[发明专利]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

说明书

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。

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；