管道不规则焊缝激光超声缺陷检测技术研究

摘要：文章提出了一种利用激光热弹效应产生超声波并对管道及管件进行无损检测的方法，介绍了激光超声激励及检测原理，并针对管道及管件提出了系统方案；结合管道的实际特点进行了缺陷检测试验，建立了基于PVDF传感器检测激光超声的实验系统，通过扫描激光线源法研究表面缺陷和微缺陷对远场、近场声表面波的影响。通过检测信号的幅度大小，分析超声波沿管道传播的规律；在缺陷近场区域内，多种声波由于缺陷散射而发生模式转换，在近场区域发生叠加，声表面波信号的幅度和频谱特征都有显著的变化。但由于频散效应使得距离与信号频率存在规律不明显，检测距离与超声信号呈幅度线性关系。

关键词：激光超声；热弹效应；无损检测

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0010-03

目前，管道与管件缺陷的检测技术主要有X射线照相法、超声波检测法、磁粉检测法、渗透检测法和电磁感应检测法，其中超声波检测法不受材料、厚度与几何形状的限制，随着新型超声传感器技术、自动化控制技术、现代计算机技术与图像处理技术的发展，超声检测也逐渐进入自动化检测时代。这样就能检测出缺陷的大小和形状，获得缺陷永久记录。传统的射线检测对人体有伤害，需要添加探伤人员的安全防护措施。另外，射线探伤设备不仅投资大，而且体积庞大，含有检测结果的底片不易携带，对于人体辐射很大。液浸法检测需要将被检件置于水槽中或在工件与探头之间喷水流，因此在很多场合应用不方便。

为克服传统超声检测的不足，利用激光激发超声波来检测使一门新兴技术——激光超声检测技术应运而生。激光超声检测技术具有非接触式检测、远距离操作、抗干扰能力强、空间分辨率高、可检测不规则表面及用于操作空间受限的场合、快速实时、可在恶劣工况下使用等优点，目前已逐渐成为无损检测的重要手段。

1 超声激励技术研究

超声激励技术：激光超声的产生机理一般有热弹效应、烧蚀效应、辐射压力、电致伸缩、介质击穿和汽化膨胀等类型。但在实际应用中主要考虑热弹与烧蚀两种方式激发超声波。热弹效应是在入射激光功率密度低于材料表面的损伤阈值（金属材料一般为107W/cm2），不会使材料发生熔化和烧蚀，材料表层吸收了入射激光的能量并转化为热量，引起热膨胀而产生表面的切向应力。热弹效应对材料表面无损伤，并且能产生各种波形，应用最为广泛。

2 激光超声管件焊缝缺陷检测方案设计

1.Nd∶YAG激光器 2.分束镜 3.凸透镜或柱面透镜 4.样品 5.放大器 6.示波器 7.控制卡 8.光电二极管 9.计算机 10.纵横电机 11.横向电机 12.纵向固定板 13.PVDF压电薄膜 14.钨棒 15.特氟龙胶 16.金属装置外壳 17.横向移动滑块 18.纵向丝杆 19.横向固定底板 20.纵向固定底板 21.横向丝杆 22.Ⅰ横向固定板 23.Ⅱ横向固定板 24.纵向移动滑块

图2 激光超声缺陷检测系统

利用PVDF传感器检测激光声表面波的实验系统如图2所示。波长1064nm、脉宽10ns的Nd∶YAG脉冲激光通过柱面镜聚焦成线光源投射到样品表面激发声表面波。实验触发信号是通过光电二极管（上升时间为lOOps）获取脉冲激光经分光镜反射的散射光来实现。将PVDF传感器固定在二维精密平移台上，并使刀劈沿声表面波传播方向放置。通过计算机控制横向电机11，横向移动滑块17在横向丝杆21上移动，从而使PVDF传感器在试块表面横向移动，移动范围在两个横向固定板22-23内。通过计算机控制纵向电机，纵向移动滑块24在纵向丝杆18上移动，移动范围在12-17内，通过纵向移动可以控制PVDF传感器在样品纵向移动，从而实现对样品表面的扫描。当脉冲激光在样品表面激发声表面波时，声表面波沿表面传至探测点位置，由于声扰动会导致材料表面发生微小形变，对PVDF薄膜产生机械应力，通过PVDF薄膜转换为电荷信号，再经前置放大器放大，接入至OTDS3054B数字示波器采集超声

信号。

3 实验数据分析

采用数据采集卡采样频率100M/S，采用连续采集方式，并对同时采集三路数据。

在离焊缝10mm处，固定激光激发点，并且在焊缝的同一侧平行于管道的中心轴且远离焊缝的方向进行移动检测点，每次移动距离20mm。

4 结语

通过管道数学模型的建立，对激光热弹的效应进行了理论分析，并对激光超声管件焊缝缺陷检测方案进行了设计。通过实际试验得到如下结论：在激光脉冲激发超声后，超声在被测物件中传播时，损耗较大，并伴随有频移、频散现象发生，在超声被激发的200mm距离内可以进行超声检测，距离增加后基本上由于信噪比变小，但可以检测到超声信号，信号幅度随检测点距离增加呈线性减小，信号的频率基本在9～10MHz左右。通过试验分析可以得出：利用激光激励超声波来检测管道焊缝缺陷方法具有可行性。

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作者简介：张俊杨（1986-），男，河南信阳人，供职于中国石油天然气管道通信电力工程总公司，研究方向：激光超声和相关控制电路。