[發明專利]基于激光散斑技術的焊接接頭應力集中測試的裝置及應力集中測試方法

無效

• 申請號: 201310213078.7
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN103278272A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 劉雪松;潘海博;閆忠杰;尚哲;王帥麗;王強;李書奇;王為;董志波;方洪淵
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及材料學、光學和力學交叉領域，具體涉及基于激光散斑技術的焊接接頭應力集中測試的裝置及應力集中測試方法。

背景技術

激光散斑干涉技術，又稱為電子散斑干涉技術，是一種基于光學的、全場的、非接觸的無損測量與檢測技術。當一束相干光照射在平整粗糙的反光表面時，漫反射的光波相互疊加，就會形成明暗相間的斑點狀的分布狀態，也就是散斑場。散斑場記錄著物體表面的幾何信息，利用適當的光路和圖像處理技術，可對表面位移、應變、粗糙度、三維形貌等進行測量與檢測。

焊接接頭由于焊縫余高的存在，造成截面尺寸不均勻，因而在焊趾位置易產生應力集中，造成接頭承載能力下降，疲勞強度和疲勞壽命大幅降低。所述的焊趾是指在焊縫邊緣的位置。而目前常用的應力集中測量手段是電測法，就是在應力集中位置區域和遠離應力集中位置的應力分布相對均勻的區域分別張貼電阻應變片，在電阻應變儀上分別讀取應變信息，通過外插法來計算出應力集中系數。這種方法所測量結果的精度受到應變片張貼質量、電阻應變儀輸入電壓的穩定性、被測環境電磁干擾的強弱等多種因素的影響，只能通過對有限個被測點進行逐點測量的結果，來推算出應力集中位置的應力峰值。而且，由于該方法獲得的是應變片敏感柵對應區域的平均應變值，受到敏感柵尺寸的限制，在高梯度應變場的情況下的測量誤差較大。

由于激光散斑干涉測量技術是一種全場的測量技術，可對微米級的小位移進行高精度的測量，將這項技術用于應力集中測量之中并開發出相應的裝置，就會解決電測法測量應力應變的問題和困難。但是，現有的激光散斑方法，需要采用分束鏡、反光鏡等光學鏡片搭建空間光路，需要專門的隔震平臺來布置所需的光學元件，不僅調節光路的過程繁瑣復雜，而且靈活性差，僅能用于實驗室測量分析，無法對尺寸龐大、空間形狀復雜的實際構件進行現場測量。

發明內容

本發明為了解決現有的激光散斑技術存調節光路的過程繁瑣復雜，而且靈活性差，僅能用于實驗室測量分析，無法對尺寸龐大、空間形狀復雜的實際構件進行現場測量的問題。從而提出了基于激光散斑技術的焊接接頭應力集中測試的裝置及應力集中測試方法。

基于激光散斑技術的焊接接頭應力集中測試的裝置包括數字CCD相機、兩個準直擴束鏡、單模激光器、光纖耦合器、光纖分束器和計算機，

所述單模激光器發射的激光通過光纖耦合器耦合后，經光纖送至光纖分束器，光纖分束器將一束激光分成兩束激光，并將所述兩束激光分別經光纖送至兩個準直擴束鏡，

兩個準直擴束鏡發射的兩束準直平行激光光束照射在被測試件表面的焊接接頭區域形成散斑場，所述的兩束準直平行激光光束位于被測表面法線兩側并與法線的夾角相同，且兩束準直平行激光光束的軸線位于同一平面內，所述的兩束準直平行激光光束互為物光和參考光，兩個準直擴束鏡的鏡頭與被測試件表面的距離相等；

數字CCD相機用于拍攝被測試件表面的散斑場，數字CCD相機的數據輸出端與計算機的數據輸入端連接。

數字CCD相機采用130萬像素的工業相機，且該相機的鏡頭為顯微放大鏡頭。

單模激光器是單模氦氖激光器。

光纖分束器是一分二保偏分束器。

應力集中測試方法為：

步驟一、兩個準直擴束鏡發射的兩束準直平行激光光束l1和l2照射在被測試件表面的焊接接頭區域形成散斑場I1，

步驟二、通過數字CCD相機采集被測試件表面的散斑場I1，并將該散斑場I1發送至計算機；

步驟三、對被測試件施加一個載荷，使得被測試件表面產生彈性變形，被測試件表面的散斑場發生變化；

步驟四、通過數字CCD相機采集被測試件表面的散斑場I2，并將該散斑場I2發送至計算機；

步驟五、計算機對加載前后的散斑場I1和散斑場I2進行差幀處理，獲得反映被測試件表面變形分布狀態的條紋圖，通過對比條紋圖的條紋密集位置和條紋均勻分布位置的條紋疏密程度的變化量，獲得應力集中大小及位置的信息。

步驟一所述的散斑場I1的光學函數為：