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激光無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

2021-09-10 10:22:40 作者：設(shè)備管理與防腐來(lái)源：設(shè)備管理與防腐分享至：

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全息照相在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，激光全息無(wú)損檢測(cè)是在全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種檢測(cè)技術(shù)，解決了許多過(guò)去其他方法難以解決的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題。

激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

激光全息無(wú)損檢測(cè)是利用激光全息干涉來(lái)檢測(cè)和計(jì)量物體表面和內(nèi)部缺陷的，這種技術(shù)的原理是在不使物體受損的條件下，向物體施加一定的載荷，物體在外界載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關(guān)，物體內(nèi)部的缺陷所對(duì)應(yīng)的物體表面在外力作用下產(chǎn)生了與其周?chē)幌嗤奈⒉钗灰疲⑶以诓煌耐饨巛d荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。用激光全息照相的方法來(lái)觀察和比較這種變形，并記錄在不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進(jìn)行比較和分析，從而判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷，達(dá)到評(píng)價(jià)被檢物體質(zhì)量的目的。

具體做法是對(duì)被檢測(cè)物體加載，使其表面發(fā)生微小的位移（微差位移），物體表面的輪廓就發(fā)生變化，此時(shí)獲得的全息圖上的條紋與沒(méi)有加載時(shí)相比發(fā)生了移動(dòng)。成像時(shí)除了顯示原來(lái)物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋，由條紋的間距可以算出物體表面的位移的大小。由于物體有一定的形狀，所以在同樣的力的作用下，物體表面各處所發(fā)生的位移并不相同，因而各處所對(duì)應(yīng)的干涉條紋的形狀和間距也不相同。當(dāng)物體內(nèi)部不含有缺陷時(shí)，這種條紋的形狀和間距的變化是宏觀的、連續(xù)的、與物體外形輪廓的變化同步調(diào)的。當(dāng)被檢物體內(nèi)部含有缺陷時(shí)，在物體受力的情況下，物體內(nèi)部的缺陷在外部條件（力）的作用下，就在物體表面上表現(xiàn)出異常，而與內(nèi)部缺陷相對(duì)應(yīng)的物體表面所發(fā)生的位移則與以前不相同，因而所得到的全息圖與不含缺陷的物體的不同。在激光照射下進(jìn)行成像時(shí)，所看到的波紋圖樣在對(duì)應(yīng)與有缺陷的局部區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的、突然的形狀變化和間距變化。根據(jù)這些條紋情況，可以分析判斷物體的內(nèi)部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。

激光全息無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)

（1）激光全息無(wú)損檢測(cè)是一種干涉計(jì)量技術(shù)，其干涉計(jì)量的精度與激光波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)，因此，其檢測(cè)靈敏度甚高，極微小的變形都能檢驗(yàn)出來(lái)。

（2）用激光作為光源，而激光的相干長(zhǎng)度很大，因此可以檢驗(yàn)大尺寸物體，只要激光能夠充分照射到的物體表面，都能一次檢驗(yàn)完畢。

（3）對(duì)被檢對(duì)象沒(méi)有特殊要求，可以對(duì)任何材料、任意粗糙的表面進(jìn)行檢測(cè)。

（4）可借助于干涉條紋的數(shù)量和分布狀態(tài)來(lái)確定缺陷的大小、部位和深度，便于對(duì)損傷、缺陷進(jìn)行定量分析。

另外，這種檢測(cè)方法還具有非接觸檢測(cè)、直觀感強(qiáng)、檢測(cè)結(jié)果便于保存等特點(diǎn)。但是，激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也并非萬(wàn)能，物體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)靈敏度，取決于物體內(nèi)部的缺陷在外力作用下能否造成物體表面的相應(yīng)變形。如果物體內(nèi)部的缺陷過(guò)深或過(guò)于微小，那么，這種檢測(cè)方法就無(wú)能為力了。對(duì)于疊層膠接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)其脫膠缺陷的靈敏度取決于脫膠面積和深度比值，在近表面的脫膠缺陷面積，即使很小也能夠檢測(cè)出來(lái)，而對(duì)于埋藏得較深的脫膠缺陷，只有在脫膠面積相當(dāng)大時(shí)才能夠被檢測(cè)出來(lái)。另外，激光全息無(wú)損檢測(cè)目前多在暗室中進(jìn)行，并需要采用嚴(yán)格的隔振措施，因此，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

激光全息無(wú)損檢測(cè)的方法

1. 激光全息無(wú)損檢測(cè)的加載方法

用激光全息照相來(lái)檢測(cè)物體內(nèi)部缺陷的實(shí)質(zhì)是比較物體在不同受載情況下的表面光波，因此，需要對(duì)物體施加載荷，一般使物體表面產(chǎn)生0.2μm的微差位移，就可以使物體內(nèi)部位置不過(guò)深的缺陷在干涉條紋圖樣中有所表現(xiàn)。常用的加載方式有以下幾種。

01 聲加載

聲加載是以聲頻和中等的超聲頻進(jìn)行的（通常低于100kHz），加載方法是把壓電換能器粘貼在被檢工件表面上，在工件中建立起共振板模式。當(dāng)需要大幅度振動(dòng)的情況下，換能器可通過(guò)一個(gè)實(shí)心的指數(shù)曲線形喇叭（聲變換器）機(jī)械地耦合到一個(gè)點(diǎn)上，壓電換能器裝在半徑較大的一端，半徑較小的一端壓向工件。這種單點(diǎn)激勵(lì)法也可使整個(gè)工件建立起共振，因此，可同時(shí)檢查整個(gè)表面的物理特性和探出缺陷。

02 熱加載

這種方法是對(duì)物體施加一個(gè)溫度適當(dāng)?shù)臒崦}沖，物體因受熱而變形，內(nèi)部有缺陷時(shí)，由于傳熱較慢，該局部區(qū)域比缺陷周?chē)臏囟雀摺Ｒ虼?，造成該處的變形量相?yīng)也較大，從而形成缺陷處相對(duì)于周?chē)谋砻孀冃斡辛艘粋€(gè)微差位移。用激光全息照相記錄時(shí)，就可在全息圖中顯示出突變的干涉條紋圖樣。

03 內(nèi)部充氣法

對(duì)于蜂窩結(jié)構(gòu)、輪胎、壓力容器、管道等工件，可用內(nèi)部充氣法加載，有缺陷處的表面向外鼓起量會(huì)比周?chē)螅瑪z制的全息圖可捕獲這個(gè)微差位移。這個(gè)加載方法簡(jiǎn)便，全息圖直觀，檢測(cè)效果較好。

04 表面真空法

對(duì)于無(wú)法充氣的結(jié)構(gòu)，如不聯(lián)通的蜂窩結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、鈑金膠接結(jié)構(gòu)等，可以在外表面抽真空加載，造成缺陷處表皮的內(nèi)外壓力差，從而引起缺陷處表皮變形，在干涉條紋圖樣中會(huì)出現(xiàn)干涉條紋的突變或呈現(xiàn)出環(huán)狀圖案。

2. 物體表面微差位移的觀察方法

01 實(shí)時(shí)法

先拍攝物體在不受力時(shí)的全息圖，沖洗處理后，把全息圖精確地放回到原來(lái)拍攝的位置上，并用與拍攝全息圖時(shí)的同樣參考光照射，則全息圖就再現(xiàn)出物體三維立體像（物體的虛像），再現(xiàn)的虛像完全重合在物體上。這時(shí)對(duì)物體加載，物體的表面會(huì)產(chǎn)生變形，受載后的物體表面光波和再現(xiàn)的物體虛像之間就形成了微量的光程差。由于這兩個(gè)光波都是相干光波（來(lái)自同一個(gè)激光源），并幾乎存在于空間的同一位置，因此，這兩個(gè)光波疊加就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。

由于物體的初始狀態(tài)（再現(xiàn)的虛像）和物體加載狀態(tài)之間的干涉度量比較是在觀察時(shí)完成的，所以稱(chēng)這種方法為實(shí)時(shí)法。

其優(yōu)點(diǎn)是只需要用一張全息圖就能觀察到各種不同加載情況下的物體表面狀態(tài)，從而判斷出物體內(nèi)部是否含有缺陷。因此，這種方法既經(jīng)濟(jì)又能迅速而確切地確定出物體所需加載量的大小。

其缺點(diǎn)是，需要有一套附加機(jī)構(gòu)，以便使全息圖位置的移動(dòng)不超過(guò)幾個(gè)光波的波長(zhǎng)；由于全息干版在沖洗過(guò)程中乳膠層不可避免地要產(chǎn)生一些收縮，當(dāng)全息圖放回原位時(shí)，雖然物體沒(méi)有變形，但仍有少量的位移干涉條紋出現(xiàn)；顯示的干涉條紋圖樣不能長(zhǎng)久保留。

02 兩次曝光法

這種方法是將物體在兩種不同受載情況下的物體表面光波攝制在同一張全息圖上，然后再現(xiàn)這兩個(gè)光波，其疊加時(shí)仍然能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。此時(shí)，所看到的再現(xiàn)現(xiàn)象，除了顯示出原來(lái)物體的全息像外，還產(chǎn)生較為粗大的干涉條紋圖樣。這種條紋表現(xiàn)在觀察方向上的等位移線，兩條相鄰條紋之間的位移差約為再現(xiàn)光波的半個(gè)波長(zhǎng)，若用氦-氖激光器作光源，則每條條紋代表大約0.316μm的表面位移。從這種干涉條紋的形狀和分布來(lái)判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。

兩次曝光法是在一張全息片上進(jìn)行兩次曝光，記錄了物體在產(chǎn)生變形之前和之后的表面光波。這不但避免了實(shí)時(shí)法中全息圖復(fù)位的困難，而且也避免了感光乳膠層收縮不穩(wěn)定的影響，因?yàn)檫@時(shí)每一個(gè)全息圖所受到的影響是相同的。其主要缺點(diǎn)是對(duì)于每一種加載量都需要攝制一張全息圖，無(wú)法在一張全息圖上看到不同加載情況下物體表面的變形狀態(tài)，這對(duì)于確定加載參數(shù)來(lái)說(shuō)是比較費(fèi)事的。

03 時(shí)間平均法

這種方法是在物體振動(dòng)時(shí)攝制全息圖。在攝制時(shí)所需的曝光時(shí)間要比物體振動(dòng)循環(huán)的一個(gè)周期長(zhǎng)得多，即在整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)，物體要能夠進(jìn)行許多個(gè)周期的振動(dòng)。但由于物體是作正弦式周期性振動(dòng)，因此，把大部分時(shí)間消耗在振動(dòng)的兩個(gè)端點(diǎn)上，所以，全息圖上所記錄的狀態(tài)實(shí)際上是物體在振動(dòng)的兩個(gè)端點(diǎn)狀態(tài)的疊加。當(dāng)再現(xiàn)全息圖時(shí)，這兩個(gè)端點(diǎn)狀態(tài)的像就相干涉而產(chǎn)生干涉條紋，從干涉條紋的圖樣的形狀和分布來(lái)判斷物體內(nèi)部是否有缺陷。

這種方法顯示的缺陷圖案比較清晰，但為了使物體產(chǎn)生振動(dòng)就需要有一套激勵(lì)裝置。而且，由于物體內(nèi)部的缺陷大小和深度不一，其激勵(lì)頻率各不相同，所以要求激勵(lì)振源的頻帶要寬，頻率要連續(xù)可調(diào)，其輸出功率大小也有一定的要求。同時(shí)，還要根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)象選擇合適的換能器來(lái)激勵(lì)物體。

激光全息無(wú)損檢測(cè)在航空維修中的應(yīng)用

1. 蜂窩結(jié)構(gòu)板的檢測(cè)

現(xiàn)代飛機(jī)為了減輕重量、改善性能常常采用蜂窩結(jié)構(gòu)板、疊層結(jié)構(gòu)板、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板等。但是，這些新結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中容易產(chǎn)生脫膠等缺陷，采用激光全息無(wú)損檢測(cè)方法檢測(cè)這些新結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷及損傷是很有效的。

例如，對(duì)某型飛機(jī)的襟翼結(jié)構(gòu)實(shí)施兩次曝光法，即在同一張照相底板上，先對(duì)沒(méi)有加載的襟翼蜂窩結(jié)構(gòu)板進(jìn)行曝光，然后對(duì)其進(jìn)行抽真空加載，再曝一次光。將底板顯影、定影，成為一張全息圖。當(dāng)全息圖再現(xiàn)時(shí)，便可看到襟翼蜂窩結(jié)構(gòu)板上的缺陷情況。

對(duì)于不同蒙皮厚度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，要顯示缺陷時(shí)，所需的加載量是不同的。

2. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

檢測(cè)時(shí)，先使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件作機(jī)械振動(dòng)，然后用全息照相時(shí)間平均法攝取全息圖。由于接合松動(dòng)，有缺陷部位的振動(dòng)振幅，就比其他部位大，因而，在全息圖再現(xiàn)像上出現(xiàn)一組特殊的局部干涉條紋，把損傷部位的輪廓都顯示出來(lái)。

3. 渦輪葉片的檢測(cè)

在渦輪葉片的全息檢測(cè)中，通常用小型壓電換能器貼在葉片表面上，通過(guò)它將聲音傳入葉片來(lái)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種振型，用來(lái)檢測(cè)空心葉片內(nèi)部損傷非常有效。

結(jié)束語(yǔ)

激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在對(duì)復(fù)合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)、渦輪葉片等的檢測(cè)上，具有其獨(dú)到之處，解決了其它方法無(wú)法解決的問(wèn)題。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天產(chǎn)品中常用的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)脫膠缺陷的檢測(cè)、復(fù)合材料層壓板分層缺陷的檢測(cè)、印制電路板內(nèi)焊接頭的虛焊檢測(cè)、壓力容器焊縫的完整性檢測(cè)、火箭推進(jìn)劑藥柱中的裂紋和分層、殼體和襯套間的分層缺陷檢測(cè)、飛機(jī)輪胎中的胎面脫粘檢測(cè)、反應(yīng)堆核燃料元件中的分層缺陷檢測(cè)等。

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