CN108168747A - 一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法。其步骤为：1)将待测的工件放置于振镜下方，将压电传感器放置于工件表面并连接至示波器；2)利用脉冲激光通过振镜聚焦后在工件表面激励出表面波，再通过压电传感器获得表面波信号R₁，继而得到表面波到达时间t₁；3)通过振镜扫描使脉冲激光纵向移动，重复步骤2)，获得表面波信号，继而得到表面波到达时间；4)通过计算获得工件在纵向移动直线上的表面波速度分布；5)将压电传感器沿工件表面横向移动，每次横向移动后重复步骤2)～4)，得到工件表面不同纵向移动直线上的表面波速度分布；6)根据声弹性理论和表面波速度分布，计算出工件的表面残余应力分布。本发明能实现快速无损检测工件表面残余应力。

Description

一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别是涉及一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法。

背景技术

当今，金属合金、陶瓷等多种材料加工成的零部件在航天航空、国防军工等重要领域广泛应用。为保证这些零部件的强度和可靠性，对其进行质量检测并开发测量设备尤为重要，是当前研究的重难点。工件在制造过程中由于加工工艺、焊接和热处理等都容易产生残余应力。残余应力是由于产生不均匀的塑性变形致使材料内部依然存在并且保持平衡的弹性应力，残余应力的存在不仅会降低工件的抗腐蚀能力，而且会导致工件在制造和使用过程中产生变形和开裂。因此对工件在加工制造、成品服役中产生的残余应力精确测量并根据残余应力大小采取相应措施，对保障机械产品的使用安全和使用寿命具有重要意义。

残余应力检测方法可分为机械检测法和物理检测法。机械检测法常见的方法包括小孔法、锯切法和环芯法等，会对材料造成损伤，不能实时检测成品零部件和服役状态下工件的残余应力。物理检测法又称为无损检测法，包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法、磁性法和涡流法等。上述X射线衍射法、中子衍射法对材料表面质量、晶粒大小要求较高，辐射对人体具有安全隐患，检测设备复杂昂贵；磁性法只适用于铁磁材料，目前定量校准和残余应力量化检测困难；磁性法只能检测导电导磁材料，适用范围窄，受外界环境影响较大，检测精度较低；传统的超声波法空间分辨率较低，检测速度较慢。

激光超声是近年来超声检测的重要分支之一，具有非接触、高的时间和空间分辨率、宽频带、易实现高精度测量等优势。与传统的应力测量方法相比，克服了适用范围窄、损伤工件、检测速度慢、设备复杂昂贵等缺点，激光超声技术可实现于工件残余应力的快速无损检测，便于工业应用。由于材料的应力造成声速变化属于弱效应，100MPa的应力变化对应的声速变化大约只有0.1％，传播的声时差变化仅为纳秒级，因此需要对波速变化精密测量。

发明内容

本发明的目的是克服传统应力测量方法适用范围窄、损伤工件、检测速度慢、设备复杂昂贵等缺点，提供一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法。其具体方案如下：

一种基于激光超声的工件表面残余应力测量方法，其包括以下步骤：

1)将待测的工件(4)放置于振镜(3)下方，将压电传感器(5)放置于工件(4)表面并连接至示波器(6)；

2)利用脉冲激光器(2)产生的脉冲激光，通过振镜(3)聚焦成点源激光(7)照射在工件(4)表面并激励出表面波，再通过压电传感器(5)获得表面波信号R₁，继而得到从产生脉冲激光到表面波被压电传感器(5)接收所需的时间t₁；

3)通过振镜(3)扫描使脉冲激光聚焦后的点源激光(7)逐步在工件(4)表面纵向移动，每次移动距离为d，在每次纵向移动后重复步骤2)，获得表面波信号，继而分别得到不同位置点源激光(7)下，从产生脉冲激光到表面波被压电传感器(5)接收所需的时间；

4)根据步骤2)和3)中得到的时间数据，通过计算获得工件(4)在纵向移动直线上不同位置点源激光(7)之间的表面波速度分布；

5)将压电传感器(5)沿工件(4)表面逐步横向移动，每次横向移动后重复步骤2)～4)，得到工件(4)表面的待检测区域中不同纵向移动直线上的表面波速度分布；

6)根据声弹性理论和表面波速度分布，计算出工件(4)的表面残余应力分布。

本发明中，对工件上的纵向和横向进行定义：当需要计算工件某一方向不同点之间的表面残余应力时，则将该方向定义为纵向，而将工件表面与纵向垂直的方向定义为横向。

作为优选，在对同一纵向移动直线上不同位置的点源激光(7)重复步骤2)时，所述的压电传感器(5)放置在工件(4)表面上同一位置，通过振镜(3)扫描改变点源激光(7)与压电传感器(5)的距离。

作为优选，所述的超声源的激发方法为：脉冲激光器(2)发出脉冲激光经过振镜(3)扫描聚焦成点源激光(7)，照射在工件(4)表面并激励出超声表面波。

作为优选，所述的工件表面为平面。

作为优选，所述的工件(4)厚度大于10mm。

作为优选，所述的步骤4)中，纵向移动直线上两个不同位置的点源激光(7)之间的表面波速度计算公式如下：

其中i＝1,2,…,n-1，n为该纵向移动直线上测量的点数，t_i为脉冲激光聚焦在第i个点源激光位置时从产生脉冲激光到表面波被压电传感器接收所需的时间，v_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面波速度。

作为优选，所述的步骤6)中，表面残余应力计算公式为：

其中v₀为无应力标准样品的表面波波速，k为材料的声弹性系数，σ_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面残余应力。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的基于激光超声的工件表面残余应力测量装置，其包括：脉冲激光器(2)、振镜(3)、压电传感器(5)和示波器(6)；其中振镜(3)用于接收脉冲激光器(2)发射的脉冲激光并将其聚焦在工件(4)表面激励出表面声波；压电传感器(5)和示波器(6)相连，用于接收表面波信号。

作为优选，测量装置还包含上位机，上位机用于获取测量结果数据并根据上述方法自动计算表面波速度分布和表面残余应力分布。

作为优选，所述的脉冲激光器(2)放置于升降台(1)上，用于调节脉冲激光器(2)的高度。

作为优选，所述的振镜(3)的中心与脉冲激光器(2)出射激光高度一致，用于实现脉冲激光点的快速移动。

作为优选，所述的振镜(3)的位置到工件(4)表面的距离为振镜(3)上的聚焦透镜的焦距。

本发明相对于现有技术的有益效果为：在需要快速无损检测工件表面残余应力的场合。传统测量方法适用范围窄、损伤工件、检测速度慢、设备复杂昂贵。本发明提出一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法，采用激光激发、压电传感器接收的方式，既保留了激光高分辨率的优势，又兼具了系统造价低、使用方便的特点，适合于工业广泛应用；同时采用振镜扫描，可以实现快速获得工件表面的残余应力分布情况。

附图说明

图1是基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法的检测状态示意图；

图2是基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法点激光和压电传感器位置示意图；

图中，升降台1、脉冲激光器2、振镜3、工件4、压电传感器5、示波器6、点源激光7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做具体说明。

本发明的实施方式涉及一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法，该方法将聚焦成点源的脉冲激光通过振镜扫描在工件表面产生表面波，通过压电传感器对表面波信号接收和计算，从而实现对工件表面残余应力的检测。

如图1所示，本发明中采用的测量装置，包括：脉冲激光器2、振镜3、压电传感器5和示波器6；其中脉冲激光器2用于在工件(4表面激励出表面声波；工件表面为平面。压电传感器5通过探头线和示波器6相连，用于接收表面波信号。脉冲激光器2放置于升降台1上，用于调节脉冲激光器2的高度。振镜3的中心与脉冲激光器2出射激光高度一致，用于实现脉冲激光点的快速移动。振镜3的位置到工件4表面的距离为振镜3上的聚焦透镜的焦距。振镜扫描过程中，通过上位机程序同步振镜扫描与示波器采集数据时间。

本发明的基于激光超声的工件表面残余应力测量方法基本思路与发明内容部分一致，具体步骤如下：

1)将脉冲激光器2放置于升降台1上，通过调整升降台1保证振镜3的中心与脉冲激光器2出射激光高度一致；将工件4放置于振镜3下方，振镜3的位置到工件4表面的距离为振镜3上的聚焦透镜的焦距；将压电传感器5放置于工件4表面，并通过探头线和示波器6相连(如图1所示)；

2)脉冲激光器2发出脉冲激光，经过振镜3聚焦成一个点(即点源激光7)，且点源激光7与压电传感器5中心连线与Y轴方向平行(如图2所示)，点源激光7照射在工件4表面激励出表面波，压电传感器5测得表面波信号R₁，并显示在示波器6中，继而得到从产生脉冲激光到表面波R₁被压电传感器5接收所需的时间t₁；

3)通过振镜3扫描使脉冲激光聚焦后的点源激光7在工件4表面沿Y轴的正方向移动距离d(如图2所示，其中d可以根据测量精度需要进行调整)，重复步骤2)，获得表面波信号R₂，继而从产生脉冲激光到表面波R₂被压电传感器5接收所需的时间t₂；

4)然后，继续将点源激光7在工件4表面沿Y轴的正方向逐步移动距离d，不同位置的点源激光7形成一条纵向移动直线，每次纵向移动后重复步骤2)，继而分别得到该纵向移动直线上点源激光7位于不同位置时，从产生脉冲激光到表面波被压电传感器5接收所需的时间t₃,t₄,…t_n；根据测量得到的时间，通过计算就可以获得工件4在该纵向移动直线上不同位置之间的表面波速度分布，表面波速度计算公式如下：

其中i＝1,2,…,n-1，n为纵向一条直线上测量的点数，t_i为脉冲激光聚焦在第i个点源激光位置时从产生脉冲激光到表面波被压电传感器接收所需的时间，v_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面波速度。不同位置之间的平均表面波速度构成了该纵向移动直线上的表面波速度分布。

5)由于工件表面残余应力需要测量一个区域，因此测量完一条纵向移动直线上的表面波速度分布后，需将压电传感器5沿X轴正方向移动距离l(l为两条相邻的纵向移动直线间的距离，可以根据测量精度需要进行调整)，然后以此时穿过压电传感器5且与Y轴平行的直线为纵向移动直线，重复步骤2)～4)，就可以得到工件4的另一条纵向移动直线上的表面波速度分布。对工件4表面的待检测区域中多条纵向移动直线进行表面波速度分布测量后，就得到了整个待检测区域中的表面波速度分布。根据声弹性理论公式以及整个待检测区域中的表面波速度分布，就可以计算出工件4的表面残余应力分布，其中第i和i+1个位置的点源激光之间的残余应力计算公式如下：

其中v₀为无应力标准样品的表面波波速，k为材料的声弹性系数，σ_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面残余应力。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，上述测量装置中，还可以通过设置上位机来获取测量结果数据，然后通过内置的程序自动根据本发明所提出的方法计算表面残余应力分布。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光超声的工件表面残余应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待测的工件(4)放置于振镜(3)下方，将压电传感器(5)放置于工件(4)表面并连接至示波器(6)；

2)利用脉冲激光器(2)产生的脉冲激光，通过振镜(3)聚焦成点源激光(7)照射在工件(4)表面并激励出表面波，再通过压电传感器(5)获得表面波信号R₁，继而得到从产生脉冲激光到表面波被压电传感器(5)接收所需的时间t₁；

3)通过振镜(3)扫描使脉冲激光聚焦后的点源激光(7)逐步在工件(4)表面纵向移动，每次移动距离为d，在每次纵向移动后重复步骤2)，获得表面波信号，继而分别得到不同位置点源激光(7)下，从产生脉冲激光到表面波被压电传感器(5)接收所需的时间；

4)根据步骤2)和3)中得到的时间数据，通过计算获得工件(4)在纵向移动直线上不同位置点源激光(7)之间的表面波速度分布；

5)将压电传感器(5)沿工件(4)表面逐步横向移动，每次横向移动后重复步骤2)～4)，得到工件(4)表面的待检测区域中不同纵向移动直线上的表面波速度分布；

6)根据声弹性理论和表面波速度分布，计算出工件(4)的表面残余应力分布。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在对同一纵向移动直线上不同位置的点源激光(7)重复步骤2)时，所述的压电传感器(5)放置在工件(4)表面上同一位置，通过振镜(3)扫描改变点源激光(7)与压电传感器(5)的距离。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超声源的激发方法为：脉冲激光器(2)发出脉冲激光经过振镜(3)扫描聚焦成点源激光(7)，照射在工件(4)表面并激励出超声表面波。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的工件(4)厚度大于10mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4)中，纵向移动直线上两个不同位置的点源激光(7)之间的表面波速度计算公式如下：

其中i＝1,2,…,n-1，n为该纵向移动直线上测量的点数，t_i为脉冲激光聚焦在第i个点源激光位置时从产生脉冲激光到表面波被压电传感器接收所需的时间，v_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面波速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤6)中，表面残余应力计算公式为：

其中v₀为无应力标准样品的表面波波速，k为材料的声弹性系数，σ_i为第i和i+1个位置的点源激光之间的平均表面残余应力。

7.一种实现权利要求1所述方法的基于激光超声的工件表面残余应力测量装置，其特征在于，包括：脉冲激光器(2)、振镜(3)、压电传感器(5)和示波器(6)；其中振镜(3)用于接收脉冲激光器(2)发射的脉冲激光并将其聚焦在工件(4)表面激励出表面声波；压电传感器(5)和示波器(6)相连，用于接收表面波信号。

8.如权利要求7所述的基于激光超声的工件表面残余应力测量装置，其特征在于，所述的脉冲激光器(2)放置于升降台(1)上，用于调节脉冲激光器(2)的高度。

9.如权利要求7所述的基于激光超声的工件表面残余应力测量装置，其特征在于，所述的振镜(3)的中心与脉冲激光器(2)出射激光高度一致，用于实现脉冲激光点的快速移动。

10.如权利要求7所述的基于激光超声的工件表面残余应力测量装置，其特征在于，所述的振镜(3)的位置到工件(4)表面的距离为振镜(3)上的聚焦透镜的焦距。