[发明专利]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

说明书

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。

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；