作者：闫晓玲
出版社：机械工业出版社
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激光熔覆再制造零件的超声检测试读：
前言
激光熔覆凭借其技术优势，已成为废旧产品绿色再制造的重要手段之一，但实践表明，激光熔覆再制造涂层（以下简称激光熔覆层）应力及涂层、毛坯缺陷，是影响再制造零件服役性能和服役寿命的关键因素，因此，必须采用安全、可靠的方法对激光熔覆再制造零件的质量进行检测及评价。超声无损检测技术是五大常规检测技术之一，也是目前应用最广泛、技术最成熟的无损检测方法。与其他无损检测技术（如射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测等）相比，具有检测对象范围广、检测深度大，对裂纹类缺陷敏感、灵敏度高，成本低，使用方便，速度快，对人体无害，以及便于现场使用等特点。目前，国外每年发表的约3000篇涉及无损检测的文献中，约有45%和超声无损检测相关。因此，本书将重点介绍超声无损检测技术在激光熔覆再制造零件质量评价中的应用。研究如何实现评价结果定量化、提高评价结果的可靠性，为保障激光熔覆再制造产品质量提供理论与技术支持，这将对建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
一门技术成熟或上升为科学，最基本、最显著的标志是进入了误差很小的定量化阶段。要提高超声检测的可靠性，必须把握声场在零件中的传播规律，建立超声声场与零件结构、材质、应力、缺陷类型、位置、取向、尺寸的定量关系。超声检测模拟仿真的形成和应用，极大丰富了超声检测技术的理论及应用基础，本书采用模拟仿真与实验相结合的方法，研究激光熔覆再制造零件缺陷及应力的超声无损评价方法；探讨影响缺陷与应力评价结果的内在及外在因素；结合熔覆层内部组织结构，分析超声检测信号噪声产生的原因，探讨信号消噪的原理及方法。
本书力求在开展超声学理论基础研究的同时，侧重解决工程实际问题。从理论分析的角度阐述解决实际问题的原理及方法，以便更多的无损检测工作者能够掌握和应用，成为解决更多类似工程问题的重要手段。
本书共分6章，第1章为绪论，介绍了超声无损检测技术在工业产品质量检测中的应用和研究现状。第2章介绍了激光熔覆再制造毛坯材料缺陷超声检测数值模拟，并且利用建立的模型模拟了激光熔覆再制造毛坯材料中不同类型缺陷的散射声场，分析了超声波声场与不同类型缺陷相互作用的规律。第3章介绍了激光熔覆再制造试样中超声波传播及缺陷超声检测数值模拟，对于包含各向异性涂层及各向同性毛胚材料的超声检测建模还很少，本章建立了Fe314激光熔覆再制造零件的超声检测数学模型，利用该模型分析了各向异性激光熔覆层中晶粒取向和探头类型两种因素对超声波传播的影响；计算了Fe314激光熔覆再制造零件中横通孔、裂纹缺陷的回波信号，数值模拟结果为合理设计该类零件的超声检测工艺提供了重要的理论依据。第4章介绍了超声检测信号处理方法，结合激光熔覆层内部组织特点，分析了超声检测信号噪声产生的原因，探讨了信号消噪处理的原理和方法。第5章结合工程实例介绍了对激光熔覆再制造零件缺陷进行超声无损检测及评价的方法。第6章介绍了基于表面超声波的激光熔覆再制造涂层应力检测的机理及方法，探讨了影响应力评价结果的内在及外在因素。本书内容侧重激光熔覆再制造复合材质中的声场分析及应用，方法上着眼于解决工程实际问题，列举了一些激光熔覆再制造产品缺陷、应力的超声检测方法。
本书由闫晓玲博士独立撰写完成，相关的研究成果得到了国家自然科学基金面上项目基于微单元形态表征的钛合金MIG焊增材再制造生长调控（编号：51375493）的资助。中国工程院的徐滨士院士、中国人民解放军装甲兵工程学院的董世运教授、北京理工大学的张之敬教授自始至终关心和支持本书的创作，仔细阅读了本书的手稿并提出了许多宝贵的修改意见，在此谨向各位教授致以衷心的感谢。
鉴于笔者水平有限，缺点和不足之处在所难免，欢迎广大读者批评、指正。闫晓玲
第1章 绪论
[1-2]再制造工程是以产品全寿命周期为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进的技术和产业化生产为手段，来修复、[3]改造废旧产品的一系列技术措施和工程活动的总称。激光熔覆凭借其技术优势，已成为废旧产品绿色再制造的重要手段之一。有关资料[1-3]表明，激光熔覆修复后的零件强度可达到原强度的90%以上，而其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了许多再制造难题。但实践表明，激光熔覆层的应力和涂层与毛坯中[4-5]的缺陷，是影响其服役性能和服役寿命的关键因素，因此如何保证再制造产品的质量是再制造工程的核心，直接关系到用户对再制造产品的信心以及再制造产业的推广和应用。
多年来，激光熔覆再制造零件的质量和性能，主要靠激光熔覆材[6]料和工艺参数的优化来保证，然后通过对再制造零件进行着色或通[7]过渗透、涡流等方法，检测零件表层是否存在气孔、裂纹等缺陷；[8]采用超声波、X射线检测零件内部是否存在缺陷；采用钻孔法或X[9][10][11]射线衍射法、磁记忆法、超声波法检测激光熔覆层的应力；采用光学显微镜（Optical Microscope，OM）和扫描电子显微镜[12-13]（Scanning Electron Microscope，SEM）检测熔覆层内部组织特征。虽然每种检测方法都有其特色和优缺点，但所测量的结果仍有局限性，如着色或渗透、涡流属于表层缺陷检测方法，只能检测激光熔覆再制造零件表层缺陷（裂纹、气孔、夹杂物等）；X射线虽然可检测材料内部缺陷，但消耗的X射线胶片等器材费用较高，检验速度较慢，此外，射线对人体有害，需要采取适当的防护措施；钻孔法在被测零件上钻孔，会破坏零件的整体结构，另外，钻孔过程常常会引起材料的损伤和屈服，影响测量效果，在工程实践中无法对每个零部件都进行钻孔检测；X射线对金属的穿透深度有限，只能无破坏性地检测表层应力，将X射线衍射法与剥层法结合虽然可以测定激光熔覆层沿厚度方向的深层应力分布，但需破坏零件；磁记忆法只能对铁磁性材料进行检测；光学显微镜和扫描电子显微镜不适合检查实际零部件内部的组织特征。[14-15]
超声检测技术是五大常规检测技术之一，也是目前应用最广泛、技术最成熟的无损检测方法。与其他无损检测技术（如射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测等）相比，具有检测对象范围广、检测深度大，对裂纹类缺陷敏感、灵敏度高，成本低，使用方便，速度快，对人体无害，以及便于现场使用等特点。另外，目前，国外每年发表的约3000篇涉及无损检测的文献中，约有45%和超声检测相关。因此，采用超声检测技术对激光熔覆再制造零件质量进行评价具有明显的技术优势。[16-17]
目前，超声检测技术在机械零件宏观缺陷评价、几何特性
[18-19][20-23]测量、力学性能表征领域均具有一定应用，并取得了一定的研究成果。但实践表明，影响激光熔覆再制造零件服役性能和服役[24-25][26]寿命的关键因素是缺陷和应力，图1-1、图1-2所示为激光熔覆制备的FeCrNiBSi铁基自熔合金激光熔覆层微观形貌图，从55201022图中可以看到明显的微裂纹、微孔洞缺陷，这些缺陷的存在，会使零件在服役过程中出现疲劳、磨损和腐蚀等破坏形式。因此结合激光熔覆再制造产品质量无损检测需要，本书将重点介绍超声波在缺陷和应力评价方面的应用。图1-1 夹杂及其边界处的微裂纹（×2000，SEM）图1-2 先共晶组织及共晶态组织界面处的微孔洞（×5000，SEM）
超声检测主要是基于超声波在介质中的传播特性，通过超声波在介质中传播时与声阻抗不同的异质性界面相互作用，就反射、折射和[27-29]散射的波进行研究。传统的超声检测是根据回波信号凭经验对被检测对象的质量进行评价。激光熔覆以高能激光束作为移动热源，通过快速加热、熔化和冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端非平衡条件，使成型件具有优异的综合性能，但激光熔覆层为快速凝固组织，其弹性性能呈现明显的各向异性特征，导致超声波传播时出现偏转、聚焦、分离等复杂物理现象，即使有经验的检测人员也很难根据回波信号准确判断激光熔覆层的质量状况。另外，由于局部受热不均匀及熔覆层不同成分材料线胀系数的差异，激光熔覆层应力分[30-32]布也比较复杂。鉴于激光熔覆再制造零件的结构和应力情况不同于简单的各向同性或各向异性材料，因此这类再制造零件的缺陷、应力的超声检测评价还需要进一步深入研究。
对于采用超声检测技术检测激光熔覆再制造零件的缺陷，设计合[33]理的超声检测工艺非常关键，为此需要深入了解激光熔覆层的各向异性对声束传播行为的影响，掌握超声波声场与材料内部缺陷相互作用的规律。这些研究可以为合理设计超声检测工艺提供有益的帮助。由于通过实验手段无法了解超声波在激光熔覆层及基体材料中的传播过程，而数值模拟在模型“制作”、参数选取和变动及对模拟结果的数据处理方面，较之实物模型实验皆具有无比的灵活性和优越性，能[34-35]够突出实验中不易观察的某些细节。因此研究过程中采用数值模拟与实验相结合的方法，从超声传播理论入手，建立激光熔覆再制造零件缺陷超声检测系统数学模型，通过数值模拟探明缺陷检测的物理机制，同时利用数值模拟结果指导相应的实验研究，实现检测方法的优化。
数值模拟需要以成熟的理论为前提，目前，激光熔覆层应力分析理论还不是很成熟，所建立的理论分析模型往往只考虑了应力形成的[36]某一因素，如双层材料模型只考虑了再制造涂层与基体材料线胀[37-38系数差异造成的失配应力，增层模型]只考虑了再制造涂层沉积冷却过程中由于相变和状态的变化引起的应力。而激光熔覆层应力通常是由多种因素（如失配应力、相变应力、热应力等）引起的，现有的理论分析模型并不具有典型应用价值。因此本书结合超声传播及声弹理论分析影响检测结果可靠性的内在及外在因素，通过实验研究探索提高激光熔覆层应力超声检测可靠性的方法。
一门技术成熟或上升为科学最基本、最显著的标志是其进入了误[39]差很小的定量化阶段。超声检测的发展方向必然以定量化和提高检测可靠性为目标，因此采用超声检测技术对激光熔覆再制造零件的缺陷和应力进行检测与评价，可以为再制造产品质量的提升及生产过程的安全提供有力的保障，对再制造工程的产业化和建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
1.1 超声检测技术的应用领域
1.1.1 缺陷检测材料的缺陷总体来分有表层缺陷和内部缺陷，无论是表层缺陷还是内部缺陷都会给材料、结构带来严重的力学性能下降，因此缺陷的无损评价一直是无损检测领域重点研究的问题之一，超声检测技术是目前应用最为广泛、最为成熟的缺陷无损检测方法。目前的缺陷检测技术越来越好，但在缺陷评定与评价方面存在相当的不足，例如缺陷[40]的等级评定只重视大小、长度，不重视高度和深度；零件检测执[41]行中忽视经济效益，重工艺，轻评价。无损检测与评价是一个多领域、多层次的综合技术，每种技术都有特定的应用范围和优缺点，随着再制造工程的不断发展，包含涂层及基体的再制造零件缺陷评价也逐渐成为超声无损评价领域中的研究热点。研究表明，相比于轧制或锻造材料而言，这类零件超声波信号信噪比低，影响缺陷评价结果的因素较多，在现有的条件下，很难同时兼顾效率、安全、成本、质量等多方位要求，研究人员要做的就是不断丰富无损检测的理论与技术，将最新的技术应用于生产实际。
针对材料内部缺陷的无损评价，目前实验研究主要采用的是体波（纵波和横波）。采用最常用的脉冲反射法（体波）检测时，由于检[42]测仪阻塞时间和始脉冲宽度的影响，存在着检测盲区（盲区是指从探测面到能够发现缺陷的最小距离，表征系统的近距离分辨能力）。对于表层缺陷的检查，目前实验研究主要采用的是表面波（瑞利波）。由于表面波的能量集中于表面下2个波长之内，检查表层缺陷灵敏度极高。但是，要想同时检测出材料表层和内部缺陷，就需要更换检测探头（将表面波探头更换为纵波或横波探头），非常不方便。
针对上述问题，国内外很多学者提出了各自的解决方案，北京航[43]天材料及工艺研究所的吴时红、陈颖等人针对特种涂层内部缺陷的检测设计了涂层专用超声显微检测系统，该套系统的表面/亚表面[43]成像原理如图1-3所示，入射纵波以θ（瑞利波入射角）入射到样R[43]品表面激发出瑞利波。内部成像原理如图1-4所示，入射纵波在样品内部沿着与入射纵波对称的路径返回透镜。采用该系统对特种涂层的内部质量进行检测后的结果表明，该系统能检测出涂层内部的裂纹、气孔和涂层与基体脱粘等缺陷。采用超声瑞利波声透镜，可有效[44]检测出涂层表面及亚表面的缺陷。清华大学的姜宇、张华堂等人利用可调节聚焦深度的超声显微成像技术，将聚焦声束投射到物质表面或穿透到内部，从而实现对材料表层、亚表层和内部缺陷的检测。图1-3 表面/亚表面成像原理图1-4 内部成像原理
再制造零件内部小缺陷（如小裂纹）的发现对提高零部件的服役寿命非常重要，对于处于萌芽状态的表层小缺陷，及时采用表面工程技术进行修复可显著提高零部件的服役寿命。近年来，国内外已经有采用非线性检测方法检测微裂纹、微小缺陷及胶接层质量的报道[45-47]，利用超声波的非线性效应能够实现材料早期损伤的无损表征。非线性超声检测的原理为：超声波在传播过程中与材料微观结构（包含纤维增强层合板中的纤维基体，各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区）相互作用，并经过界面的多次反射与波形转换后被换能器接收，对接收到的波形信号进行分析，提取一个能反映材料力学性能的参量，称为应力波因子。美国RITEC RAM-5000 SNAP非线性高能超声测试系统是世界上第一套专门用于材料无损评估的非线性效应研究的超声测试系统，性能非常优越。1.1.2 应力检测
激光熔覆是再制造工程中常用的表面工程技术之一，实践表明，再制造涂层中的应力会显著影响再制造零件的性能。因此对激光熔覆层应力进行检测及评价就成为保证其质量的重要手段和方法。[48-49]
现有的应力检测方法主要有弯曲法、钻孔法、X射线衍射法、[50][51-52][53-55]中子衍射法、拉曼光谱法和云纹干涉法等。每种检测方法的检测原理、特点及使用范围都各不相同。
弯曲法的特点是不破坏原有涂层，但只能测量厚度方向上的平均[55]残余应力。英国剑桥大学的Tsui Y C、Doyle C和Clyne T W等人采用原位曲率检测法实现了对等离子喷涂层全过程应力的监测。钻孔法的特点是检测方法简单、可靠，缺点是由于要在被测零件上钻孔，会破坏零件的整体结构，另外，钻孔过程常常会引起材料的损伤和屈服，影响测量效果。清华大学工程力学系的戴福隆教授等人将云纹干涉法[56]与钻孔法相结合，在残余应力检测方面做了大量有效的工作。中子衍射法可以检测零件更大深度范围内的残余应力，但中子源的流强度较弱，需要的测量时间比较长，另外中子源的建造和运行费用昂贵，因此中子衍射法检测残余应力还未在实际中得到广泛应用。
超声波检测应力的方法是以声弹理论和非线性超声理论为基础建[57]立的。声弹理论的应用基于一系列假设条件的成立，例如物体具有连续性、均匀性，物体是超弹性的，声波的小扰动叠加在物体的有限变形上，变形过程等熵等。非线性超声应力检测是基于超声波在固体介质（应力作用下）中传播时表现出的非线性特性。非线性超声波[58]检测应力的研究还比较少。2009年，美国加州大学的Ivan B等人采用非线性超声导波对混凝土结构中预应力钢筋的应力进行了检测，发现某相邻绞线之间的接触应力与超声导波的非线性效应密切相关。[59]2010年，Liu M等人利用非线性瑞利波检测了喷丸处理过的铝合金表面残余应力，结果表明瑞利波非线性系数与应力大小呈线性比例关[60]系。2016年，北京理工大学的徐春广课题组对2024铝合金拉伸过程中表面波的非线性系数进行了测量，发现二阶与三阶非线性系数对拉伸应力具有不同的灵敏度，三阶非线性系数更为敏感。上述针对各向异性材料应力超声检测的研究，具有较强的新颖性和借鉴意义，但不容忽视的是，上述研究大多停留在实验观察的层面，缺乏深层次的理论分析。
国内外基于声弹理论检测应力的理论和实验研究较多。激光熔覆层通常为各向异性组织，并且在涂层制备过程中材料会发生弹塑性变形，完全与之符合的声弹理论有待进一步发展。美国、日本、英国的一些大学和科研机构从20世纪80年代开展了一系列相关的研究，并[61]且取得了一些有意义的成果。1981年，Johnson George C以Green的弹塑性连续介质模型为基础，推导了弹塑性条件下的声弹公式，由于公式中包括弹性应变、塑性应变、主拉伸率和强作硬化参数，通过弹塑性实验才能确定这些复杂参数的值，所以很难在实际中推广应[62]用；同年，Kenichi Okada在微各向异性材料的非线性弹性本构假设下，推导出弱正交各向异性材料的声弹公式；1983年，Johnson George C进一步发展了弹塑性条件下的声弹公式，显著的进步是声弹公式中不包含塑性应变，常数取恒定值，应力可以直接与速度关联；[63]1985年，Yih-Hsing Pao推导了具有初始应力、正交各向异性材料介质中的声弹公式。上述研究成果都是对弹塑性变形条件下，各向异性材料中声弹理论的有益探索，但这些研究成果大都只停留在理论推导的层面，距实际应用还很远。
鉴于声弹理论研究工程应用进展缓慢，相关的大学和科研机构更[64]多地开展了实验研究。1983年，King R B采用斜入射水平方向偏振剪切波（SH波）实现了微弱正交异性条件下平面应力状态的测定，此方法有效地分离了织构效应和应力效应。假设主应力与材料对称轴重合，平面应力状态下的声弹公式为
式中，SH为在面ij中传播的SH波声速；SH为两种波速的平均ij0值；c、c为材料的弹性常数；α（θ）为不同角度下的声弹常数；4455T、T为主应力。2211[65]
1984年，Thompson R B采用传播方向互相垂直的平面SH波分离织构效应和应力效应，提出的表达式为22
ρ（v-v）=σ-σ （1-2）ijjiiijj
式中，ρ为材料密度；v、v为在面ij中传播的SH波声速；σ、σijjiiijj为主应力。[66]
1984年，牛津大学的Allen D R、Sayers C M使用聚焦纵波与横波双折射相结合的方法分离组织影响，并在裂纹尖端残余应力测量[67]中进行了验证。1992年，Rokhlin S I提出了GAO技术，使用两种横波和一种纵波，在横波偏振角度和应力之间建立了关系。2001[68]年，Bray Don E等人用表面波评估了钢板中的表面应力。2002[69]年，法国机械工业技术中心使用临界折射纵波，考虑了热影响区和焊缝区组织效应对检测结果的影响，对对接平板焊接纵向残余应力进行了测量，结果与小孔法比较吻合很好。2008年，同济大学的李[70]勇攀、王寅观等人采用反射纵波法对钢轨中的残余应力进行了检[71]测。2015年，笔者所在的课题组使用瑞利波检测激光熔覆层表面应力，结合塑性变形理论分析了各向异性微观组织对检测结果的影响，提出了削弱组织效应影响，提高检测结果可靠性的方法，并通过实验进行了验证。上述研究极大地推动了各向异性材料应力超声检测技术的发展，具有较强的借鉴意义，但其探索分离组织效应的方法存在一定盲目性，没有将超声传播理论与材料的微观形貌相结合，深入分析组织效应影响应力检测结果的机理，在分离组织效应的同时做出令人信服的解释。
通常情况下金属材料的声弹效应很微弱，100MPa应力导致的速[72]度变化约为0.1%（铝）和0.01%（钢），因此，声弹效应表征参量的精确测量是超声应力检测技术的关键环节之一。随着科技的发展，声弹效应表征参量的检测精度逐步提高，这主要得益于两方面的改善：①提高了检测仪器的精度，例如基于压电超声换能器的脉冲干涉[73-74]法、脉冲叠加法、脉冲回波技术、连续波技术等；②采用了现代信号处理技术，如阈值法、互相关函数法、基于分数低阶协方差法[75-77]及互功率谱相位法等，提取表征声弹关系的特征参量（如声时差）。目前，非接触超声技术也得到发展，包括电磁超声技术、激光超声技术、超声显微镜技术和空气耦合超声技术，可以实现不接触测量，提高检测效率，避免了耦合状态引起的测量误差，测量重复性好。
利用超声波测量应力的主要途径有：利用声速与应力的关系；超声波振幅衰减程度与应力的关系；超声波非线性特性与应力之间的关系；瑞利波入射角与应力的关系；回波功率谱与应力之间的关系；应[78]力影响声束相互作用的情况等，其中声速与应力关系是当前研究的热点。由于激光熔覆层通常为各向异性材料，材料中的织构、夹杂物、缺陷必然会引起超声应力检测表征参量的某种波动，进而影响检测结果的准确性、可靠性。因此提高应力检测结果可靠性的首要问题就是明确向超声波在各向异性材料中的传播规律，找到定量检测应力大小的最佳声透信道。
相比于实验研究，数值模拟在模型“制作”、参数选取和变动及对模拟结果的数据处理方面，更为灵活和方便，能够突出实验中不易观察的某些细节。以声场分析和缺陷回波预测为研究目标的超声检测数值模拟技术近年来获得了迅速发展，其应用主要包括：①不同类型[79]缺陷散射及回波预测；②各向同性及各向异性材料中超声传播及[80-81][82]探头辐射声场分析；③超声成像模拟。针对各向异性材料应力的超声检测，尚未发现有其他学者采用数值模拟技术开展相关研究工作的报道。
目前提高超声应力检测结果可靠性研究目标的途径主要有三种：[83-84]①通过尝试性实验探索检测系统参数（温度、耦合方式、表面粗糙度等）对应力检测结果的影响规律，提出修正误差方法；②提高超声应力检测特征参量（如超声波速度、振幅等）的检测精度；③结合弹塑性变形理论、超声波传播理论推导有效分离或削弱各向异性材料组织效应的理论公式，并通过实验进行验证。通过尝试性实验探索误差修正方法时，由于缺乏理论支持，一旦检测对象和实验条件发生变化，又需要进行多次实验才能找到修正误差的方法。采用现代信号[85-88]处理技术可以在某种程度上提高应力检测结果的可靠性、准确性，但仍然局限于检测仪器许可的精度范围之内。针对超声应力检测技术中，各向异性材料组织效应的分离，目前国内学者提出的方法局限性较强。例如通过理论推导得到的公式比较复杂，难以在实际中推广应用。实验研究提出的方法，仅停留在实验观测水平，不具有普遍适用性。由于没有全面掌握各向异性材料中超声传播的细节信息，所以无法深入揭示组织效应影响应力检测结果的机理，从而找到分离组织效应的有效方法并做出令人信服的解释。更为重要的是上述几种方法均存在一定的盲目性，缺乏优化检测方法和提高检测结果可靠性的指导性、系统性方法。因此，有关各向异性材料应力超声检测的研究尚处于经验、模糊层面，相关的理论及实验研究有待进一步深化。1.1.3 涂层性能检测
随着无损检测方法的不断进步，无损检测也正朝着无损评价的方向发展。国内外很多学者进行了相关的研究工作，Lian D和Suga [89]Y等人利用超声反射波强度或超声波在涂层中的传播速度来评价界面结合强度，结果表明反射波强度越高，界面结合强度越低，建立了[90]超声波反射强度和界面强度之间的关系。Kawas和Cox R L等人研究了超声波在涂层中传播时的衰减，发现涂层组织结构、气孔率与衰[91]减系数之间有一定的相关性。Haines等人对铝表面喷涂的环氧树脂层进行了研究，借助反射系数谱得出了涂层中的声速、密度和衰减[92]系数。大连理工大学的林莉、李喜孟、赵扬采用强流脉冲离子束（High Intensity Pulsed Ion Beams，HIPIB）辐照方式获得了特性（孔隙率、微裂纹及致密度）不同的CrO陶瓷涂层，对原始试样和辐照23次数不同的试样，分别进行超声检测，试验结果表明，随着辐照次数的增加，声速越来越大，声速提高表明涂层弹性性能增强。涂层经辐照后孔隙及裂纹减少，涂层变得致密，同时其表面显微硬度提高。超声试验结果与理论分析一致，因此利用声速能够对HIPIB改性的CrO陶瓷涂层进行超声表征。23
再制造零件的涂层厚度不仅是表征涂层本身几何尺寸的一个参量，而且与涂层的使用寿命、涂层材料消耗及再制造的生产成本等问题直接相关，因而，对涂层厚度的无损测量就成为再制造涂层质量评价中至关重要的参数之一。由于超声检测技术在测量涂层厚度中的优势，国内外很多研究人员采用该项技术进行了涂层厚度的检测。意大[39]利的Lakestain Fereydoun等人利用表面波法测量了等离子喷涂金[93]属涂层的厚度。Moreno Eduardo Acevedo Pedro等人利用兰姆波法实现了复合材料表面薄层的厚度测量。目前涂层厚度的超声测量方法大体上可分为脉冲反射法、共振法、干涉法三种。三种方法在涂层测厚中都有各自的局限性，如脉冲反射法不适合测量比较薄且界面不规则的涂层厚度，因为这种情况下，超声波在涂层内发生多重反射，基体/涂层界面产生的回波相互干涉叠加，难以从接收的回波信号中分离出涂层界面回波信号；共振法不适合测量涂层厚度变化超过20%或声波半波长的情况；超声干涉法可以用来检测薄涂层厚度，但由于基体及涂覆层种类繁多，基体与薄涂层之间的性质可能彼此接近，也可能相差悬殊，某些情况下会导致干涉信号幅度变化过小、反射系数谱极值位置难以判断，从而造成薄层厚度测量误差偏大。
随着计算机、数字信号处理技术及人工智能的发展，采用数字信号处理与人工智能结合的方法测量涂层厚度在实际应用中越来越普[94]及。大连理工大学的徐志辉、林莉等人为了解决脉冲反射法测量薄涂层厚度时，表面涂层介质中不同界面的超声回波相互叠加，无法直接读取对应界面回波的时间延迟这一问题，他们通过对混叠信号干涉规律的分析，利用归一化功率谱分析技术实现了对镍基高温合金基体上ZrO涂层的厚度测试，并通过金相分析验证了该方法的有效2[95]性；北京工业大学的杜晶晶、李晓延等人选用Mexh小波对采集到的超声波回波信号进行连续小波变换，对热喷涂涂层厚度进行了测量，并通过试验验证了理论结果。采用上述这些信号处理方法虽然可以解决涂层厚度测量中的许多问题，但也有许多问题需要进一步探索，例如小波变换虽然具有对信号的自适应处理及良好的时频分析能力，特别适用于非平稳信号（超声波）的检测，但目前对小波基的选择还没有严格的准则和成熟的方法，只是依靠经验来选取，而不同的小波基选取会极大地影响超声波信号分析的结果。因此，提高小波函数的理论水平并拓展其在超声检测中的应用将是需要进一步探索、研究的问题。
1.2 超声检测技术的研究现状
1.2.1 超声检测数值模拟方法目前超声检测模拟和仿真主要应用和发展三种方法：解析法、数值法和半解析法。解析法包括角谱法（Angular Spectrum Method，ASM）、多元高斯声束叠加法（Multi-Gaussian Beam Method）和射线追踪法（Ray Tracing Method），其特点是计算速度快，但不适用于太复杂的情况，引入假设简化后计算精度会大大降低；数值法包括有限差分法（Finite Difference Method，FDM）、有限元法（Finite Element Meth-od，FEM）、边界元法（Boundary Element Method，BEM）、弹性动力学有限积分技术（Elastodynamic Finite Integration Technique，EFIT），这四种方法各有特色，其特点是能够处理复杂问题，计算结果精确，但计算量大、速度慢；半解析法主要包括瑞利积分、离散点源法（Distributed Point Source Method，DPSM）、几何衍射理论（Geometrical Theory of Diffraction，GTD）、基尔霍夫近似理论等，半解析法是一种在计算过程中采用部分解析解或解析函数的数值方法，该方法在保证计算精度的同时提高了计算速度。目前超声检测仿真和模拟主要集中于声场传播的计算及缺陷与超声波的相互作用两个领域。[96]
角谱法的基本思路是将探头发射的波分解成无数个平面波，分别计算每个平面波在介质中的传播和衰减，然后基于一定的加权函数将所有平面波叠加起来模拟声场的传播。该方法可处理较复杂的各向异性介质中的声场分布，但处理过程中可能需要用到数值法求解。建立在近轴近似理论基础上的高斯声束模型计算速度快，可以有效模拟复杂形状和复杂材料中声场的传播，但要注意该方法适用的场合是[97]满足近轴近似理论的远场及外半场范围。Schmerr Lester W采用多元高斯声束模型模拟了平面探头或聚焦探头以任意角度辐射或穿过曲[98]线固液界面时在超声传播区域产生的有效声束。Song Sung-jin的模拟结果表明，当高斯声束在界面上传播时，由于入射角的关系，可能会导致不满足近轴近似条件，从而产生较大的计算误差。射线追踪法通过计算声线在介质中的传播路径及振幅衰减，给出声线在介质中的传播状态。了解声线在工件中的传播路径对于检测工艺的设计和检[99]测能力的验证非常有帮助。Ye Jing采用声线模型模拟了非均匀各向异性焊缝中声线的传播状态，但该方法无法给出场强分布图，所以不适用于声场的定量计算。[100]
有限元法的理论基础是分割原理和能量原理，有限元法对不同类型问题的适应能力优于其他方法，不仅能模拟复杂介质和结构中的声场分布，而且能精确地描述模型结构上任意点的位移波形，缺点是有限元法计算量大，通常将计算区域限定在一定范围内，需要处理比较复杂的人工边界问题。近30年来，国内外很多学者对人工边界条件进行了广泛而深入的研究，基于各种思想提出了许多人工边界条[101-104]件，大致可分为全局和局部人工边界条件，后者由于其时空[105]解耦特性和广泛适用性，受到研究者的重视。Dattad D等利用二维有限元法建模并引入吸收边界条件模拟了超声波在各向同性及正交各向异性的介质中传播时，遇到内部缺陷发生散射的过程，数值结果与实验吻合较好，揭示了声波在缺陷附近所发生的反射、折射、模式[106]转换等复杂现象。Hassan Waled等采用引入黏弹性人工边界条件的三维有限元模型，模拟了瑞利波与表层缺陷相互作用产生的反射波的波形特征，研究结果表明，当缺陷深度与超声波波长比值小于0.3时，理论值、数值模拟结果和实验结果三者有很好的一致性；当比值大于0.3时，理论不再适用。文献[107]采用引入应力人工边界条件的二维有限元模型，模拟了各向同性45钢介质中气孔、裂纹、夹杂物缺陷的散射声场特征，结果表明，虽然三种缺陷的散射声场特征明显不同，但探头接收到的A扫描信号波形差别很小，因此通过A扫描信号判别缺陷类型存在一定困难。
有限差分法在网格尺寸和缺陷边界处理上和有限元法基本相同，不同之处在于有限差分法采用的是标准四边形网格，处理规则边界时非常有效，而有限元法能够采用四边形或三角形等多种网格形式，处理非规则边界比较方便。采用差分法计算时，当相邻两介质声阻抗突[108]变时，差分计算会变得不稳定，徐娜、李洋等人提出将界面两边介质的声学参数进行平均的方法有效解决了这个问题。魏东、周正干[109]采用有限差分法分析了固液耦合情况下各向异性固体介质中超声波的传播特性，通过完全匹配层方法对截断边界的吸收处理，取得了与光弹法物理实验相一致的结果，因此研究脉冲超声波传播过程对实际超声检测的信号分析具有重要的借鉴意义。
边界元法是以积分方程为基础，结合有限元的离散技术而发展起来的一种数值方法。其优势在于只对边界进行离散，减少了计算量；并且计算误差只是来自于离散的边界，减少了误差的来源；采用加权余量法得到积分方程，使得误差合理分配，避免了寻找泛函的麻烦。边界元法的主要缺点是它的应用范围以存在相应微分算子的基本解为[110]前提，对于非均匀介质等问题难以应用。Zhao George采用边界元法结合垂直模式扩展技术研究了超声导波经过各向同性介质表面及内部缺陷时的散射过程。事实上，要借助于声波信号的幅值与相位信息对缺陷进行定量评价还有待理论研究上的突破。Cho Younho和[111-112]Rose Joseph L利用混合边界元法模拟了不同频率和模态的Lamb波在经过曲率不同的弧形表层缺陷时发生的散射声场，为利用超声波特征进行表层缺陷类型识别提供了必要的理论参考与丰富的数据储备。
弹性动力学有限积分技术是德国学者首先提出的一种主要用于模拟非均质介质超声检测的数值计算方法。弹性动力学有限积分技术在计算非均质材料时有明显的优越性。然而，非均质材料，特别是缺陷处的网格划分必须要保证各个网格的应力应变是连续的，交错网格的划分必须满足弹性动力学有限积分技术方法的稳定性和收敛条件。这在一定程度上限制了该方法的应用。Han T、Y Kohler B和Schmitz [113]V等人将声线跟踪法和弹性动力学有限积分技术相结合，模拟了含晶间应力腐蚀裂纹的厚壁奥氏体焊缝的超声检测，其结果显示，超声波在奥氏体焊缝中会沿金属结晶方向发生偏转，并在焊缝边界上发生散射，因此声线跟踪法和弹性动力学有限积分技术结合应用，有助于超声检测参数的选取。
半解析法在保证计算精度的前提下，提高了计算速度，因此已经[114]成为超声检测模拟仿真的主流方法。Gengembre N采用瑞利积分结合pencil法建立了声场计算模型，可模拟任意探头（聚焦探头、双晶探头、相控阵探头等）发射声场在任意复杂界面处的反射和折射，[115]以及在任意介质中的传播。Lhemery Alain基于基尔霍夫近似理论建立了裂纹回波模型，用于处理各种体积型类缺陷（不含夹渣）和裂纹类缺陷，由于基尔霍夫近似忽略了二次衍射项，因此不能计算裂纹尖端衍射产生的沿裂纹表面传播的瑞利波。Chapman R K和Pearce J [116]E基于GTD理论建立了边缘回波模型作为裂纹回波模型的补充，用于处理裂纹尖端的衍射。基尔霍夫及GTD缺陷回波模型都是基于高频近似，适用于处理尺寸较大的体积型和面积型缺陷，对于尺寸较小的夹渣，以上两种方法处理误差较大，因此引入基于低频近似的波恩[117]近似理论，声场与缺陷相互作用模型可以准确模拟夹渣类缺陷回波。另外，半解析法已经被成功应用于许多商业超声检测仿真软件（如CIVA、simSUNDT、Vitual NDE、UTSIM等）。
总结国内外研究现状可知，基于超声传播理论的超声检测声场分析，与缺陷检测模拟仿真具有理论和工程应用意义。通过对现代工业广泛应用的各向异性材料和复杂结构零部件进行超声检测模拟研究，可提高检测的精度，拓宽超声检测应用范围；开发超声检测模拟仿真商业应用软件，可提高实际检测方法的实用性和可靠性，实现检测工艺的优化。现代超声检测技术已经成为信息技术的一部分，虚拟现实技术的引入将会使超声仿真软件发展到一个更高的层次，各种三维场景的出现将会使检测结果的分析更为直接、便捷。1.2.2 超声检测信号处理技术
在超声检测中，无论是探测材料表层及内部缺陷，还是对材料组织结构进行表征和应力评价，超声波回波信号都非常重要。一方面，超声波回波信号中携带了大量与被测对象特性有关的丰富信息；另一方面，超声波回波信号会受到仪器、探头、耦合、被测材料等多方面因素的影响，因此，如何最大限度地剔除这些不利因素的影响，获取与被测对象特性有关的有用信息，就成为超声检测技术的关键环节之一。传统的超声检测技术主要基于超声传播时间和回波幅度分析来获得介质特性的有关信息，由于仅仅利用了波形所包含的大量信息中的一小部分，因此不但大大限制了超声检测技术的应用范围，而且导致检测结果可靠性不高，且存在一定的主观性。因此，近年来超声检测信号的处理方法已成为研究热点。
从信号处理分析域角度来看，当前用于超声波信号处理的不单是时域分析，还有频域分析以及时频分析。已经使用和正在研究的信号处理方法主要有空间平均、自适应滤波、Gabor变换和小波分析、频谱分析、裂谱分析等。
空间平均是早期时域信号处理方法，超声检测过程中，通过小幅度随机移动探头（探头移动距离与晶粒尺寸相当），使得来源于仪器电路、模数转换过程等外部检测条件和环境的散射信号产生随机变化，而缺陷信号基本不变，将多次测量的信号相加取平均值，能够有效剔除散射信号的影响，提高信噪比。由于这种检测方法要取多次测量的平均值（次数越多，效果越好），所以效率比较低，而且还会引起信号失真。[118]
自适应滤波是一种特殊的有限冲击响应Wiener滤波，利用前一时刻获得的滤波结果，自动调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声的未知特性，从而实现最优滤波。最优的准则：最小均方误差准则（Minimum Mean Square Error，MMSE），即使误差的均方值最小；最小二乘准则（Least Square Error，LSE），即使误差的平方和最小。实践表明，这种方法无法检测出小缺陷，而且对粗晶材料超声信号处理效果一般。
频谱分析技术是在频率域内揭示及分析信号或系统特性的一种技术方法。自1960年Gericke将基于傅里叶变换原理的频谱分析技术用于探测材料内部的不连续性以来，超声频谱分析在材料的超声检测与评价中获得了广泛应用，不但能够提供有关缺陷取向、表面粗糙度、内含物等用传统的波形分析难以获得的缺陷信息，而且对材料组织结构、性能以及粘结质量等的检测、表征和评价成为可能。因此，基于频谱分析方法的信号处理技术已经成为现代超声检测技术的重要组成部分。国内外很多学者进行了这方面的研究，并取得了许多研究成果。[119]如Gericke O R采用高阻尼的钛酸钡探头，对含有3.2mm（1/8in）和0.8mm（1/32in）圆柱形孔的铝试样进行了一系列超声波实验，时域波形和频域波形如图1-5所示。可以看出两种试样对应的时域波形几乎相同，但是在5～14MHz范围内进行频谱分析得到的结果却有明显差别，由此可见，频谱分析技术对于区分缺陷尺寸具有重要作用。Anders From和Sandstrom将基于频谱分析技术的现代图像处理方法用于钢种带状组织的无损评价。图1-5 铝试样上不同直径圆柱孔的超声波时域信号波形和频谱图a）3.2mm（1/8in） b）0.8mm（1/32in）
尽管频谱分析技术在超声检测领域已经得到了广泛应用，但现有的商业化仪器或系统仍然采用的是传统的时域信号处理方法，因此，只有将频谱分析信号处理功能以软件或硬件实现，并将其用于商业化仪器和系统设计中，频谱分析技术的研究成果才能更好地推广和普及。[120-121]
时频分析是局部化信号分析技术的总称，时频分析方法主要包括窗口傅里叶变换（Gabor变换）、小波变换、Wigner-Ville分布、希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）。时间和频率是描述信号的两个最重要的物理量，时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系，能够揭示出更丰富的信号内涵。[122]
美国的Malik M A博士通过对超声信号多种时频分布效果的对比得出小波分析是适合于超声时频表达的最佳时频分析方法。Malik M A博士的研究工作是以最佳的时频分析方法来表达超声信号，1998年，Malik M A提出基于时频集中函数的超声信号窗口傅里叶变换时频表达的参数优化方案，他的工作没有涉及如何从超声时频图像中提取特定信息的方法研究。与傅里叶变换相比，小波变换是时间（空间）频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，因此，小波变换在超声检测领域得到了广泛应用。目前，超声检测领域应用的小波变换分为离散小波变换和连续小波变换，其变换的基本思想都是通过在信号的小波分解系数上作用阈值算子，将大部分噪声及接近噪声强度的小波系数均视为零而舍去，使信号中隐含的能量集中反映在少数几个振幅较大的小波系数上。在此过程中，要做到既去除大部分噪声，又不会引起重建信号的明显失真，关键在于阈值的选择与量化。因此，很多学者提出了多种理论和经验阈值模型，例如Heursure阈值、Minmax阈值、Sqtwolog阈值、[123]Donoho阈值等。2002年，西班牙学者Lazaro J C等人对3种阈值（Universal，Minmax，Sure）在超声连续小波分析中的应用进行了研究。
超声检测信号中的噪声可分声学噪声和非声学噪声两大类。声学噪声来源于介质内部不同阻抗（如晶粒）界面上的反射、折射和散射，反映的是介质的微观结构。非声学噪声主要包括电子电路噪声、脉冲噪声等，来源于仪器电路、模数转换过程等外部检测条件和环境。两类噪声之间有本质区别，分析和处理方式也不同。非声学噪声是白噪声，与缺陷回波信号不相关，在整个观测时域内服从均值为0的高斯分布，采用小波变换能够实现缺陷信号与非声学噪声的近似最优分离[124-126][127]。Karpur P、Shankar P M、Rose J L等的研究表明，声学噪声在部分时间区间上与缺陷回波信号是相关的，采用常用的信号处理方法（如小波变换、信号平均技术、滤波技术等）去噪效果不是很理想。因此，如何有效去除此类噪声，成为近年来超声检测信号处理的难点和热点。
为了有效去除超声检测信号中的各类噪声（非声学噪声和声学噪声），提高对材料中各类缺陷，尤其是小缺陷的检出率，清华大学的[128]张秀峰博士提出了基于匹配追踪的超声时频图像信息提取方法并通过对典型粗晶材料的检测实验证明，这种方法能够有效去除超声检测信号中的晶粒散射信号（声学噪声），能达到对0.6mm晶粒平均直径的粗奥氏体不锈钢中0.8mm平底孔和0.5mm横孔的超声检出能力。[129]同济大学声学研究所的刘镇清等人采用维格纳（Wigner）变换提取信号的特征，结合人工神经网络识别超声检测信号，并通过实验验[130]证了该方法的有效性。西安交通大学的陈岳军、史耀武采用小波变换模极大值方法提高信噪比，利用此算法对粗晶奥氏体不锈钢的超声检测信号进行分析，效果良好。
综合上述超声信号的时频分析方法可知，目前，提取超声检测信号中有用信息的方法主要有两种：模式识别和降低噪声（增强缺陷回波）。模式识别一般要结合人工神经网络技术，该方法的准确性和可靠性取决于预先检测信号的样本数，因此局限性显而易见；降低噪声一般采用小波变换方法，但目前小波函数的理论水平有待进一步提高，例如目前对小波基的选取还没有严格的准则和适宜的方法，而不同小波基的选取会对超声信号分析结果产生很大的影响。因此，如何解决上述问题，需要今后进一步探索和分析。1.2.3 超声检测仪器的研发
纵观国内外，超声检测的相关理论和方法及应用基础性研究正在不断深入，新型的超声检测仪器及检测技术也随之出现，超声检测仪器正朝着数字化、智能化、图像化、小型化和多功能方向发展。超声成像是一种令人瞻目的新技术，超声图像可以提供直观和大量信息，反映材料的力学和声学性质，如超声波C扫描成像仪、超声波P扫描[131-133]成像仪、超声相控阵仪等。普通单晶探头对处在不利位置或[134]远离声束轴线位置的缺陷容易漏检。相控阵技术通过改变探头中按一定方式排列的晶片的激发时间，实现声束的偏转和聚焦（见图1-6），这样可以在不移动探头或尽量少移动探头的情况下，扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域。图1-7所示为发动机曲轴的结构示意图，曲轴内部结构较复杂，并且曲轴连杆轴颈处存在R角（曲轴断裂的危险区域），采用相控阵技术，用0～40°范围的声束对其进行扇形扫查检测，即可保证曲轴失效的危险区域被声束扫查到（见图[135]1-8）。激光超声是利用激光来激发和检测超声的一种新技术，与传统的压电换能器相比，激光超声技术具有非接触、激发源高保真及点源/点接收等优点，因此非常适用于常规压电检测技术难以检测的薄膜、复合材料及材料的高温特性研究等方面的研究。法国的Rosa [136]G利用激光超声检测技术分析了氧化物涂层与金属基体的结合强度。英国的Hoyes J B、Shan Q等人利用波长为1.6μm的Q开关Nd：YAG激光器作为激光光源（功率2MW、脉宽2ns）在样品表面产生超声波，用共焦的法布里-珀罗标准具接收，对铝板中的人工缺陷进行了检测，得到了令人满意的缺陷图像。相比于传统的超声检测方法，这些检测方法优点很明显，但由于设备比较昂贵，使用条件受限制等原因，使得这些检测方法的推广和普及受到一定程度的限制。因此，通过分析激光熔覆再制造零件自身及外部影响因素，采用常规超声检测技术，实现表层及内部缺陷的无损评价尚需进一步深入研究。图1-6 相控阵的延迟法则所产生的声束偏转和聚焦图1-7 发动机曲轴结构示意图图1-8 相控阵扇形扫查示意图
综上所述，随着超声检测相关理论及方法研究的不断深入，新型的超声检测仪器及检测技术不断出现，该项技术的应用必将进一步推广，但针对包含再制造涂层及基体材料的超声无损评价研究仍处于初级阶段，尚有许多问题亟待解决或完善。
1）超声检测缺陷类型的判定。目前采用的方法（如波形判断法、相位分析法、动态回波法、底波高波损失法）主要是以A扫描信号时域波形的细微差别为依据。这种判定方法很大程度上依赖于检测人员的经验，技术水平，以及对特定产品的特性、制造工艺的了解程度，其局限性显而易见。通过超声成像获得缺陷的几何轮廓形状能够实现对缺陷类型判定，但全局超声扫描和数据合成过程耗时较长，无法满足对实时性要求高的在线检测需要。非成像式超声检测缺陷类型判定方法实时性较高，但准确性和可推广性有待进一步提高。对再制造零件进行超声检测时，缺陷类型判定不准确，会将一些具有危险性缺陷（如扩展性裂纹）的产品判定为合格品，直接威胁再制造产品的使用安全。因此，提高非成像式超声检测缺陷类型判定方法的准确性和可推广性非常必要。这种缺陷识别方法通过提取超声检测回波信号的特征参数，分析特征参数与缺陷之间的对应关系判别缺陷类型。因此，建立超声检测数学模型，模拟超声检测过程中材料内部不同类型缺陷的散射声场，探索超声波声场与缺陷相互作用的规律，分析探头接收到的缺陷回波信号与缺陷之间的对应关系是解决问题的关键。
2）各向异性材料超声检测数值模拟。实践表明，激光熔覆层在具备优良性能的同时，其弹性性能呈现出声学各向异性，使得超声波在传播过程中出现偏转、分离和聚焦等复杂物理现象，为声学检测带来困难，因此如何检测和评价这类材料成为声学检测领域研究的难点和热点问题。数值模拟是研究各向异性介质中超声波声场特征和传播规律的有效手段，目前超声检测数值模拟大多是针对各向同性材料的，对于各向异性激光熔覆材料的数值模拟还鲜有报道，因此建立激光熔覆再制造零件超声检测系统数学模型，通过数值模拟深入研究此类材料中超声波的传播规律和声场特征，可以为激光熔覆再制造零件的超声无损评价提供重要的理论依据和丰富的数据储备，为实际检测工艺方案的制定提供有益的参考。
3）各向异性材料应力的超声检测。在材料应力的检测与评价方面，超声波具有快速、安全、非破坏性等优势，目前主要应用在声弹效应明显材料（如铝及其合金、航空透明玻璃等）的应力评价中。激光熔覆层组织具有明显的各向异性特征，超声波传播过程中的影响因素（如组织形态、工艺参数等）较多，如何提高此类材料应力检测的可靠性非常关键。目前的研究方法主要有两种，第一，结合弹塑性变形理论，推导适用于各向异性材料的声弹公式；第二，采用特定的波形（如SH波）或两种以上波形组合，通过实验建立能够分离或削弱组织效应的声弹公式。虽然采用上述方法取得了一些研究成果，但不足之处也非常明显，例如理论推导得到的声弹公式大多包含弹性应变、塑性应变、强作硬化等复杂参数，这些参数的测定比较困难，因而难以在实际中推广应用。采用特定的波形或不同类型波形组合，需要研制专用的超声换能器，检测步骤较为繁琐。因此如何实现激光熔覆材料应力的无损、快捷、精确检测尚需进一步探索、研究。
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