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激光電子散斑干涉法測(cè)試應(yīng)力技術(shù)及設(shè)備簡介

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

 
簡介 哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與國外著名研究結(jié)構(gòu)合作開發(fā)出具有國際最高精度的應(yīng)力測(cè)試技術(shù)裝置--便攜式激光電子散斑法殘余應(yīng)力測(cè)試設(shè)備，與其它應(yīng)力測(cè)試手段比較，本方法的最大特點(diǎn)是測(cè)試原理先進(jìn)、精度高，應(yīng)力測(cè)量誤差一般僅為被測(cè)材料屈服強(qiáng)度的 5-8%，同時(shí)測(cè)試過程快捷方便，成為目前最先進(jìn)的應(yīng)力測(cè)試技術(shù)之一。
 
設(shè)備用途 該技術(shù)設(shè)備適用于各類熱加工方法如焊接、鑄造、壓力成形熱處理、各類冷加工如機(jī)械加工等方式制造的金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力測(cè)量，以及其它制造方式得到的具有恒定彈性模量 E 的材料的應(yīng)力測(cè)量。
 
測(cè)試原理及特點(diǎn) 激光散斑干涉法測(cè)試應(yīng)力技術(shù)是基于小孔法應(yīng)力測(cè)試原理開發(fā)的，具體說，是將位于應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的待測(cè)試位置鉆一直徑Φ 1~2mm、深 1~2mm 的小孔，構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力平衡受到破壞，鉆孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整，通過激光散斑圖像采集得到鉆孔前后反映孔周圍應(yīng)變變化的激光電子散斑圖像，進(jìn)一步對(duì)兩幅圖像進(jìn)行光學(xué)分析處理，獲得鉆孔引起的應(yīng)變場(chǎng)云圖，用彈性力學(xué)來推算出小孔處的應(yīng)力。本測(cè)試技術(shù)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在基本消除了傳統(tǒng)小孔法應(yīng)力測(cè)試技術(shù)固有的、導(dǎo)致測(cè)試精度下降的誤差來源：應(yīng)變片粘貼位置偏差、應(yīng)變片制作精度誤差、應(yīng)變片與基體接合的不可靠、鉆孔位置偏差（實(shí)際加工的孔中心與應(yīng)變花標(biāo)識(shí)的打孔中心產(chǎn)生偏離）、測(cè)試電路的系統(tǒng)誤差等等。
 
設(shè)備組成 該測(cè)試設(shè)備由散斑干涉儀、光導(dǎo)裝置、工業(yè) CCD 照相機(jī)、激光器及計(jì)算機(jī)等組成，如圖 1 所示。
 
圖 1 應(yīng)力測(cè)試設(shè)備組成
 
1- 散斑干涉儀 2-光導(dǎo)向裝置 3-帶電源的激光器 4-計(jì)算機(jī)（含自動(dòng)分析軟件）
 
測(cè)試過程 將測(cè)試組件置于待測(cè)工件表面，如圖 2 所示，記錄初始狀態(tài)（激光散斑圖像），此時(shí)基于散斑干涉原理制成的測(cè)試組件將初始干涉圖像記錄在覆


圖 2 待測(cè)試工件上的測(cè)試組件                      圖 3 在測(cè)試位置鉆孔圖                        圖4 圖像處理后得到的小孔周圍的應(yīng)變?cè)萍y圖

有非晶半導(dǎo)體的感光元件上，在測(cè)試組件中采用散斑干涉法并借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集記錄；然后在位于激光斑點(diǎn)中心附近的待測(cè)試位置鉆一小孔，如圖 3 所示，重新采集記錄第二幅激光全息圖像；計(jì)算機(jī)對(duì)兩幅電子散斑圖像進(jìn)行進(jìn)一步出理。 
獲得的反映小孔應(yīng)力釋放的應(yīng)變?cè)萍y圖及測(cè)試結(jié)果，如圖 4 所示。

測(cè)試結(jié)果 一次測(cè)量可以得到六個(gè)參量數(shù)據(jù)，包括：預(yù)先設(shè)定坐標(biāo)系中 X、
兩個(gè)垂直方向的殘余應(yīng)力數(shù)值 S_xx 及 S_yy，以及切應(yīng)力數(shù)值 τ_xy；第一、第二主應(yīng)力數(shù)值 S₁ 及 S₂，主應(yīng)力方向與坐標(biāo)系橫軸的夾角θ 。
 
實(shí)測(cè)舉例
 
5 為航空發(fā)動(dòng)機(jī)引擎部件不同部位殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。
 
圖5   航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件應(yīng)力測(cè)量
 

6 為齒輪焊接結(jié)構(gòu)不同部位殘余應(yīng)力測(cè)量。

 
圖 6 為齒輪焊接結(jié)構(gòu)不同部位殘余應(yīng)力測(cè)量

7 為常規(guī)焊接和采用消除焊接應(yīng)力的特殊工藝措施條件下獲得的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
 
a）常規(guī)焊接殘余應(yīng)力峰值圖像 b）實(shí)施特殊消除應(yīng)力工藝的焊接應(yīng)力峰值圖像

c）兩種情況下的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
 
7   多點(diǎn)應(yīng)力測(cè)量--減小焊接應(yīng)力方法評(píng)估
 
8 為采用激光斑點(diǎn)干涉法對(duì)圓柱筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。
 
 
圖 8 圓柱筒體結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力測(cè)量