环形激光激发超声无损检测金属内部缺陷方法

环形激光激发超声无损检测（Laser-Generated Ultrasound, LGU）是一种非接触、高精度的无损检测方法，尤其适用于金属内部缺陷（如裂纹、气孔、夹杂等）的检测。其核心原理是通过环形激光束在金属表面激发超声波，利用超声波的传播特性分析内部缺陷。以下是该方法的关键技术流程、优势及实现步骤：

1. 方法原理

• 激光激发机制：

• 热弹性效应（低能量激光）：激光脉冲照射金属表面，局部热膨胀产生超声波（主用于薄板或表面缺陷）。

• 烧蚀效应（高能量激光）：表面材料汽化产生反冲力，激发更强超声波（适用于深层缺陷检测）。

• 环形激光设计：

• 环形光斑可激发轴对称超声场，增强特定模态超声波（如纵波、横波、表面波），提高缺陷信噪比。

2. 系统组成

1. 激光发射系统：

• 脉冲激光器（波长：1064 nm/532 nm，脉宽：纳秒级）。

• 光学元件（扩束镜、环形光阑）形成环形光斑。

2. 超声接收系统：

• 非接触接收：激光干涉仪（如多普勒振镜）或空气耦合探头。

• 接触式接收：压电传感器（PZT）用于校准。

3. 信号处理系统：

• 高速数据采集卡（采样率≥100 MHz）。

• 时频分析算法（小波变换、短时傅里叶变换）。

3. 检测步骤

(1) 激光参数优化

• 能量密度：需低于材料损伤阈值（如钢：<10 J/cm²）。

• 环的直径：影响超声波模态（大环直径激发低频波，穿透更深）。

(2) 超声信号激发与采集

• 环形激光脉冲照射金属表面，激发超声波。

• 超声波在内部传播，遇缺陷产生反射、散射或模式转换。

• 接收器记录时域信号（A扫）或全场成像（C扫）。

(3) 缺陷特征提取

• 时域分析：反射波到达时间→缺陷深度。

• 频域分析：频谱衰减→缺陷尺寸/类型。

• 成像算法：合成孔径聚焦（SAFT）或全波形反演（FWI）。

4. 优势与特点

• 非接触检测：适用于高温、腐蚀性或复杂几何工件。

• 高空间分辨率：激光聚焦可达微米级，缺陷定位精度高。

• 多模态激发：可选择性激发纵波（内部缺陷）或表面波（表面裂纹）。

• 适应性强：可用于复合材料、各向异性金属（如钛合金）。

5. 挑战与解决方案

6. 应用案例

• 航空航天：涡轮叶片内部气孔检测（钛合金）。

• 核电管道：应力腐蚀裂纹监测（无需停机拆卸）。

• 增材制造：金属3D打印件内部未熔合缺陷检测。

7. 相关标准与文献

• 国际标准：

• ASTM E1316（激光超声术语定义）。

• ISO 22825（激光超声检测方法）。

• 研究进展：

• 环形激光激发兰姆波（Lamb Wave）用于薄板缺陷成像（见《Ultrasonics》2023）。

8. 未来方向

• 多光束协同：环形+点阵激光激发多模态波场。

• 实时在线检测：集成工业机器人实现自动化扫描。

• AI辅助分析：深度学习优化缺陷定量化评估。