[發明專利]一種基于激光超聲的工件表面殘余應力測量裝置及其方法

在審

• 申請號: 201810141331.5
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108168747A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 居冰峰;薛茂盛;王傳勇;孫安玉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25;G01L5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種基于激光超聲的工件表面殘余應力測量裝置及其方法。其步驟為：1)將待測的工件放置于振鏡下方，將壓電傳感器放置于工件表面并連接至示波器；2)利用脈沖激光通過振鏡聚焦后在工件表面激勵出表面波，再通過壓電傳感器獲得表面波信號R₁，繼而得到表面波到達時間t₁；3)通過振鏡掃描使脈沖激光縱向移動，重復步驟2)，獲得表面波信號，繼而得到表面波到達時間；4)通過計算獲得工件在縱向移動直線上的表面波速度分布；5)將壓電傳感器沿工件表面橫向移動，每次橫向移動后重復步驟2)～4)，得到工件表面不同縱向移動直線上的表面波速度分布；6)根據聲彈性理論和表面波速度分布，計算出工件的表面殘余應力分布。本發明能實現快速無損檢測工件表面殘余應力。

技術領域

本發明涉及無損檢測領域，特別是涉及一種基于激光超聲的工件表面殘余應力測量裝置及其方法。

背景技術

當今，金屬合金、陶瓷等多種材料加工成的零部件在航天航空、國防軍工等重要領域廣泛應用。為保證這些零部件的強度和可靠性，對其進行質量檢測并開發測量設備尤為重要，是當前研究的重難點。工件在制造過程中由于加工工藝、焊接和熱處理等都容易產生殘余應力。殘余應力是由于產生不均勻的塑性變形致使材料內部依然存在并且保持平衡的彈性應力，殘余應力的存在不僅會降低工件的抗腐蝕能力，而且會導致工件在制造和使用過程中產生變形和開裂。因此對工件在加工制造、成品服役中產生的殘余應力精確測量并根據殘余應力大小采取相應措施，對保障機械產品的使用安全和使用壽命具有重要意義。

殘余應力檢測方法可分為機械檢測法和物理檢測法。機械檢測法常見的方法包括小孔法、鋸切法和環芯法等，會對材料造成損傷，不能實時檢測成品零部件和服役狀態下工件的殘余應力。物理檢測法又稱為無損檢測法，包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法、磁性法和渦流法等。上述X射線衍射法、中子衍射法對材料表面質量、晶粒大小要求較高，輻射對人體具有安全隱患，檢測設備復雜昂貴；磁性法只適用于鐵磁材料，目前定量校準和殘余應力量化檢測困難；磁性法只能檢測導電導磁材料，適用范圍窄，受外界環境影響較大，檢測精度較低；傳統的超聲波法空間分辨率較低，檢測速度較慢。

激光超聲是近年來超聲檢測的重要分支之一，具有非接觸、高的時間和空間分辨率、寬頻帶、易實現高精度測量等優勢。與傳統的應力測量方法相比，克服了適用范圍窄、損傷工件、檢測速度慢、設備復雜昂貴等缺點，激光超聲技術可實現于工件殘余應力的快速無損檢測，便于工業應用。由于材料的應力造成聲速變化屬于弱效應，100MPa的應力變化對應的聲速變化大約只有0.1％，傳播的聲時差變化僅為納秒級，因此需要對波速變化精密測量。

發明內容

本發明的目的是克服傳統應力測量方法適用范圍窄、損傷工件、檢測速度慢、設備復雜昂貴等缺點，提供一種基于激光超聲的工件表面殘余應力測量裝置及其方法。其具體方案如下：

一種基于激光超聲的工件表面殘余應力測量方法，其包括以下步驟：

1)將待測的工件(4)放置于振鏡(3)下方，將壓電傳感器(5)放置于工件(4)表面并連接至示波器(6)；

2)利用脈沖激光器(2)產生的脈沖激光，通過振鏡(3)聚焦成點源激光(7)照射在工件(4)表面并激勵出表面波，再通過壓電傳感器(5)獲得表面波信號R₁，繼而得到從產生脈沖激光到表面波被壓電傳感器(5)接收所需的時間t₁；

3)通過振鏡(3)掃描使脈沖激光聚焦后的點源激光(7)逐步在工件(4)表面縱向移動，每次移動距離為d，在每次縱向移動后重復步驟2)，獲得表面波信號，繼而分別得到不同位置點源激光(7)下，從產生脈沖激光到表面波被壓電傳感器(5)接收所需的時間；

4)根據步驟2)和3)中得到的時間數據，通過計算獲得工件(4)在縱向移動直線上不同位置點源激光(7)之間的表面波速度分布；