CN114460012B - 一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法及应用 - Google Patents
一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法及应用，属于极端环境材料监检测技术领域，通过调整激光光束与材料表面的相对位置，使得激光光束保持正离焦状态，通过调整激光脉冲与待检测材料表面的离焦状态以及离焦量数值，借助空化泡爆轰波进一步增强超声波激发强度，最终空化泡在形成和湮灭的过程中形成MPa量级的冲击波，该冲击波作用在材料表面可大幅度增强待检测材料表面的超声波激发强度，实现水下环境的超声检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法及应用，属于极端环境材料监检测技术领域。
背景技术
激光作为最具发展和应用潜力的绿色能源之一，在材料加工领域成为日趋成熟的能量来源。随着现代工业发展对核电、海工等极端服役环境结构材料非接触监检测需求的日渐强烈，激光脉冲被利用为超声波的激励基础，激光超声材料检测技术展现出重要的应用价值和潜力。
核反应堆管状构件焊缝、海洋钻井平台管道焊缝等部位是核电与海工领域的主设备结构材料的失效易发区域，采用激光超声对辐射、侵蚀的水下服役环境相关构件进行裂纹、孔洞、界面结构等立体缺陷以及残余应力等微观机械性能检测具有远程非接触的优势。然而，由于激光脉冲能量在水中电离损耗等原因，激光超声在水下环境的激发强度大幅衰减，导致水下激光超声检测的精度与可靠性明显降低。如何提高激光诱导超声波在水中的激发强度，进而实现高精度水下激光超声材料检测是材料监检测领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
在现有激光超声材料检测过程中，激光脉冲辐照材料表面并激发超声波，使超声波在材料表面一定深度内传播，超声波发射至接收装置后，实现材料缺陷等特征的位置信息分析。由于激光超声的非接触激发等特点，激光超声开始被应用于核电、海工等具有水下服役环境的待检测构件。然而，激光脉冲在水下环境受到激光能量电离损耗等作用导致激光超声波激发强度出现大幅度衰减。针对现有技术的不足，为提高激光脉冲在水下环境激发超声波的强度，本发明提供一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法，提出通过调整激光脉冲与待检测材料表面的离焦状态以及离焦量数值，借助空化泡爆轰波进一步增强超声波激发强度的思路和方法。
本发明的技术方案如下：
一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法，包括步骤如下：调整激光光束与材料表面的相对位置，使得激光光束保持正离焦状态。
优选的，激光脉冲光束相对于待检测材料表面的正离焦量设定为2mm～4mm。
物理原理与参数调整规则如下：激光光束与材料表面的相对位置使得激光光束保持正离焦状态，在正离焦量条件下，材料表面发生空化效应。在空化效应与热弹效应的共同作用下，激光诱导的材料内部超声波传播强度提高。本发明所述方法要求将激光脉冲光束相对于待检测材料表面的正离焦量设定为2mm～4mm。避免正离焦量过小导致空化效应引发的空化泡爆轰波对材料表面产生烧蚀破坏，避免正离焦量过大使得离焦光束能量不足以激发热弹效应以及导致空化效应对超声波强度的增强效果减弱。
优选的，具体包括步骤如下：
1.搭建激光超声材料检测装置；
确定待检测材料的激光超声检测工艺，并搭建相应装置，默认所述检测装置是基于已有相关检测工作及数据的基础，待检测材料的激光超声检测设备已经具备。所述激光超声检测装备的检测原理为基于热弹效应的激光超声材料缺陷特征检测方法，所述检测工艺已确定的工艺参数包括发射激光脉冲信号的脉冲激光波长、能量、脉宽以及聚焦后的光斑直径等，还包括接收超声波信号的接收探头的相关仪器设置参数等。
搭建的常规装置具有激光光束与待检测材料表面保持无离焦状态的特征；确定激光超声检测所采用的脉冲激光参数时，激光能量密度低于样品的熔融阈值；
2.调整步骤1确定的现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离；
将步骤1设置的激光超声检测装置转移至待检测构件对应位置，增大现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离，调整激光光束相对于待检测材料表面从无离焦状态调整为正离焦状态，并且相关操作(所述的调整激光光束与材料表面离焦状态的操作)建立在技术人员已确定激光检测过程中激光光束与待检测材料表面需保持的正离焦量数值的基础上，正离焦量的数值在2mm～4mm范围内选取，具体选取方法可以为试错法，即多次调整正离焦量数值，对比不同正离焦量条件下的超声探头所检测到超声波信号波信号强度和质量，确定获得最高信号强度和质量的正离焦量数值为激光超声检测所使用的正离焦量数值；
超声波信号强度与质量的对比选取原则：将在多次(≥3次)的检测过程中，超声波信号能保持最高稳定性的最高强度，定义为最高信号强度和质量，最高稳定性为多次重复下波形一致；
在实际操作过程中，技术人员确定正离焦量数值为2mm～4mm。可采用调整待检测材料位置的方式进行相应测试工作，使待检测材料远离激光光束发射装置，且设定的远离距离为拟设定的激光光束正离焦量。
3.采用已设定激光检测工艺对待检测材料进行检测，记录检测结果。
本步骤要求技术人员采用已设定的激光光束相对于材料表面的正离焦量以及其他已设定测试条件，对待检测材料进行检测操作。
如上述任一项所述的方法在水下服役环境相关构件的裂纹、孔洞、界面结构等立体缺陷以及残余应力等微观机械性能检测领域的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明属于激光超声检测材料结构或缺陷的相关技术；技术原理上本发明是热弹机制，在热弹机制检测过程中引入“空化”爆轰效应增强待检测材料表面超声波的激发强度。
激光脉冲在水下环境受到激光能量电离损耗，使激光激发待检测材料表面的超声波强度不足，而超声波强度不足直接决定检测信号的强弱以及检测精度，既然超声波激发强度不足，那么就需要寻求增强超声波激发强度的工艺调整方案：本发明通过改变激光发射装置与待检测材料之间的距离，对激光超声材料检测过程中的激光离焦量进行调整，从而使得激光光束在水下环境满足形成空化泡的物理条件，最终空化泡在形成和湮灭的过程中形成MPa量级的冲击波，该冲击波作用在材料表面可大幅度增强待检测材料表面的超声波激发强度。
现有激光超声检测方法均采用无离焦条件，即激光光束的聚焦位置位于待检测材料表面；本发明的不同之处在于设定激光光束的正离焦状态，即使得激光光束的聚焦位置位于待检测材料表面之外，目的是借助水下环境，使得激光光束在材料表面之外形成“空化效应”，而空化爆轰波的“趋壁”特性令爆轰压力作用于待检测材料表面，热弹效应与空化效应的双重效果必然大于单纯的热弹效应。
附图说明
图1为新旧激光超声材料检测技术对比图；
其中，A为现有激光超声材料检测技术示意，1为脉冲激光光束，2为升温膨胀区(声源)，3-应力，4为激光光束聚焦位置，5为待检测材料；
B为本发明提出的高精度水下激光超声材料检测方法的工艺设定示意；6为脉冲激光光束，7为激光光束聚焦位置，8为水下环境，9为待检测材料。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
图1中A部分展示了激光超声材料检测物理原理，即不足以引起材料表面烧蚀的激光光束辐照至材料表面，材料表面发生热弹效应，从而激发超声波向材料内部传播，而超声波向外传播的发射信号则会携带材料内部三维缺陷或界面特征的位置信息；图1中B部分展示了本发明提出的适用于水下激光超声材料检测的超声波增强工艺设定方法，即调整激光脉冲在待检测材料的表面的离焦状态，调整激光脉冲相对于材料表面为正离焦状态，以诱导空化效应形成空化泡爆轰波对材料表面超声波强度进行辅助性放大。
一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法，包括步骤如下：调整激光光束与材料表面的相对位置，使得激光光束保持正离焦状态；激光脉冲光束相对于待检测材料表面的正离焦量设定为2mm～4mm。
具体包括步骤如下：
1、搭建激光超声材料检测装置，
确定待检测材料的激光超声检测工艺，并搭建相应装置，默认所述检测装置是基于已有相关检测工作及数据的基础，待检测材料的激光超声检测设备已经具备。所述激光超声检测装备的检测原理为基于热弹效应的激光超声材料缺陷特征检测方法，所述检测工艺已确定的工艺参数包括发射激光脉冲信号的脉冲激光波长、能量、脉宽以及聚焦后的光斑直径等，还包括接收超声波信号的接收探头的相关仪器设置参数等。
搭建的常规装置具有激光光束与待检测材料表面保持无离焦状态的特征；确定激光超声检测所采用的脉冲激光参数时，激光能量密度低于样品的熔融阈值；
2.调整步骤1确定的现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离；
将步骤1设置的激光超声检测装置转移至待检测构件对应位置，增大现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离，调整激光光束相对于待检测材料表面从无离焦状态调整为正离焦状态，并且相关操作(所述的调整激光光束与材料表面离焦状态的操作)建立在技术人员已确定激光检测过程中激光光束与待检测材料表面需保持的正离焦量数值的基础上，正离焦量的数值在2mm～4mm范围内选取，具体选取方法可以为试错法，即多次调整正离焦量数值，对比不同正离焦量条件下的超声探头所检测到超声波信号波信号强度和质量，确定获得最高信号强度和质量的正离焦量数值为激光超声检测所使用的正离焦量数值；
超声波信号强度与质量的对比选取原则：将在多次(≥3次)的检测过程中，超声波信号能保持最高稳定性的最高强度，定义为最高信号强度和质量，最高稳定性为多次重复下波形一致；
在实际操作过程中，技术人员确定正离焦量数值为2mm～4mm。可采用调整待检测材料位置的方式进行相应测试工作，使待检测材料远离激光光束发射装置，且设定的远离距离为拟设定的激光光束正离焦量。
3.采用已设定激光检测工艺对待检测材料进行检测，记录检测结果。
本步骤要求技术人员采用已设定的激光光束相对于材料表面的正离焦量以及其他已设定测试条件，对待检测材料进行检测操作。
实验例
以检测水下环境服役的200mm×100mm×3mm尺寸规格的金属铝板材表面的预制平底孔缺陷为例。以激光超声材料检测的无离焦状态测试装置与工艺条件为基础进行测试，其中所采用激光脉冲波长为1064nm，能量为650μJ，脉宽为7ns。预先设定激光光束相对于材料表面的正离焦量为2.6mm；调整待检测材料位置，使其远离激光光束发射位置2.6mm；激光超声波关联信号采用PZT探头接收和分析。采用上述工艺条件对待检测区域进行缺陷检测。
经过5次测试，在获得待检测材料的缺陷检测结果之后，将已测试缺陷的位置信息与预置表面缺陷的定量测量的位置信息进行对比。结果显示，多次激光超声材料缺陷检测的最大误差为5％。
对比例
以检测水下环境服役的200mm×100mm×3mm尺寸规格的金属铝板材表面的预制平底孔缺陷为例。以激光超声材料检测的无离焦状态测试装置与工艺条件进行测试，其中所采用激光脉冲波长为1064nm，能量为650μJ，脉宽为7ns。采用上述工艺条件对待检测区域进行缺陷检测。经过5次激光超声测试，激光超声检测采用的PZT探头均无法接收到明显的超声波关联信号，即无法获得待检测材料表面的激光超声检测结果。
利用本发明的方法可完全实现在水下环境中利用激光超声对材料进行检测，误差可控，应用范围广。
Claims (2)
1.一种适用于水下环境激光超声材料检测的超声波强度增强方法，其特征在于，包括步骤如下：调整激光光束与材料表面的相对位置，使得激光光束保持正离焦状态；
具体包括步骤如下：
步骤1.搭建激光超声材料检测装置；
确定待检测材料的激光超声检测工艺，并搭建相应装置，所述检测工艺已确定的工艺参数包括发射激光脉冲信号的脉冲激光波长、能量、脉宽以及聚焦后的光斑直径，还包括接收超声波信号的接收探头的相关仪器设置参数；
搭建的常规装置具有激光光束与待检测材料表面保持无离焦状态的特征；确定激光超声检测所采用的脉冲激光参数时，激光能量密度低于样品的熔融阈值；
步骤2.调整步骤1确定的现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离；
将步骤1设置的激光超声检测装置转移至待检测构件对应位置，增大现有装置的激光光束发射装置与材料表面待检测位置的直线距离，调整激光光束相对于待检测材料表面为正离焦状态，正离焦量的数值在2mm～4mm范围内选取，多次调整正离焦量数值，对比不同正离焦量条件下的超声探头所检测到超声波信号波信号强度和质量，确定获得最高信号强度和质量的正离焦量数值为激光超声检测所使用的正离焦量数值；
将在≥3次的检测过程中，超声波信号能保持最高稳定性的最高强度，定义为最高信号强度和质量，最高稳定性为多次重复下波形一致；
步骤3.采用已设定激光检测工艺对待检测材料进行检测，记录检测结果。
2.如权利要求1所述的方法在水下服役环境相关构件的裂纹、孔洞、界面结构立体缺陷以及残余应力微观机械性能检测领域的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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