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      激光超聲檢測技術及其在工業領域中的應用
      材料來源:無損檢測NDT,應力與變形控制           錄入時間:2023/9/26 23:00:05

      裂紋、孔隙等零部件中常見的缺陷,易產生于產品的鑄鍛成型、機加工、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。缺陷對產品的載荷極限、服役壽命等性能指標帶來極大的負面影響,尤其對諸如鍋爐、壓力容器、航空航天零部件、高鐵轉向架、車輪等高可靠性的關鍵重要裝備零部件,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,更進一步對材料結構的安全性提供預警的無損檢測方法,一直是國內外研究的熱點。而激光超聲無損檢測技術因其無損、非接觸、快速、準確的無損檢測能力,近年來引起的眾多科研及工程技術人員的廣泛關注,方興未艾。

      激光超聲檢測技術

      激光超聲作為一種新興多學科交叉的超聲無損檢測技術,可對構件缺陷和殘余應力進行無損檢測,是當前最有發展前景的殘余應力無損檢測技術之一。

      激光是上世紀60年代一項偉大的發明,它具有單色性好、能量集中、方向性強等特點。人們對于激光的研究與應用非常廣泛,其中對激光與材料相互作用后產生的熱學、力學、電磁學方面的研究促使研究者們發現了激光可以激發超聲波這一現象。

      當激光照射金屬表面或非金屬材料時,介質吸收激光能量轉化為熱能來不及擴散,在介質表面附近形成了不均勻的溫度梯度場,進而引起了材料的熱膨脹,由于在熱膨脹區域周圍存在約束它的介質,所以會形成一個應力場,出于應力平衡的需要,這一應力分布就以瞬態超聲脈沖的形式進行傳播,即形成了超聲波。

      自1963年,R.M.White發現了脈沖激光輻射固體材料表面時,會在樣品表面激發出低于激光頻率的聲表面波以來,眾多學者圍繞這一課題展開了大量的研究。

      激光超聲技術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,如非接觸檢測、檢測精度高,可在較大距離、角度范圍內檢測復雜型面結構表面等優點。

      激光超聲檢測方法分類

      激光超聲檢測技術主要分為電學檢測法和光學檢測法兩大類,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。

      01 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),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。

      02 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。

      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面必須是鏡面發射。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

      非干涉法就是將超聲波信號調制到光強信號中,因此光電檢測器能夠直接對其檢測,通常發射超聲到金屬的表面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光衍射技術以及光偏轉技術。

      激光超聲檢測技術的應用

      01 航空工業

      碳纖維增強復合材料(CFRP)因其具有高比強度和耐腐蝕性,被廣泛用于飛機和汽車的結構材料,其在飛機上的應用不僅局限于次要結構部件(如襟翼、尾翼、發動機罩),還擴展到主要結構部件(如機身和主機翼)。因此對這些組件在制造和使用過程中進行無損檢測是必不可少的。

      由于激光超聲檢測技術具有突出的優點,常被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板材檢測

      激光超聲檢測系統檢測大面積曲面結構件示意圖

      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生成C掃描圖像,可以直觀分析結構件內部的缺陷,用這種方法使曲面物體的檢測變得容易得多。

      (2) 復合材料結構健康監測

      激光超聲技術在CFRP結構健康無損評估方面的研究一直有報道。Choquet等最早開發出工業激光超聲設備并將其用于CF-18飛機部件的檢測。

      CF-18飛機

      02 管道傳輸

      管道傳輸廣泛應用于石油、化工、核能等工業生產中。由于高溫、高壓、內外腐蝕、凹痕以及焊縫缺陷等因素的綜合作用,給管道在運行過程中帶來嚴重的安全隱患,因此針對管道潛在的裂紋缺陷實施安全、高效、快速的檢測具有重要意義。

      激光超聲無損檢測技術特別適合管道表面微小裂紋的檢測,此外還可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和鋼材產量;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研究階段,在工業生產方面還沒有大規模的投入使用。

      03 高溫合金

      高溫合金一般指能夠在600℃以上的高溫下承受較大復雜應力,并具有表面穩定性的高合金化鐵基、鎳基和鈷基奧氏體金屬材料。高溫合金具有優異的高溫強度、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,是飛機發動機、燃氣輪機、汽車發動機等的常用材料,研究高溫合金的熱力學性能特性對我國航天航空、生物醫療事業的發展具有重要意義。

      激光超聲通過激光產生和激光檢測超聲脈沖,是一種完全非接觸式的檢測技術,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金屬或陶瓷材料的熱力學特性。

      04 增材制造

      金屬增材制造(MAM)技術是20世紀80年代發展起來的一種基于離散堆積思想的新型材料成形技術。目前,MAM技術主要包括激光選區熔化技術、激光工程化凈成形技術和電弧增材制造技術等。MAM具有對任意復雜形狀構件成形精度高的特點,被廣泛應用于航空航天、汽車制造和生物醫學等領域。

       

      但是,MAM過程復雜,容易帶來材料的不連續性,最常見的是位于熔融材料主體中的空隙裂紋和氣孔。這些缺陷嚴重影響了工件的力學性能,給MAM工藝的發展和應用帶來一定的限制。因此,迫切需要能對MAM過程中工件質量實時監測評估的無損檢測技術。

      目前,表征MAM零件內部缺陷最常用的技術是X射線計算機斷層掃描(XCT)技術和超聲檢測技術。但XCT設備尺寸較大,而常規超聲檢測需要耦合劑,因此應用都受到了一定限制。激光超聲檢測由于非接觸式,與MAM設備兼容性良好,特別適合對復雜幾何零件進行實時在線監測,但目前該方面的研究還僅局限于實驗室。

      05 風電葉片

      風電葉片是風力發電機組的核心部件之一,一般由碳纖維或玻璃纖維增強復合材料制備而成。在生產過程中,由于工裝模具變形、部件變形、制造工藝的隨機因素和人為因素的影響,葉片難免出現孔隙、裂紋、分層、缺膠等缺陷。另外,在葉片的運輸、吊裝、運行過程中,也會由于遭到意外撞擊、防護層脫落等原因,造成葉片結構損傷的產生、擴展與積累,最終導致風電葉片的破壞。因此無論是生產過程中的質量檢測,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,檢測結果準確、可靠,更易于實現復雜結構與大壁厚構件的跟蹤掃查,以及檢測封閉區域,在大型復雜結構快速檢測中具有顯著的技術優勢。激光超聲檢測技術對檢測風電葉片內部缺陷是一種綜合性能更佳的方法,因此國內風電葉片生產廠和檢測機構也多選用此種方法。

      激光超聲檢測技術與機器人相結合,可以應用于大曲率復雜型面復合材料結構的缺陷/損傷檢測。

      復雜型面復合材料結構的激光超聲檢測

      如下圖所示,蜂窩結構厚度為14 mm,缺陷尺寸為25 mm和50 mm,由檢測結果可以看出,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構不同深度的脫黏損傷。

      蜂窩結構的激光超聲C掃描檢測結果

      如下圖所示,激光超聲C掃描檢測出的碳纖維增強環氧樹脂基復合材料試樣中分層缺陷的形狀、尺寸和分布,與試樣中預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合材料內部直徑2 mm以上的分層缺陷。

      碳纖維樹脂復合材料分層的激光超聲C掃描檢測結果

      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·馬丁公司用激光超聲系統檢測了超過13000個部件。在復合材料生產量幾乎翻了10倍的同時,從事復合材料無損檢測的人員數量并沒有改變。而目前該激光超聲系統已具有非常高的可靠性和穩定性,一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,其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,激光超聲檢測系統就顯示出了真正的經濟性。

      結語

      激光超聲技術自出現以來,憑借自身特有的優勢逐漸得到人們的關注和認可。但因激光與材料的相互作用是一個非常復雜的物理過程,還有許多問題需要進一步探索、分析。不過毫無疑問,盡管激光超聲技術在工業無損檢測領域中仍有一段相當長的路要走,但是隨著激光超聲技術的發展,必將在工業無損檢測領域,特別是航空航天無損檢測領域,有著更廣泛的應用。

      轉自:無損檢測NDT

      來源:應力與變形控制

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