一种用于测量残余应力的激光超声检测系统及方法与流程

本发明属于核电检测设备领域，特别涉及一种用于测量残余应力的激光超声检测系统及方法。

背景技术：

1、工件在制造过程中由于机加工与热处理，会产生残余应力，降低工件材料机械性能，极大影响设备的使用寿命与安全性。核电站大型设备的服役环境具有高应力、高辐照特点，同时对设备安全性与可靠性有极高要求，因此对其表面残余应力进行测量监控十分必要。

2、目前已有的残余应力测量方法如机械法、化学法等能够准确测量材料表面残余应力，但是会对工件造成损伤，无损检测方法如x射线法等难以用于现场检测。基于声弹性效应的超声法能够准确的测量材料应力，并且操作简便、设备便携，具备大规模工程使用的潜力。但是目前已有的超声法大多利用压电晶片进行激励与接收，检测准确度依赖于探头与工件的耦合情况，无法实现远距离检测，尤其面对核电站高辐照环境与受限空间，测量难以进行，对复杂曲面残余应力也无法精确检测。

3、激光超声作为一种远距离、非接触、高精度的超声激励方法，在大型设备远距离检测、复杂曲面应力检测等方面具有极大的应用潜力。其原理为表面波波速与材料应力状态存在严格线性关系，激励激光产生沿材料表面传播的声表面波，接收激光拾取表面振动信号，得到声表面波波速。通过比较表面波波速与初始状态的变化，即可准确测得材料表面应力分布状态。

4、但是其工程应用，尤其是面向核电站设备的工程应用还存在较大局限性。在残余应力远距离测量过程中，为保证测量结果准确，必须准确计算材料表面波波速。但是在远距离测量过程中，无法精确控制激励激光与接收激光位置，依赖传统测量手段也难以精准测量表面波声程，导致无法精准计算表面波声速，准确得到材料表面应力状态。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于测量残余应力的激光超声检测系统，利用表面波与材料应力值的线性方程，以双激励激光激励产生沿材料表面传播的横向及纵向表面波，计算表面波波速并将其带入应力-表面波波速关系方程，得到材料表面应力分布状况。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于测量残余应力的激光超声检测系统，它包括用于超声信号存储处理的计算机、用于激励声表面波的第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、用于调整第一脉冲激光器和第二脉冲激光器光斑位置的二维移动平台、用于表面波信号接收的测振仪、用于激光光斑位置调整的振镜、双准直透镜以及标定实验机。

3、另一种实施方式，所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器通过双准直透镜平行传播，双激光束平行度小于0.1mm/1000mm。

4、另一种实施方式，二维移动平台水平与竖直方向定位精度不应小于10μm，移动分辨率不应小于5μm。

5、另一种实施方式，脉冲激光器与脉冲激光器间距在10mm内可调。

6、本发明还提供了3.一种基于权利要求1或2所述的用于测量残余应力的激光超声检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

7、s1.将去应力退火处理且无表面不连续的材料板材拉伸试样加载到万能材料试验机；

8、s2.将激励激光与接收激光光斑调整至拉伸试样平行区域，并使激励激光与接收激光竖直分布，光斑间距小于5mm；

9、s3.以xkn作为梯度对拉伸试样进行加载，记录并保存各个应力梯度下表面波飞行时间，x为＞0的整数；

10、s4.计算各个应力梯度下的表面波波速，建立应力-表面波波速曲线，对该曲线进行线性拟合得到应力-表面波波速方程；

11、s5.对设备表面横向残余应力进行测量，调整第一脉冲激光器的第一光斑和第二脉冲激光器的第二光斑至待测量区域，且第一光斑和第二光斑连线保持水平，间距调整为d；

12、s6.调整接收激光的第三光斑与第一光斑和第二光斑连线延长线重合，记录表面波波形，分别得到p1、p2激励的表面波飞行时间t 1、t 2；

13、s7.通过公式

14、

15、计算得到材料水平方向声表面波波速v横；

16、s8.调整第一光斑、第二光斑和第三光斑，使第一光斑和第二光斑连线垂直于第二光斑和第三光斑的连线，记录表面波波形，得到t3、t4；

17、通过公式

18、

19、计算得到材料竖直方向声表面波波速v竖；

20、s9.将v横、v竖带入应力-表面波波速方程，得到材料待测区域水平、竖直方向残余应力值σl、σv；

21、s10.重复步骤s5-s9，即可得到材料表面残余应力分布状态。

22、另一种实施方式，步骤s2、s6、s8所述激励激光能量密度应小于材料损伤阈值；接收激光垂直入射至材料表面，其反射信号强度应大于70％。

23、另一种实施方式，利用公式计算各个应力梯度下的表面波波速vi，将各个应力值σi与其对应的表面波飞行时间ti进行线性拟合，得到该材料的表面波声弹性效应方程：σi＝k(vi-v0)。

24、另一种实施方式，x为5的倍数。

25、另一种实施方式，步骤s1至s4所述标定过程与s5至s10所述测量过程，拉伸试样与被测设备表面温度变化不应超过1℃。

26、本发明的有益效果在于：利用表面波与材料应力值的线性方程，以双激励激光激励产生沿材料表面传播的横向及纵向表面波，计算表面波波速并将其带入应力-表面波波速关系方程，得到材料表面应力分布状况，对于大型设备尤其是核电站大型设备，该方法能够解决远距离检测时表面波飞行时间无法精准测量的问题，极大提高了远距离残余应力检测的精准度，对保障工业设备尤其是核电站大型设备的安全运行具有重要意义。

技术特征：

1.一种用于测量残余应力的激光超声检测系统，其特征在于：它包括用于超声信号存储处理的计算机(1)、用于激励声表面波的第一脉冲激光器(2)、第二脉冲激光器(3)、用于调整第一脉冲激光器(2)和第二脉冲激光器(3)光斑位置的二维移动平台(4)、用于表面波信号接收的测振仪(5)、用于激光光斑位置调整的振镜(7)、双准直透镜(6)以及标定实验机(8)。

2.根据权利要求1所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量装置，其特征在于：所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器通过双准直透镜平行传播，双激光束平行度小于0.1mm/1000mm。

3.根据权利要求1所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量装置，其特征在于：二维移动平台水平与竖直方向定位精度不应小于10μm，移动分辨率不应小于5μm。

4.根据权利要求1所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量装置，其特征在于：脉冲激光器(1)与脉冲激光器(2)间距在10mm内可调。

5.一种基于权利要求1-4中任一所述的用于测量残余应力的激光超声检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量方法，其特征在于：步骤s2、s6、s8所述激励激光能量密度应小于材料损伤阈值；接收激光垂直入射至材料表面，其反射信号强度应大于70％。

7.根据权利要求5所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量方法，其特征在于：利用公式计算各个应力梯度下的表面波波速vi，将各个应力值σi与其对应的表面波飞行时间ti进行线性拟合，得到该材料的表面波声弹性效应方程：σi＝k(vi-v0)。

8.根据权利要求5所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量方法，其特征在于：x为5的倍数。

9.根据权利要求5所述的基于双激光激励的材料表面残余应力测量方法，其特征在于：步骤s1至s4所述标定过程与s5至s10所述测量过程，拉伸试样与被测设备表面温度变化不应超过1℃。

技术总结
本发明公开了一种用于测量残余应力的激光超声检测系统及方法，系统包括用于超声信号存储处理的计算机、用于激励声表面波的第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、用于调整第一脉冲激光器和第二脉冲激光器光斑位置的二维移动平台、用于表面波信号接收的测振仪、用于激光光斑位置调整的振镜、双准直透镜以及标定实验机，方法是通过拟合波速与应力的曲线获得波速与应力的关系方程，进而通过波速获得待测工件的应力。能够解决远距离检测时表面波飞行时间无法精准测量的问题，极大提高了远距离残余应力检测的精准度，对保障工业设备尤其是核电站大型设备的安全运行具有重要意义。

技术研发人员：吴金锋,赵越,袁书现,马官兵,曾晨明,陈怀东,王韦强,田磊云,雷屹坤,于长,黄飞
受保护的技术使用者：中广核检测技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19