激光全息无损检测技术

化工设备人

2021年8月10日 13:07

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近年来，随着激光技术的发展，全息照相在无损检测领域中的应用范围迅速扩大，激光全息无损检测是在全息照相技术的基础上发展起来的一种检测技术，解决了许多过去其他方法难以解决的无损检测问题。

激光全息无损检测技术

激光全息无损检测是利用激光全息干涉来检测和计量物体表面和内部缺陷的，这种技术的原理是在不使物体受损的条件下，向物体施加一定的载荷，物体在外界载荷作用下会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关，物体内部的缺陷所对应的物体表面在外力作用下产生了与其周围不相同的微差位移，并且在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。用激光全息照相的方法来观察和比较这种变形，并记录在不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行比较和分析，从而判断物体内部是否存在缺陷，达到评价被检物体质量的目的。

具体做法是对被检测物体加载，使其表面发生微小的位移（微差位移），物体表面的轮廓就发生变化，此时获得的全息图上的条纹与没有加载时相比发生了移动。成像时除了显示原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹，由条纹的间距可以算出物体表面的位移的大小。由于物体有一定的形状，所以在同样的力的作用下，物体表面各处所发生的位移并不相同，因而各处所对应的干涉条纹的形状和间距也不相同。当物体内部不含有缺陷时，这种条纹的形状和间距的变化是宏观的、连续的、与物体外形轮廓的变化同步调的。当被检物体内部含有缺陷时，在物体受力的情况下，物体内部的缺陷在外部条件（力）的作用下，就在物体表面上表现出异常，而与内部缺陷相对应的物体表面所发生的位移则与以前不相同，因而所得到的全息图与不含缺陷的物体的不同。在激光照射下进行成像时，所看到的波纹图样在对应与有缺陷的局部区域就会出现不连续的、突然的形状变化和间距变化。根据这些条纹情况，可以分析判断物体的内部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置。

激光全息无损检测的特点

（1）激光全息无损检测是一种干涉计量技术，其干涉计量的精度与激光波长同数量级，因此，其检测灵敏度甚高，极微小的变形都能检验出来。

（2）用激光作为光源，而激光的相干长度很大，因此可以检验大尺寸物体，只要激光能够充分照射到的物体表面，都能一次检验完毕。

（3）对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。

（4）可借助于干涉条纹的数量和分布状态来确定缺陷的大小、部位和深度，便于对损伤、缺陷进行定量分析。

另外，这种检测方法还具有非接触检测、直观感强、检测结果便于保存等特点。但是，激光全息无损检测技术也并非万能，物体内部缺陷的检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形。如果物体内部的缺陷过深或过于微小，那么，这种检测方法就无能为力了。对于叠层胶接结构来说，检测其脱胶缺陷的灵敏度取决于脱胶面积和深度比值，在近表面的脱胶缺陷面积，即使很小也能够检测出来，而对于埋藏得较深的脱胶缺陷，只有在脱胶面积相当大时才能够被检测出来。另外，激光全息无损检测目前多在暗室中进行，并需要采用严格的隔振措施，因此，不利于现场检测。

激光全息无损检测的方法

激光全息无损检测的加载方法

用激光全息照相来检测物体内部缺陷的实质是比较物体在不同受载情况下的表面光波，因此，需要对物体施加载荷，一般使物体表面产生0.2μm的微差位移，就可以使物体内部位置不过深的缺陷在干涉条纹图样中有所表现。常用的加载方式有以下几种。

声加载

声加载是以声频和中等的超声频进行的（通常低于100kHz），加载方法是把压电换能器粘贴在被检工件表面上，在工件中建立起共振板模式。当需要大幅度振动的情况下，换能器可通过一个实心的指数曲线形喇叭（声变换器）机械地耦合到一个点上，压电换能器装在半径较大的一端，半径较小的一端压向工件。这种单点激励法也可使整个工件建立起共振，因此，可同时检查整个表面的物理特性和探出缺陷。

热加载

这种方法是对物体施加一个温度适当的热脉冲，物体因受热而变形，内部有缺陷时，由于传热较慢，该局部区域比缺陷周围的温度高。因此，造成该处的变形量相应也较大，从而形成缺陷处相对于周围的表面变形有了一个微差位移。用激光全息照相记录时，就可在全息图中显示出突变的干涉条纹图样。

内部充气法

对于蜂窝结构、轮胎、压力容器、管道等工件，可用内部充气法加载，有缺陷处的表面向外鼓起量会比周围大，摄制的全息图可捕获这个微差位移。这个加载方法简便，全息图直观，检测效果较好。

表面真空法

对于无法充气的结构，如不联通的蜂窝结构、叠层结构、钣金胶接结构等，可以在外表面抽真空加载，造成缺陷处表皮的内外压力差，从而引起缺陷处表皮变形，在干涉条纹图样中会出现干涉条纹的突变或呈现出环状图案。

物体表面微差位移的观察方法

实时法

先拍摄物体在不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄的位置上，并用与拍摄全息图时的同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像（物体的虚像），再现的虚像完全重合在物体上。这时对物体加载，物体的表面会产生变形，受载后的物体表面光波和再现的物体虚像之间就形成了微量的光程差。由于这两个光波都是相干光波（来自同一个激光源），并几乎存在于空间的同一位置，因此，这两个光波叠加就会产生干涉条纹。

由于物体的初始状态（再现的虚像）和物体加载状态之间的干涉度量比较是在观察时完成的，所以称这种方法为实时法。

其优点是只需要用一张全息图就能观察到各种不同加载情况下的物体表面状态，从而判断出物体内部是否含有缺陷。因此，这种方法既经济又能迅速而确切地确定出物体所需加载量的大小。

其缺点是，需要有一套附加机构，以便使全息图位置的移动不超过几个光波的波长；由于全息干版在冲洗过程中乳胶层不可避免地要产生一些收缩，当全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量的位移干涉条纹出现；显示的干涉条纹图样不能长久保留。

两次曝光法

这种方法是将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上，然后再现这两个光波，其叠加时仍然能够产生干涉现象。此时，所看到的再现现象，除了显示出原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹图样。这种条纹表现在观察方向上的等位移线，两条相邻条纹之间的位移差约为再现光波的半个波长，若用氦-氖激光器作光源，则每条条纹代表大约0.316μm的表面位移。从这种干涉条纹的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。

两次曝光法是在一张全息片上进行两次曝光，记录了物体在产生变形之前和之后的表面光波。这不但避免了实时法中全息图复位的困难，而且也避免了感光乳胶层收缩不稳定的影响，因为这时每一个全息图所受到的影响是相同的。其主要缺点是对于每一种加载量都需要摄制一张全息图，无法在一张全息图上看到不同加载情况下物体表面的变形状态，这对于确定加载参数来说是比较费事的。

时间平均法

这种方法是在物体振动时摄制全息图。在摄制时所需的曝光时间要比物体振动循环的一个周期长得多，即在整个曝光时间内，物体要能够进行许多个周期的振动。但由于物体是作正弦式周期性振动，因此，把大部分时间消耗在振动的两个端点上，所以，全息图上所记录的状态实际上是物体在振动的两个端点状态的叠加。当再现全息图时，这两个端点状态的像就相干涉而产生干涉条纹，从干涉条纹的图样的形状和分布来判断物体内部是否有缺陷。

这种方法显示的缺陷图案比较清晰，但为了使物体产生振动就需要有一套激励装置。而且，由于物体内部的缺陷大小和深度不一，其激励频率各不相同，所以要求激励振源的频带要宽，频率要连续可调，其输出功率大小也有一定的要求。同时，还要根据不同产品对象选择合适的换能器来激励物体。

激光全息无损检测在航空维修中的应用

蜂窝结构板的检测

现代飞机为了减轻重量、改善性能常常采用蜂窝结构板、叠层结构板、复合材料结构板等。但是，这些新结构在制造和使用过程中容易产生脱胶等缺陷，采用激光全息无损检测方法检测这些新结构内部的缺陷及损伤是很有效的。

例如，对某型飞机的襟翼结构实施两次曝光法，即在同一张照相底板上，先对没有加载的襟翼蜂窝结构板进行曝光，然后对其进行抽真空加载，再曝一次光。将底板显影、定影，成为一张全息图。当全息图再现时，便可看到襟翼蜂窝结构板上的缺陷情况。

对于不同蒙皮厚度的蜂窝夹层结构，要显示缺陷时，所需的加载量是不同的。

复合材料结构的检测

检测时，先使复合材料结构件作机械振动，然后用全息照相时间平均法摄取全息图。由于接合松动，有缺陷部位的振动振幅，就比其他部位大，因而，在全息图再现像上出现一组特殊的局部干涉条纹，把损伤部位的轮廓都显示出来。

涡轮叶片的检测

在涡轮叶片的全息检测中，通常用小型压电换能器贴在叶片表面上，通过它将声音传入叶片来产生弯曲和扭转两种振型，用来检测空心叶片内部损伤非常有效。

结束语

激光全息无损检测技术在对复合材料、蜂窝结构、涡轮叶片等的检测上，具有其独到之处，解决了其它方法无法解决的问题。其应用领域涉及航空航天产品中常用的蜂窝夹层结构脱胶缺陷的检测、复合材料层压板分层缺陷的检测、印制电路板内焊接头的虚焊检测、压力容器焊缝的完整性检测、火箭推进剂药柱中的裂纹和分层、壳体和衬套间的分层缺陷检测、飞机轮胎中的胎面脱粘检测、反应堆核燃料元件中的分层缺陷检测等。

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