CN116124347A - 一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置及其检测方法，涉及到激光超声无损检测领域。该***包括脉冲激光器、干涉仪、三维振镜、示波器、信号放大器、光学衍射元件DOE、样品、示波器、工控机。本发明的样品为需要检测内部残余应力的样品。本发明利用纳秒激光器形成激光脉冲，输出的激光脉冲经过表面具有微纳结构的DOE镜片、三维振镜和扫描透镜后聚焦在样品表面激发产生超声表面波。利用工控机收集并处理接收到的超声表面波信号，根据声弹性理论反演出待测样品的应力分布。

Description

一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置及检测方法
技术领域
本发明涉及材料残余应力检测领域，特别是一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置及其检测方法。
背景技术
在工业生产制造过程中，钢材、铝合金等材料广泛应用于航空发动机叶片等诸多仪器、设备、结构的制造。叶片的加工精度和应力分布对发动机的工作效率、稳定性和安全性有着直接的影响。能否满足设备或构建的服役安全需求成为困扰工程行业的一大难题。
目前，残余应力的检测方式主要有损检测和无损检测两大类。有损检测技术主要是通过打孔等物理方式将样品内部的应力释放处理出来，从而检测样品内部的应力。无损检测技术是在不破坏待测材料物理、化学性质的前提下，获取与待测材料目标性质的检测方法。应力的有损检测方法包括盲孔法、剥层法等。残余应力的无损检测方式主要包括X射线衍射法、磁测法、超声法等。传统的有损检测方法对残余应力的检测较为准确，但对被测材料有一定程度的损伤。
随着检测技术的不断发展，激光超声无损检测技术由于其非接触、高分辨率、可远距离探测等诸多优点逐渐发展为一种新兴的且广泛应用的无损检测技术。由于热弹效应，脉冲激光辐照在待测材料表面，产生超声波信号，超声波信号在传播过程中会携带材料中的应力信息，通过对传播过程中声波信号的监测，根据超声信号的特征，反演出待测材料的应力分布。
现有的脉冲激光激发表面波进行应力检测的方法，通常有激光的点源激发和线源头激发两种方式为主，探测的区域通常以直线的区域为主，检测的区域范围小、检测效率较低。
发明内容
本发明的目的是一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置。与现有的激光超声检测应力的技术相比，可以实现对样品表面探测点一定范围区域残余应力的检测，配合三维振镜实现对样品表面的激光脉冲扫描，扩大了传统激光超声应力检测的测量范围。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：
一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，该装置包括
设置光学衍射原件DOE，表面具有呈螺旋形状分布的衍射单元，用于对光束的整形；
设置脉冲激光器用于发出脉冲激光透过光学衍射原件DOE；
设置三维振镜用于控制脉冲激光在光路中位置，实现激光对样品一定路径上的扫描；
脉冲激光透过DOE上的衍射单元后，整形后的光斑经过三维振镜和扫描透镜辐照在铝合金样品表面；
设置干涉仪，指示光通过振镜与分束后的螺旋状衍射单元中心光斑位置重合；
设置工控机控制振镜进行三维扫描，通过示波器采集超声信号存入工控机。
进一步的，DOE是表面具有特殊螺旋结构衍射单元的分光元件，通过微纳加工方式在元件表面嵌入特定的分光的结构。其表面具有距离探测点位置具有不同距离的衍射单元。所有的分光衍射单元结构整体上构成螺旋形，不同的衍射单元距离探测点位置的距离各不相同，各分光单元与探测点相距的距离记作li，其分束角为0.1365度，示波器记录各衍射单元探测点接收脉冲时间为ti。
进一步的，脉冲激光器(1)发出的脉冲激光为调Q激光，最大能量为600mJ,重频为20Hz。
进一步的，干涉仪包括控制器和探头。
进一步的，信号放大器。
一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测方法，该方法为，包括以下步骤：
a先对扫描振镜、干涉仪探头所在坐标进行标定，获得坐标系之间的转换关系。
b调节脉冲激光器与光学衍射原件DOE(2)之间的距离，使得光斑区域覆盖DOE表面螺旋结构区域；
c调节干涉仪探测光的射入振镜(3)角度，保证光路与脉冲激光光路同轴,使得探测光与螺旋状衍射单元中心位置重合；
d调节样品(10)高度，使干涉仪探头(5)在样品表面获得最佳聚焦；
e通过工控机(9)控制振镜(3)进行三维扫描，通过示波器(8)采集超声信号存入工控机(9)硬盘中；
f根据平均速度的计算公式
Figure BDA0004107058070000031
获得不同位置衍射单元激发的表面波脉冲信号传播速度分布；
g根据声弹性理论超声表面波波速与残余应力之间的关系，计算不同位置衍射单元与探测点之间区域的残余应力大小；
h通过改变干涉仪探头(5)的探测点位置，重复c-f步骤，完成对样品指定区域的扫描。
进一步的，根据声弹性理论超声表面波波速与残余应力之间的关系，计算不同位置衍射单元与探测点之间区域的残余应力大小具体为：脉冲激光通过(DOE)不同衍射单元，在样品表面产生的脉冲信号到达探测点在时域上会存在差异。不同衍射单元到达探测位置的时间记为ti。根据平均速度的计算公式，计算不同位置的衍射单元产生的脉冲信号传播至探测点的平均速度，记为vi。根据声弹性理论，样品中残余应力与表面波波速的计算公式：
Figure BDA0004107058070000032
其中，v0是表面波在零应力铝合金样品表面传播的速度，k是声弹性系数，与材料的二阶和三阶弹性常数有关的常数值，σi是不同衍射单元与探测点路径之间残余应力的平均值。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、本发明采用表面呈螺旋结构的光学衍射单元的光学衍射元件(DOE)，由于其螺旋结构，覆盖了更大的检测范围，提高了激光超声法检测残余应力的检测效率；
2、本发明简化了实验装置；
3、本发明的装置不会损伤待测样品,光源能量利用效率高。
附图说明
图1为表面具有螺旋结构光学衍射单元的光学衍射元件(DOE)示意图。
图2为根据本发明的基于光学衍射元件的激光超声对残余应力的检测装置结构示意图。
图中，脉冲激光器(1)、表面具有光学衍射单元呈螺旋状分布的光学衍射元件(2)、三维振镜(3)、干涉仪(由控制器(4)和探头(5)组成)、扫描透镜(6)、前置信号放大器(7)、示波器(8)、工控机(9)、样品(10)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明具体结构作进一步详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
参见附图，根据本发明的一种基于声弹性理论的激光超声残余应力监测装置，包括脉冲激光器1、表面具有光学衍射单元呈螺旋状分布的光学衍射元件2、三维振镜3、干涉仪由控制器4和探头5组成、扫描透镜6、样品10、示波器8、工控机9。
脉冲激光1为调Q激光，最大能量为600mJ,重频为20Hz。光学衍射原件2是表面具有特殊螺旋结构衍射单元的分光元件，通过微纳加工等方式在元件表面嵌入特定的分光的结构，以达到目标的分光效果。三维振镜3用于控制脉冲激光在光路中位置，实现激光对样品一定路径上的扫描。
干涉仪(由控制器4和探头5组成)，采用普勒测振仪,其工作波长为633nm，工作距离为460mm。扫描透镜6的焦距为20cm。信号放大器7用于放大干涉仪收集到的激光超声脉冲信号。示波器8作用为显示采集和显示并接收信号，工控机9负责采集和处理数据并控制部分装置模块。样品10为航空发动机叶片，材料为铝合金。
参见附图1，本发明所使用的分光模块是光学衍射元件(DOE)2。
其表面具有距离探测点位置具有不同距离的衍射单元。所有的分光衍射单元结构整体上构成螺旋形，不同的衍射单元距离探测点位置的距离各不相同，各分光单元与探测点相距的距离记作li，其分束角为0.1365度。
脉冲激光透过DOE 2上的衍射单元后，整形后的光斑经过三维振镜3和扫描透镜6辐照在铝合金样品10表面。干涉仪的指示光通过振镜3与分束后的螺旋状衍射单元中心光斑位置重合。
根据声弹性理论，表面波的波速受到样品中残余应力的调制，较之在零应力样品中表面波的传播速度会发生改变。由于螺旋结构中不同位置的衍射单元距离干涉仪5探测位置的距离不同，由于热弹效应，脉冲激光通过(DOE)不同衍射单元，在样品表面产生的脉冲信号到达探测点在时域上会存在差异。不同衍射单元到达探测位置的时间记为ti。根据平均速度的计算公式，计算不同位置的衍射单元产生的脉冲信号传播至探测点的平均速度，记为vi。根据声弹性理论，样品中残余应力与表面波波速的计算公式：
Figure BDA0004107058070000051
其中，v0是表面波在零应力铝合金样品表面传播的速度，k是声弹性系数，与材料的二阶和三阶弹性常数有关的常数值，σi是不同衍射单元与探测点路径之间残余应力的平均值。
本发明的一种基于激光超声的残余应力检测方法，包括以下步骤：
a先对扫描振镜6、干涉仪探头5所在坐标进行标定，获得坐标系之间的转换关系。
b调节激光器1与DOE 2之间的距离，使得光斑区域覆盖DOE表面螺旋结构区域。
c调节干涉仪探测光的射入振镜3角度，保证光路与脉冲激光光路同轴,使得探测光与螺旋状衍射单元中心位置重合。
d调节样品10高度，使干涉仪探头5在样品表面获得最佳聚焦。
e通过工控机9控制振镜3进行三维扫描，通过示波器8采集超声信号存入工控机9硬盘中。
f根据平均速度的计算公式，获得不同位置衍射单元激发的表面波脉冲信号传播速度分布。
g根据声弹性理论超声表面波波速与残余应力之间的关系，计算不同位置衍射单元与探测点之间区域的残余应力大小。
h通过改变干涉仪探头5的探测点位置，重复c-f步骤，完成对样品指定区域的扫描。

Claims (7)

1.一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，其特征在于，该装置包括
设置光学衍射原件DOE，表面具有呈螺旋形状分布的衍射单元，用于对光束的整形；
设置脉冲激光器用于发出脉冲激光透过光学衍射原件DOE；
设置三维振镜用于控制脉冲激光在光路中位置，实现激光对样品一定路径上的扫描；
脉冲激光透过DOE上的衍射单元后，整形后的光斑经过三维振镜和扫描透镜辐照在铝合金样品表面；
设置干涉仪，指示光通过振镜与分束后的螺旋状衍射单元中心光斑位置重合；
设置工控机控制振镜进行三维扫描，通过示波器采集超声信号存入工控机。
2.根据权利要求1所述利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，其特征在于，DOE是表面具有特殊螺旋结构衍射单元的分光元件，通过微纳加工方式在元件表面嵌入特定的分光的结构。其表面具有距离探测点位置具有不同距离的衍射单元；所有的分光衍射单元结构整体上构成螺旋形，不同的衍射单元距离探测点位置的距离各不相同，各分光单元与探测点相距的距离记作li，其分束角为0.1365度。
3.根据权利要求1所述利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，其特征在于，脉冲激光器(1)发出的脉冲激光为调Q激光，最大能量为600mJ,重频为20Hz。
4.根据权利要求1所述利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，其特征在于，干涉仪包括控制器和探头。
5.根据权利要求1所述利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测的装置，其特征在于，设置信号放大器(7)用于放大干涉仪收集到的激光超声脉冲信号。
6.一种利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测方法，其特征在于，该方法为，包括以下步骤：
a先对扫描振镜、干涉仪探头所在坐标进行标定，获得坐标系之间的转换关系。
b调节脉冲激光器与光学衍射原件DOE(2)之间的距离，使得光斑区域覆盖DOE表面螺旋结构区域；
c调节干涉仪探测光的射入振镜(3)角度，保证光路与脉冲激光光路同轴,使得探测光与螺旋状衍射单元中心位置重合；
d调节样品(10)高度，使干涉仪探头(5)在样品表面获得最佳聚焦；
e通过工控机(9)控制振镜(3)进行三维扫描，通过示波器(8)采集超声信号存入工控机(9)硬盘中；
f根据平均速度的计算公式，获得不同位置衍射单元激发的表面波脉冲信号传播速度分；
g根据声弹性理论超声表面波波速与残余应力之间的关系，计算不同位置衍射单元与探测点之间区域的残余应力大小；
h通过改变干涉仪探头(5)的探测点位置，重复c-f步骤，完成对样品指定区域的扫描。
7.根据权利要求1所述的利用基于激光超声激发表面波对样品表面的残余应力进行检测方法，其特征在于，根据声弹性理论超声表面波波速与残余应力之间的关系，计算不同位置衍射单元与探测点之间区域的残余应力大小具体为：脉冲激光通过(DOE)不同衍射单元，在样品表面产生的脉冲信号到达探测点在时域上会存在差异。不同衍射单元到达探测位置的时间记为ti。根据平均速度的计算公式，计算不同位置的衍射单元产生的脉冲信号传播至探测点的平均速度，记为vi。根据声弹性理论，样品中残余应力与表面波波速的计算公式：
其中，v0是表面波在零应力铝合金样品表面传播的速度，k是声弹性系数，与材料的二阶和三阶弹性常数有关的常数值，σi是不同衍射单元与探测点路径之间残余应力的平均值。
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