基于激光超声的非标金属构件内部缺陷在线检测与应力场反演方法

2026/05/09企业新闻新闻中心行业新闻 30

非标金属构件（如增材制造复杂内流道零件、异形锻件）的内部缺陷（气孔、裂纹、未熔合）与残余应力分布是决定其服役安全性的关键。传统超声检测需要耦合剂且难以适应复杂曲面，射线检测则存在辐射安全隐患与三维成像困难。本文提出一种基于激光超声的非接触式在线检测方法，利用脉冲激光在构件表面激发宽频超声波，并通过多普勒激光干涉仪接收回波。针对非标曲面的声传播路径建模问题，引入弹性动力学有限差分与射线追踪混合算法实现快速正演；进而基于全波形反演与伴随场理论，联合重建缺陷位置形态及内部应力场分布。在具有人工缺陷及预制应力的钛合金叶片与航空支架上验证，缺陷尺寸检测误差小于0.15mm，应力反演结果与钻孔法误差在±25MPa以内。该方法为高端非标构件的在线质量监控提供了可行方案。

1. 引言

航空航天、能源装备等领域广泛采用非标金属构件，其几何形状复杂（如变厚度曲面、内部交叉孔道），且服役环境要求极端可靠性。常规无损检测方法面临三大困境：一是超声检测需要水或甘油耦合剂，难以进入狭小或高温区域；二是射线检测对于面状缺陷（裂纹）方向敏感且三维定位繁琐；三是应力检测多采用破坏性钻孔法（盲孔法），无法用于在线筛查。激光超声技术利用热弹性机制激发超声波，完全无需耦合剂，且可通过振镜扫描实现快速、非接触的C扫描，天然适合非标曲面。但现有激光超声多数仅做缺陷定性定位，未能同时反演应力场；且对于复杂边界条件下声场传播的正演效率低，制约了成像分辨率。本文旨在构建一套集高精度正演、全波形反演与应力场分布重建于一体的激光超声在线检测方法，专门面向非标金属构件。

2. 检测原理与系统组成

2.1 激光超声激发与接收机理
采用Nd:YAG脉冲激光（波长1064nm，脉宽8ns，重复频率100Hz），在热弹性效应主导区（避免烧蚀），激光光斑内瞬时热膨胀产生纵波、横波及表面波。接收端采用双波混合干涉仪或光纤法布里-珀罗干涉仪，获得表面法向位移时程信号。通过在构件表面进行栅格扫描，得到数组B-scan数据。

2.2 非标曲面适应性
为避免曲面曲率造成激光散焦与接收角度损失，系统配置三维自适应聚焦模块：预先快速三维扫描获取构件外形点云，实时调整激光入射角度与聚焦透镜位置，使激发光斑始终位于焦平面，且接收光束垂直于局部表面。对于极高曲率区域，采用短焦深多次平均策略。

3. 声场传播正演模型

3.1 弹性波动方程与吸收边界
在非均匀各向同性线弹性体内部，位移场 uu 满足：ρu¨=(λ+2μ)∇(∇⋅u)−μ∇×∇×u+fsourceρu¨=(λ+2μ)∇(∇⋅u)−μ∇×∇×u+fsource

其中 λ,μλ,μ 为Lame常数，ρρ 为密度。对于非标复杂几何，采用时域有限差分（FDTD）求解，但传统FDTD需精细网格，计算量大。本文提出混合方法：先将构件划分为多个几何块（如壳、筋、凸台），在局部使用高阶谱元法，在连接界面采用间断伽辽金方法（DGTD），兼顾效率与几何保真性。

3.2 快速射线追踪用于声时计算
为加速反演中的正演迭代，对于远场或低频成分，采用射线追踪方法计算体波走时及振幅衰减，并与有限差分结果校准形成混合正演内核。

4. 全波形反演及应力场联合重构

4.1 缺陷反演目标函数
令观测到的表面位移为 dobs(xr,t)dobs(xr,t)，正演模拟为 usyn(xr,t;m)usyn(xr,t;m)，其中 mm 为材料参数场（密度、波速）。定义波形差异：Jwave=12∑s,r∫0T∥usyn−dobs∥2dtJwave=21s,r∑∫0T∥usyn−dobs∥2dt

通过伴随场方法计算梯度，并采用L-BFGS优化更新波速场。缺陷区域表现为波速异常（如气孔区波速显著降低）。由于非标构件形状复杂，为避免陷入局部极小，引入波路径校正项。

4.2 应力场的声弹性反演
基于声弹性理论，材料中波速随应力状态变化：对于纵波，有 Vp(σ)=Vp0(1+αpσ)Vp(σ)=Vp0(1+αpσ)，αpαp 为声弹性系数。因此，将波速场分解为 V=Vbase+ΔVdefect+ΔVstressV=Vbase+ΔVdefect+ΔVstress，其中 ΔVstressΔVstress 是应力引起的微小扰动（通常<1%）。采用两步法：