驗(yàn)室。
風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，一般由碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備而成。在生產(chǎn)過程中，由于工裝模具變形、部件變形、制造工藝的隨機(jī)因素和人為因素的影響，葉片難免出現(xiàn)孔隙、裂紋、分層、缺膠等缺陷。另外，在葉片的運(yùn)輸、吊裝、運(yùn)行過程中，也會由于遭到意外撞擊、防護(hù)層脫落等原因，造成葉片結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累，最終導(dǎo)致風(fēng)電葉片的破壞。因此無論是生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測，還是使用過程中的跟蹤檢測都顯得十分重要。
激光超聲可以高精度定位、定量表征材料缺陷及損傷，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，更易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與大壁厚構(gòu)件的跟蹤掃查，以及檢測封閉區(qū)域，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速檢測中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。激光超聲檢測技術(shù)對檢測風(fēng)電葉片內(nèi)部缺陷是一種綜合性能更佳的方法，因此國內(nèi)風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠和檢測機(jī)構(gòu)也多選用此種方法。
激光超聲檢測技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合，可以應(yīng)用于大曲率復(fù)雜型面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷/損傷檢測。
復(fù)雜型面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的激光超聲檢測如下圖所示，蜂窩結(jié)構(gòu)厚度為14 mm，缺陷尺寸為25 mm和50 mm，由檢測結(jié)果可以看出，位于上中下3層的缺陷均可檢測出來，并且檢出了位于蜂窩結(jié)構(gòu)不同深度的脫黏損傷。
蜂窩結(jié)構(gòu)的激光超聲C掃描檢測結(jié)果
如下圖所示，激光超聲C掃描檢測出的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料試樣中分層缺陷的形狀、尺寸和分布，與試樣中預(yù)置聚四氟乙烯薄片的特征相符，采用激光超聲檢測方法可以有效檢出碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部直徑2 mm以上的分層缺陷。
碳纖維樹脂復(fù)合材料分層的激光超聲C掃描檢測結(jié)果
目前，雖然傳統(tǒng)多通道超聲系統(tǒng)的掃描速度比激光超聲系統(tǒng)快，但是準(zhǔn)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(zhǔn)備工作可以在幾分鐘之內(nèi)完成。如果考慮到相對較平的板件，激光超聲系統(tǒng)并不占優(yōu)勢。然而，一旦需要大量的手工操作，例如帶加強(qiáng)筋的寬體客機(jī)壁板或機(jī)翼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，激光超聲系統(tǒng)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(xiàng)目中，應(yīng)用激光超聲技術(shù)就將比傳統(tǒng)超聲技術(shù)節(jié)省數(shù)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·馬丁公司用激光超聲系統(tǒng)檢測了超過13000個部件。在復(fù)合材料生產(chǎn)量幾乎翻了10倍的同時，從事復(fù)合材料無損檢測的人員數(shù)量并沒有改變。而目前該激光超聲系統(tǒng)已具有非常高的可靠性和穩(wěn)定性，一年的使用中也只需要2～3天的維護(hù)時間。對于商用飛機(jī)的制造，其部件多數(shù)是很大并且相對平滑的，因此傳統(tǒng)的多通道超聲技術(shù)更加適用。然而，對于相對大型的復(fù)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(zhǔn)備時間，激光超聲檢測系統(tǒng)就顯示出了真正的經(jīng)濟(jì)性。激光超聲技術(shù)自出現(xiàn)以來，憑借自身特有的優(yōu)勢逐漸得到人們的關(guān)注和認(rèn)可。但因激光與材料的相互作用是一個非常復(fù)雜的物理過程，還有許多問題需要進(jìn)一步探索、分析。不過毫無疑問，盡管激光超聲技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中仍有一段相當(dāng)長的路要走，但是隨著激光超聲技術(shù)的發(fā)展，必將在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，特別是航空航天無損檢測領(lǐng)域，有著更廣泛的應(yīng)用。
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