[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

摘要

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。 1

主权项

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。