CN114910203B - 基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法 - Google Patents

基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法。该方法步骤如下：选择无残余应力和无加工缺陷的材料；调整脉冲激光器和激光测振仪的激光光斑至应力加载区域；进行应力梯度加载并记录各个应力梯度下的表面波与空气波飞行时间；利用空气波飞行时间计算激光光斑间距和表面波波速变化；绘制波速变化‑应力梯度标定曲线；通过拟合曲线公式计算样品表面应力检测。本发明采用的脉冲激光器同步诱导表面波和空气波，利用同步产生的空气波对表面波应力测量进行修正，从而解决的传统表面波因工件结构变形和光斑间距畸变导致的应力测量误差，实现高耸结构表面的弯曲应力等复杂应力形式的准确测量。

Description

基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测 方法
技术领域
本发明属于超声应力测量技术领域，具体涉及一种基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法。
背景技术
应力诱发型失效是工业零部件失效的一种常见形式。例如材料在残余应力的作用下产生应力腐蚀裂纹；又如在实际工况中会受到来自外界的拉伸、压缩、弯曲、扭转等各种形式的应力，造成应力集中，极易诱发疲劳和磨损等失效事故。因此应力测量一种是工业界关注的重点。
目前对于工件表面应力的检测方法中，盲孔法等检测应力比较准确，但是会造成工件表面的损坏。随后，基于声弹性原理的超声等无损测量方法快速发展且已经被广泛应用于铁路、桥梁等领域。但是，目前超声应力测量多采用接触式超声方法，因需要施加耦合剂，存在加到的测量误差，而且不适用于远距离监测、以及检测对象不规则等场景。
基于激光技术发射和接收超声波的激光超声应力测量方法，以其非接触、方便、快捷的特点而受到广泛关注，并在焊缝残余应力测量等领域开展的初步研究。其主要原理是保持激光光斑和接收光斑的间距不变，利用激励激光产生超声表面波，当材料应力改变时，表面波的飞行时间呈线性变化。因此，通过适当的飞行时间-载荷标定，测量表面波的飞行时间即可推算出材料表面的残余应力。
但是，对于形状复杂且受力形式多样的高耸结构，例如风电塔筒、电网杆塔等部件，其应用还存在较多问题。最大的挑战是，高耸结构多受到弯曲载荷，在弯曲模式下，高耸结构具有一定的弯曲变形，从而引起激光光斑间距的弯曲。这样表面波飞行时间将同时收到应力和光斑间距变化的影响，从而导致加大的测量误差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测系统及方法，其利用同步激发的表面波与空气波对材料表面应力进行测量，实现了对工件工作应力的远程无损测量，降低了应力检测成本，保证了设备工件的运行安全。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法，包括以下步骤：
S1.选用退火处理后表面无残余应力和加工缺陷的样品，置于材料万能试验机上，使之处于待加载状态；
S2.布置激光测振仪对准样品，调整测振仪的激光光斑位置至应力加载区域，并使激光垂直照射在材料表面；
S3.选用脉冲激光器作为激励超声表面波和空气波的振动波源，调整脉冲激光光斑位置，使其与距离测振仪光斑间距在毫米级；
S4.进一步调整脉冲激光光斑位置，使得脉冲激光光斑与测振仪激光光斑的连线与加载应力方向垂直；
S5.开启脉冲激光器和激光测振仪，记录零应力状态下的表面波波形，并依据表面 波的波幅位置测量其飞行时间
Figure 732663DEST_PATH_IMAGE001
；
S6.同时记录零应力状态下空气波的波形，并测量空气波飞行时间
Figure 235189DEST_PATH_IMAGE002
，记录测量时 的环境温度
Figure 835934DEST_PATH_IMAGE003
；
S7.利用材料万能试验机对样品施加载荷形成应力梯度而对应力
Figure 140356DEST_PATH_IMAGE004
标定，每个应 力梯度，重复步骤S5、S6，得到各个应力梯度下的表面波飞行时间
Figure 547067DEST_PATH_IMAGE005
、空气波
Figure 107361DEST_PATH_IMAGE006
；
S8.分别计算零应力和加载应力下脉冲激光器光斑与测振仪激光光斑之间的距离
Figure 879008DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 878582DEST_PATH_IMAGE008
；
S9.利用光斑间距和表面波飞行时间
Figure 324869DEST_PATH_IMAGE009
，计算表面波波速变化
Figure 536407DEST_PATH_IMAGE010
；
S10.根据步骤S9计算的各个应力梯度下的表面波波速，绘制表面波波速变化
Figure 744535DEST_PATH_IMAGE010
- 应力
Figure 542989DEST_PATH_IMAGE004
的标定曲线，并拟合计算公式；
S11.由某一载荷下计算得到的表面波波速
Figure 25923DEST_PATH_IMAGE010
，根据拟合的计算公式，反算出该载 荷下的材料表面应力值
Figure 764071DEST_PATH_IMAGE004
。
进一步，所述步骤S2中，测振仪激光反射强度大于60%。
进一步，所述步骤S3中，光斑间距为5mm~10mm。
进一步，所述脉冲激光器的波长根据待测材料的材质进行选择，以适应不同材料的超声激励。
更进一步，所述脉冲激光器的波长包括1064nm和1550nm，以分别适应金属和陶瓷材料的超声激励。
进一步，所述脉冲激光器激发的激光能量需要根据被测材料及其表面状态进行调节，调节原则为使材料表面产生空气波而不至于产生烧蚀损坏。
进一步，所述步骤S5中，所述飞行时间的采集精度高于0.1ns。
进一步，所述步骤S8中，脉冲激光器光斑与测振仪激光光斑之间的距离的计算方法如下：
（1）根据环境温度
Figure 674259DEST_PATH_IMAGE003
，计算该温度下空气波波速为
Figure 927385DEST_PATH_IMAGE011
（2）利用零应力状态下飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 715475DEST_PATH_IMAGE012
（3）利用加载应力下的飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 652338DEST_PATH_IMAGE013
进一步，所述步骤S9中，表面波波速变化为
Figure 567381DEST_PATH_IMAGE014
。
进一步，所述步骤S11中，在实际样品的测量过程中，将脉冲激光器和激光测振仪 按照步骤S2-S9，进行空气波及表面波的波形采集、飞行时间读取，并计算表面波波速
Figure 42224DEST_PATH_IMAGE010
， 然后通过拟合的计算公式，从而得到材料表面应力值
Figure 70223DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明的有益效果在于：本发明针对材料的应力状态，尤其是材料表面的应力状态，提出了一种基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测系统及方法，其主要优势是，借助于脉冲激光器同步激励空气波和超声表面波，利用两种波的飞行时间做自对比，从而减小工件复杂几何形状引起的测量误差。特别是对于形状复杂且受力形式多样的高耸结构，本发明提出的方法能够有效解决由于光斑间距变化引起的表面波飞行时间变化问题，极大提高表面波应力检测准确率。同时本方面还可以用于远程监测在役设备，对保证设备工件尤其是工业设备的正常运行有重要意义。
附图说明
图1为基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测原理示意图；
图2为基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法的流程图；
图3为实施案例1中未经修正的表面波飞行时间-载荷图；
图4为实施案例1中经同步激发的空气波修正后的表面波波速变化-载荷图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作以下详述。
实施例1
本实例为一种基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法，其原理如果1所示，脉冲激光器激励同步激励出在空气中传播的空气波和在固体材料表面传播的超声表面波，当被测对象受到弯曲载荷而弯曲时，表面波的波速和传播距离（光斑间距）均受到发生变化，因而无法构建波速与载荷的一一对应关系。但是，在空气中传播的空气波，其波速不会因载荷变化而变化。因此，可以采用空气波先计算变化的光斑间距，然后修正表面波声时关系，从而实现表面波波速与载荷一一对应的曲线关系。
该方法流程图如图2所示，包括选择无残余应力和加工缺陷的材料；调整激励激光与脉冲激光至应力加载区域；调整激励激光与脉冲激光相对位置；加载应力；记录各个应力梯度下的表面波与空气波波形；计算光斑间距；计算表面波波速；绘制波速-应力曲线；对实际工况下样品的应力进行检测。
具体步骤为：
S1.选用退火处理后表面无残余应力和加工缺陷的样品，置于材料万能试验机上，处于待加载状态；
S2.布置激光测振仪对准样品，用于接收超声振动信号的，调整测振仪的激光光斑位置至应力加载区域，并使测振仪激光垂直照射在材料表面，保证测振仪激光反射强度大于60%；
S3.选用波长为1064nm的脉冲激光器作为激励超声表面波和空气波的振动波源，并调整脉冲激光光斑位置，使其与距离测振仪光斑间距在5mm~10mm范围；
S4.进一步调整脉冲激光光斑位置，使得脉冲激光光斑与测振仪激光光斑的连线与加载应力方向垂直；
S5.开启脉冲激光器和激光测振仪，利用数据采集卡记录零应力状态下的表面波 波形，并依据表面波的波幅位置测量其飞行时间
Figure 579702DEST_PATH_IMAGE001
；
S6.同时记录零应力状态下空气波的波形，并测量空气波飞行时间
Figure 300533DEST_PATH_IMAGE002
，记录测量时 的环境温度
Figure 764138DEST_PATH_IMAGE003
；
S7.利用材料万能试验机对样品施加载荷进行应力
Figure 861407DEST_PATH_IMAGE004
标定，应力梯度不应少于5 个，对每个应力梯度，重复步骤S5、S6，得到各个应力梯度下的表面波飞行时间
Figure 117070DEST_PATH_IMAGE005
、空气波
Figure 664595DEST_PATH_IMAGE006
；
S8.计算脉冲激光器光斑与测振仪激光光斑之间的距离：首先，根据环境温度
Figure 959703DEST_PATH_IMAGE003
，计 算该温度下空气波波速为
Figure 126242DEST_PATH_IMAGE011
其次，利用零应力状态下飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 344734DEST_PATH_IMAGE012
其次，利用加载应力下的飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 705571DEST_PATH_IMAGE013
S9.利用光斑间距和表面波飞行时间
Figure 579986DEST_PATH_IMAGE009
，计算表面波波速变化为
Figure 284636DEST_PATH_IMAGE015
S10.根据步骤S9计算的各个应力梯度下的表面波波速，绘制表面波波速变化
Figure 888793DEST_PATH_IMAGE010
- 应力
Figure 217269DEST_PATH_IMAGE004
的标定曲线，并拟合得到计算公式；
S11.在实际样品的测量过程中，将脉冲激光器和激光测振仪按照步骤S2-S9，进行 空气波及表面波的波形采集、飞行时间读取，并计算表面波波速
Figure 641297DEST_PATH_IMAGE010
，然后与步骤S10得到的 计算公式进行反算，从而得到材料表面应力值
Figure 946376DEST_PATH_IMAGE004
。
利用上述步骤得到的超声波特征量与载荷关系曲线如图3-4所示。利用表面波飞行时间直接测量载荷时，可以看到曲线容易产生突变点（图3），其原因是测量过程光斑间距存在异常偏移。图4为经同步激发的空气波修正后表面波波速-载荷图，可以看到，采用空气波可以很好的修正测量过程中的光斑间距异常偏移，曲线拟合度好，大幅提高准确性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于激光同步诱导超声表面波与空气波的材料表面应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.选用退火处理后表面无残余应力和加工缺陷的样品，置于材料万能试验机上，使之处于待加载状态；
S2.布置激光测振仪对准样品，调整测振仪的激光光斑位置至应力加载区域，并使激光垂直照射在材料表面；
S3.选用脉冲激光器作为激励超声表面波和空气波的振动波源，调整脉冲激光光斑位置，使其与距离测振仪光斑间距在毫米级；
S4.进一步调整脉冲激光光斑位置，使得脉冲激光光斑与测振仪激光光斑的连线与加载应力方向垂直；
S5.开启脉冲激光器和激光测振仪，记录零应力状态下的表面波波形，并依据表面波的 波幅位置测量其飞行时间
Figure 775752DEST_PATH_IMAGE001
；
S6.同时记录零应力状态下空气波的波形，并测量空气波飞行时间
Figure 596203DEST_PATH_IMAGE002
，记录测量时的环 境温度
Figure 967141DEST_PATH_IMAGE003
；
S7.利用材料万能试验机对样品施加载荷形成应力梯度而对应力
Figure 978959DEST_PATH_IMAGE004
标定，每个应力梯 度，重复步骤S5、S6，得到各个应力梯度下的表面波飞行时间
Figure 802559DEST_PATH_IMAGE005
、空气波
Figure 190815DEST_PATH_IMAGE006
；
S8.分别计算零应力和加载应力下脉冲激光器光斑与测振仪激光光斑之间的距离
Figure 212998DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 395717DEST_PATH_IMAGE008
；
S9.利用光斑间距和表面波飞行时间
Figure 208078DEST_PATH_IMAGE009
，计算表面波波速变化
Figure 134445DEST_PATH_IMAGE010
；
S10.根据步骤S9计算的各个应力梯度下的表面波波速，绘制表面波波速变化
Figure 214397DEST_PATH_IMAGE010
-应力
Figure 833597DEST_PATH_IMAGE004
的标定曲线，并拟合计算公式；
S11.由某一载荷下计算得到的表面波波速
Figure 959685DEST_PATH_IMAGE010
，根据拟合的计算公式，反算出该载荷下 的材料表面应力值
Figure 689744DEST_PATH_IMAGE004
。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，测振仪激光反射强度大于60%。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S3中，光斑间距为5mm~10mm。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述脉冲激光器的波长根据待测材料的材质进行选择，以适应不同材料的超声激励。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述脉冲激光器的波长包括1064nm和1550nm，以分别适应金属和陶瓷材料的超声激励。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述脉冲激光器激发的激光能量需要根据被测材料及其表面状态进行调节，调节原则为使材料表面产生空气波而不至于产生烧蚀损坏。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述飞行时间的采集精度高于0.1ns。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S8中，脉冲激光器光斑与测振仪激光光斑之间的距离的计算方法如下：
（1）根据环境温度
Figure 125666DEST_PATH_IMAGE003
，计算该温度下空气波波速为
Figure 915768DEST_PATH_IMAGE011
（2）利用零应力状态下飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 201256DEST_PATH_IMAGE012
（3）利用加载应力下的飞行时间和空气波波速计算得到光斑间距为：
Figure 203847DEST_PATH_IMAGE013
。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S9中，表面波波速变化为
Figure 258390DEST_PATH_IMAGE014
。
10.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S11中，在实际样品的测量 过程中，将脉冲激光器和激光测振仪按照步骤S2-S9，进行空气波及表面波的波形采集、飞 行时间读取，并计算表面波波速
Figure 16131DEST_PATH_IMAGE010
，然后通过拟合的计算公式，从而得到材料表面应力值
Figure 523336DEST_PATH_IMAGE004
。
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