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激光電子散斑干涉法測試應力技術及設備簡介

哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室

 
簡介 哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室與國外著名研究結構合作開發出具有國際最高精度的應力測試技術裝置--便攜式激光電子散斑法殘余應力測試設備，與其它應力測試手段比較，本方法的最大特點是測試原理先進、精度高，應力測量誤差一般僅為被測材料屈服強度的 5-8%，同時測試過程快捷方便，成為目前最先進的應力測試技術之一。
 
設備用途 該技術設備適用于各類熱加工方法如焊接、鑄造、壓力成形熱處理、各類冷加工如機械加工等方式制造的金屬構件的殘余應力測量，以及其它制造方式得到的具有恒定彈性模量 E 的材料的應力測量。
 
測試原理及特點 激光散斑干涉法測試應力技術是基于小孔法應力測試原理開發的，具體說，是將位于應力場內的待測試位置鉆一直徑Φ 1~2mm、深 1~2mm 的小孔，構件內應力平衡受到破壞，鉆孔周圍的應力將重新調整，通過激光散斑圖像采集得到鉆孔前后反映孔周圍應變變化的激光電子散斑圖像，進一步對兩幅圖像進行光學分析處理，獲得鉆孔引起的應變場云圖，用彈性力學來推算出小孔處的應力。本測試技術的先進性主要體現在基本消除了傳統小孔法應力測試技術固有的、導致測試精度下降的誤差來源：應變片粘貼位置偏差、應變片制作精度誤差、應變片與基體接合的不可靠、鉆孔位置偏差（實際加工的孔中心與應變花標識的打孔中心產生偏離）、測試電路的系統誤差等等。
 
設備組成 該測試設備由散斑干涉儀、光導裝置、工業 CCD 照相機、激光器及計算機等組成，如圖 1 所示。
 
圖 1 應力測試設備組成
 
1- 散斑干涉儀 2-光導向裝置 3-帶電源的激光器 4-計算機（含自動分析軟件）
 
測試過程 將測試組件置于待測工件表面，如圖 2 所示，記錄初始狀態（激光散斑圖像），此時基于散斑干涉原理制成的測試組件將初始干涉圖像記錄在覆


圖 2 待測試工件上的測試組件                      圖 3 在測試位置鉆孔圖                        圖4 圖像處理后得到的小孔周圍的應變云紋圖

有非晶半導體的感光元件上，在測試組件中采用散斑干涉法并借助計算機進行圖像采集記錄；然后在位于激光斑點中心附近的待測試位置鉆一小孔，如圖 3 所示，重新采集記錄第二幅激光全息圖像；計算機對兩幅電子散斑圖像進行進一步出理。 
獲得的反映小孔應力釋放的應變云紋圖及測試結果，如圖 4 所示。

測試結果 一次測量可以得到六個參量數據，包括：預先設定坐標系中 X、
兩個垂直方向的殘余應力數值 S_xx 及 S_yy，以及切應力數值 τ_xy；第一、第二主應力數值 S₁ 及 S₂，主應力方向與坐標系橫軸的夾角θ 。
 
實測舉例
 
5 為航空發動機引擎部件不同部位殘余應力測量結果。
 
圖5   航空發動機部件應力測量
 

6 為齒輪焊接結構不同部位殘余應力測量。

 
圖 6 為齒輪焊接結構不同部位殘余應力測量

7 為常規焊接和采用消除焊接應力的特殊工藝措施條件下獲得的應力測量結果對比。
 
a）常規焊接殘余應力峰值圖像 b）實施特殊消除應力工藝的焊接應力峰值圖像

c）兩種情況下的應力測試結果
 
7   多點應力測量--減小焊接應力方法評估
 
8 為采用激光斑點干涉法對圓柱筒體結構進行殘余應力測量結果。
 
 
圖 8 圓柱筒體結構的殘余應力測量