一种基于飞秒激光加工的残余应力测量方法与流程

本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光加工的残余应力测量方法。

背景技术：

残余应力几乎存在于所有材料中，会使实际生产过程中的材料出现开裂、变形等问题，残余应力可能是导致材料失效的主要因素。因此，有效测量材料中的残余应力十分重要。

传统的机械加工测量方法因设备与样件直接接触会产生额外附加的机械应力，这种附加应力有很大不确定性，影响了残余应力测量精度。同时，传统的机械加工还会产生热效应，一方面会影响材料的性能，另一方面也会产生额外的热应力。飞秒激光作为一种脉冲宽度在飞秒量级(～10^-15s)的脉冲激光，具有超短脉冲和超强的峰值功率的特点，通过聚焦光学系统与物质相互作用，可以消除传统机械加工测量过程中产生的热效应和附加机械应力。同时飞秒加工还具有非接触、无污染、适应性广、精度高、效率高等优点，使其在材料加工领域得到广泛的应用。

技术实现要素：

本发明提出的一种基于飞秒激光加工的残余应力测量方法，可解决现有技术中的不足之处。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于飞秒激光加工的残余应力测量方法，包括以下步骤：

步骤一：对样件待测部位进行打磨，确保表面光滑。随后用丙酮和乙醇对样件表面进行清洁、干燥。

步骤二：在应变片底面涂抹一层粘结剂并刮平，立即对准样件待测部位，将应变片底面向下平放在试件上，轻压使其与样件表面紧密结合，经过一段时间使其阴干。

步骤三：将接线端子中间的圆孔对准已粘结好的应变片，平放在样件上，将应变片引线和测试导线分别连接在对应接线端子上。

步骤四：连接应变仪，将应变片和补偿片分别连接在应变仪的端口上。

步骤五：应变仪调零，并检查应变片与样件绝缘程度和阻值变化情况，同时还要检查贴片方位是否正确，有无气泡、翘曲等。

步骤六：设定激光器的相应参数，然后将飞秒激光脉冲聚焦到样件待测表面进行加工得到线；

步骤七：当应变仪指示稳定3～5min后，测得的对应加工区释放的应变值数据，在根据弹性力学的原理计算出残余应力。

进一步地，步骤一种用砂纸打磨样件待测部位至表面光洁，擦去磨屑后用脱脂棉球分别沾以丙酮和酒精清洗，清除样件表面的杂质；

进一步地，步骤二中在应变片底面涂抹一层粘结剂后，用小片塑料薄膜盖在应变片上，用手挤压出多余的粘结剂和气泡，然后轻轻揭掉。

进一步地，步骤三中可以用焊锡的连接方式将应变片引线和测试导线连接在接线端子上，焊点要光滑饱满，焊接要求准确迅速。

进一步地，所述飞秒激光参数为飞秒激光的中心脉宽为50-400fs、波长为400-1064nm、单脉冲能量为10-1000μj、重复频率1-100khz。

进一步地，飞秒激光在测量样件上的加工线宽d为1-3mm，并且线宽d与试件尺寸相比应很小，试件厚度应不小于4d。

本发明的基于飞秒激光加工的残余应力测量方法通过飞秒激光加工技术测量材料中的残余应力，解决了机械加工测量过程中会产生热效应和附加机械应力的问题，同时消除机械不容易加工硬脆材料的缺陷。

本发明利用飞秒激光技术在工件上打线，获得的孔精度高且没有残渣，同时扩大测量范围，在用应变片测出释放的残余应变量，再通过计算残余应力大小。本发明的基于飞秒激光加工的残余应力测量方法，不同于传统的机械加工测量方法，本发明创新性地运用超短脉冲的飞秒激光来加工材料，实现热影响区域从几百微米减小到几个微米，并且加工精度极高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.采用飞秒激光器，有着很短的脉冲持续时间和较高的峰值功率，产生的热效应影响非常小，可以实现工件表面的微纳米级别的精细加工,加工精度高；

2.采用飞秒激光在工件表面直接加工出微纳米复合结构，机械结构简便，操作方便，技术成熟、加工效率高；

3.避免加工装置与样件直接接触，避免了附加机械应力的产生；

4.本发明可用于金属材料和非金属材料的残余应力测量，尤其可以解决传统机械加工测量方法过程中难以加工硬脆材料的问题；

5.通过加工线的方法可以扩大测量范围。

附图说明

图1为本发明用于实现基于飞秒激光加工的测量残余应力方法流程图；

图2基于飞秒激光加工的测量残余应力的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的基于飞秒激光加工的残余应力测量方法，布置飞秒激光加工的测量系统，包括以下步骤：

s100、对样件待测部位进行打磨，确保表面光滑；

s200、在应变片底面涂抹一层粘结剂并刮平，立即对准样件待测部位，将应变片底面向下平放在样件上，轻压使其与样件表面紧密结合，经过设定时间使其阴干；

s300、将接线端子中间的圆孔对准已粘结好的应变片，平放在样件上，将应变片引线和测试导线分别连接在对应接线端子上；

s400、连接应变仪，将应变片和补偿片分别连接在应变仪的端口上；

s500、应变仪调零，并检查应变片与样件绝缘程度和阻值变化情况，同时还要检查贴片方位是否正确；

s600、设定激光器的相应参数，然后将飞秒激光脉冲聚焦到样件待测表面进行加工得到线；

s700、当应变仪指示稳定后，测得的对应加工区释放的应变值数据，并根据弹性力学的原理计算出残余应力。

其中，

如图2所示，布置飞秒激光加工的测量系统步骤如下：

调节飞秒激光器1的高度，使其发射出去的激光能水平入射反射镜组2，适当调节反射镜的角度和扩束镜3的高度，使得从反射镜组2中反射出来的激光能水平入射扩束镜3，经扩束后再水平入射扫描振镜5，测量样件6放在移动平台7上，并将待加工位置摆在加工物镜4的正下方；应变仪10通过连接线8与测量样件上应变片相连，再与pc机9相连，能够得到测量结果。

以下具体说明测试方法：

步骤一：用砂纸打磨样件待测部位至表面光洁，用纸擦去磨屑后用脱脂棉球分别沾以丙酮和酒精清洗，清除样件表面的杂质，再在自然条件下阴干。

步骤二：在应变片底面涂抹一层粘结剂后用小片塑料薄膜盖在应变片上，用手挤压出多余的粘结剂和气泡，然后轻轻揭掉，用塑料片将粘结剂刮平，对准样件待测部位，将应变片底面向下平放在试件上，轻压使其与样件表面紧密结合，经过一段时间使其阴干。

步骤三：将接线端子中间的圆孔对准已粘结好的应变片，平放在样件上，将应变片引线和测试导线分别连接在对应接线端子上可以用焊锡的连接方式将应变片引线和测试导线连接在接线端子上，焊点要光滑饱满，焊接要求准确迅速。随后可以滴些粘结剂在接线端子与样件间隙处。

步骤四：连接应变仪，将应变片和补偿片分别连接在应变仪的端口上。

步骤五：应变仪调零，并检查应变片与样件绝缘程度和阻值变化情况，看有无断路情况，同时还要检查贴片方位是否正确，有无气泡、翘曲等防止影响应力的传递引起测试误差。

步骤六：设定激光器的相应参数，所述飞秒激光参数为飞秒激光的中心脉宽为50-400fs、波长为400-1064nm、单脉冲能量为10-1000μj、重复频率1-100khz，飞秒激光在测量样件上的加工线宽d为1-3mm，试件厚度应大于或等于4d。

具体的说，所述飞秒激光器参数范围是在相关实验以及对比参考了其他文献提到范围进行综合选取。根据加工材料属性的不同，加工实验选择不同的参数。同时，上述参数设置可以较高精度的加工样件，还不会消耗过多的激光能量。

线宽d的选择是根据以往钻孔法测量应力选择，这样选择的优点是，既能使样件应力平衡破坏，能够测量应力的变量，而且也不会影响样件的正常功能。试件厚度不小于4d是为了防止加工后样件过薄而断裂，同时也为了减小误差。

其中飞秒激光器1发出的经过强度调节后的激光经过反射镜组2反射后，再经过扩束镜3扩束，扫描振镜5包括了x轴方向和y轴方向的转动式反射镜，根据反射定律，激光入射反射镜后会以一定的角度的反射，改变反射镜的角度可以使激光朝向不同的方向传播，激光经过扫描振镜5后从加工物镜4射出，并聚焦到移动平台7上的测量样件6上。移动平台7能够带动测量样件6移动，配合扫描振镜5使激光照射方向发生改变能够将飞秒激光脉冲聚焦到样件待测部位表面进行打线。

步骤七：当应变仪指示稳定3～5min后，测得的对应加工区释放的应变值数据，在根据弹性力学的原理计算出残余应力。

由上可知，本实施例的方法测量残余应力原理是在应力场中钻线，应力的平衡受到破坏，则线周围的应力将重新调整，利用应变片测得线附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学的原理计算出残余应力。

本发明消除传统机械加工测量带来的热效应和附加机械应力的影响，并且机械结构简便，操作方便，容易实现，同时提高了加工的测量精度，对成测量环境要求不高，避免了加工装置与样件直接接触。基于飞秒激光加工的测量残余应力方法可用于金属材料和非金属材料的残余应力测量，尤其解决了传统机械加工测量方法难以解决的加工硬脆材料的问题。同时，通过加工线的方法可以测量样件更大范围的残余应力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。