本发明涉及无损检测领域中薄壁管的无损检测，尤其涉及一种基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法。
背景技术：
在航空、核能、舰船以及很多重要的工业领域都会大量地应用到精密小口径薄壁钢管。这些钢管长期工作在苛刻的环境当中，对质量的要求十分严格。但是在管材的制造过程中，往往会由于工艺、杂质以及其它各种原因，导致成型后的管材出现裂纹以及其它缺陷。因此，有必要在管材投入使用前对其进行无损检测。目前，超声无损检测是众多无损检测方式中的一种。
对于大口径的钢管，通常使用压电换能器就可以很方便的达到缺陷检测的目的。其原理是，在需要被检测的区域两端分别放置激发探头和检测探头，通过确定检测探头是否能检测到激发探头在钢管上激发的超声波就能判断被检测区域是否存在缺陷。但是上述领域应用的小口径薄壁管的管径只有几到十几毫米，壁厚则是从零点几到一点几毫米之间。在对于这些小口径管中的缺陷，尤其是纵向缺陷的检测过程中，一是由于探头的尺寸限制，在很小的管周上放置两个压电探头十分困难，二是管材的曲率太大，探头和管材的耦合也变得很困难。而激光超声作为一种新型的超声检测方法，由于其非接触式的特点，不会存在上述的问题，但是对小口径管的无损检测技术目前尚不成熟。
技术实现要素：
发明目的：为解决上述问题，本发明提出一种基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法。
技术方案：本发明基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测装置，该检测装置包括激光测振仪、带有操作系统的数字示波器、激光器、柱透镜和管材；激光测振仪与数字示波器输入端相连，激光器与数字示波器的触发输入端连接；
激光器发射脉冲激发光经柱透镜聚焦到管材表面作为激发线源，激光测振仪发射聚焦检测光聚焦在管材的表面，激光测振仪发出激光的焦点处在激发线源中心所在的横截面内以检测周向导波。
本发明基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法，采用上述无损检测装置进行检测，该无损检测方法包括以下步骤：
步骤(1)：搭建所述无损检测装置；
步骤(2)：建立标准信号，具体为：采用无缺陷的管材作为样品，启动激光器，由脉冲激光聚焦在管材表面以激发超声导波，由激光测振仪得到周向导波信号，显示并储存在数字示波器上，作为标准信号；
步骤(3)：激励周向导波检测缺陷，具体为，将步骤(2)中无缺陷的管材换成待测管材，重复步骤(2)的过程；通过比较实时信号和标准信号，确定待测管材被检测的截面上是否存在纵向缺陷；
步骤(4)：沿轴向螺旋移动管材，扫描检测所述待测管材是否存在缺陷。
步骤(2)中，采用线源激发，调整柱透镜的位置使得激发光正入射到管材上并聚焦到管材表面，形成纵向线源激发；调整激光测振仪位置，使得检测光正入射到管材上并聚焦到管材表面，使得检测聚焦点和激发线源的中心处在同一个横截面以检测周向导波。
保持激发光和检测光相隔有角度，该角度为180°之外的角度。
步骤(3)中，所述待测管材中的缺陷沿管道径向贯穿，布置于管道中心位置，所述待测管材的缺陷长边与管道轴向方向一致。
工作原理：本发明将由激光器发出的脉冲激光聚焦到管材的表面，由于热弹效应，将在管材中激励出超声导波，利用激光测振仪作为接受传感器来接收导波。
有益效果：本发明基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的检测方法解决了小口径薄壁管缺陷检测的难题，具有以下突出的优点：
(1)不需要对管道结构进行破坏，检测过程方便快捷，适用于生产线的原位检测。
(2)由于激光超声具有非接触、扫描速度快的优点，因此用于小口径薄壁管生产过程中的检测时，采用非接触的方法，检测过程不需要使用耦合剂，不需要多次的人工干预，可以将无损检测装置直接搭建在生产线上，实现原位检测，提高了产品质量和生产效率；
(3)由于激光具有非常好的稳定性，系统可以长时间工作并保证检测的可靠性。
附图说明
图1为本发明无损检测装置示意图；
图2为管材缺陷检测横截面示意图；
图3为管材缺陷检测接收信号图；
图4为本发明检测方法的实施流程图。
具体实施方式
下面结合图1至图4详细说明基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的检测方法的实施过程。
如图1所示，本发明所采用的基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测装置，包括激光测振仪1、带有操作系统的数字示波器2、激光器3、柱透镜4和管材5。激光测振仪1与数字示波器2输入端相连，激光器3与数字示波器2的触发输入端连接。
其中激光器3发射脉冲激发光经柱透镜4聚焦到管材5表面作为激发线源，激光测振仪1发射聚焦检测激光聚焦在管材5的同一表面，激光测振仪发出激光的焦点处在激发线源中心所在的横截面内以检测周向导波。
本实施例中选用的待测管材样品外径4.20mm，壁厚0.30mm，长80.0mm。待测管材中的人工缺陷长6.30mm，宽0.24mm，沿管道径向贯穿，布置于管道中心位置，待测管材的人工缺陷长边与管道轴向方向一致。
如图4所示，本发明基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷检测方法，其具体实现步骤如下：
步骤1：搭建无损检测装置，具体参见图1。
步骤2：建立标准信号，具体为：采用标准管材样品，即无缺陷的管材；本实验中采用管材样品中没有缺陷的部分，如图2中(2a)所示。采用线源激发，调整柱透镜的位置使得激发光正入射到管材上并聚焦到管材表面，形成纵向线源激发；调整激光测振仪位置，使得检测光正入射到管材上并聚焦到管材表面。使得检测聚焦点和激发线源的中心处在同一个横截面以检测周向导波。保持激发光和检测光相隔有角度，该角度不能为180°，因为此时顺时针和逆时针方向的导波同时到达检测点，难以分辨。本次实验中激发光和检测光的相隔角度为90°，如图2中(2a)所示。激光测振仪检测到的标准信号输入到数字示波器中显示并保存，结果如图3中的(3a)所示。
步骤3：激励周向导波检测缺陷，具体为：将管材样品换成实际的待测管材，重复步骤2的过程。本实验中为作对比，将管材样品移动到存在缺陷的位置，如图2中的(2b)所示，该图2中的(2b)为管材有缺陷位置横截面示意图，得到的信号如图3中的(3b)所示，该图3中的(3b)为有缺陷情况下激发光和检测光夹角为90°时的信号。
图3中的(3a)是无缺陷情况下激发光和检测光夹角为90°的位置时的检测信号，此时激发光和检测光之间的夹角为90°。由激发光激发出的周向导波分别沿逆时针(90°弧)和顺时针(270°弧)沿着管周向传播。首先到达检测点的是逆时针直达的周向导波，其脉冲由图3中第一条竖直线标示出来；然后到达检测点的是顺时针直达的周向导波，其脉冲由图3中第二条竖直线标示出来。两个脉冲之间存在延时，可以很明显的分辨出来。保持系统稳定，并将管材移动到存在缺陷的位置，如图2中(2b)所示，则得到图3中(3b)所示的波形。此时，逆时针方向传播的导波被缺陷阻挡，其脉冲在波形上不可见。而顺时针方向直达的导波则没有任何影响，其脉冲出现的时间与图3中(3a)中顺时针方向直达的导波脉冲出现的时间几乎一致，与理论符合的很好。
因此，通过观察在图3第一条竖直线所标示的时间是否会出现脉冲，进而判断该90°圆弧上是否存在纵向缺陷。具体地说：如果如图3中第一条竖直线所标示的时间出现脉冲，则说明此段90°弧没有缺陷；反之，则说明纯在缺陷。
需要注意的是，由于周向导波会被缺陷反射，导波绕圆周一周后再次到达等原因，导致信号中5μs往后的部分波形比较复杂。所以不能简单的通过观察图3中第二条竖直线所标示的时间是否出现脉冲来判断270°弧上是否存在缺陷，而是需要通过如步骤4中所述旋转钢管的方式来检测。
步骤4：扫描检查整个管材是否存在缺陷，具体为，通过控制系统使得管材沿轴向螺旋移动，即可扫描检查整个管材是否存在缺陷。
通过实验验证，此种检测方法可以快速准确的检测管道是否存在纵向缺陷。
1.一种基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测装置，其特征在于：所述检测装置包括激光测振仪(1)、数字示波器(2)、激光器(3)、柱透镜(4)和管材(5)；所述激光测振仪与数字示波器输入端相连，所述激光器与数字示波器的触发输入端连接；
所述激光器发射脉冲激发光经柱透镜聚焦到管材表面作为激发线源，所述激光测振仪发射检测光聚焦在管材的表面，所述激光测振仪发出激光的焦点处在激发线源中心所在的横截面内以检测周向导波。
2.一种基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的无损检测装置进行检测，所述无损检测方法包括以下步骤：
步骤(1)：搭建所述无损检测装置；
步骤(2)：建立标准信号，具体为：采用无缺陷的管材作为样品，启动激光器，由脉冲激光聚焦在管材表面以激发超声导波，由激光测振仪得到周向导波信号，显示并储存在数字示波器上，作为标准信号；
步骤(3)：激励周向导波检测缺陷，具体为，将步骤(2)中无缺陷的管材换成待测管材，重复步骤(2)的过程；通过比较实时信号和标准信号，确定待测管材被检测的截面上是否存在纵向缺陷；
步骤(4)：沿轴向螺旋移动管材，扫描检测所述待测管材是否存在缺陷。
3.根据权利要求2所述的基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法，其特征在于：步骤(2)中，采用线源激发，调整柱透镜的位置使得激发光正入射到管材上并聚焦到管材表面，形成纵向线源激发；调整激光测振仪位置，使得检测光正入射到管材上并聚焦到管材表面，使得检测聚焦点和激发线源的中心处在同一个横截面以检测周向导波。
4.根据权利要求3所述的基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法，其特征在于：保持激发光和检测光相隔有角度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于激光超声和周向导波的小口径薄壁管纵向缺陷的无损检测方法，其特征在于：步骤(3)中，所述待测管材中的缺陷沿管道径向贯穿，布置于管道中心位置，所述待测管材的缺陷长边与管道轴向方向一致。
技术总结