激光电子散斑干涉法测试应力技术及设备简介

哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室

 
简介 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室与国外著名研究结构合作开发出具有国际最高精度的应力测试技术装置--便携式激光电子散斑法残余应力测试设备，与其它应力测试手段比较，本方法的最大特点是测试原理先进、精度高，应力测量误差一般仅为被测材料屈服强度的 5-8%，同时测试过程快捷方便，成为目前最先进的应力测试技术之一。
 
设备用途 该技术设备适用于各类热加工方法如焊接、铸造、压力成形热处理、各类冷加工如机械加工等方式制造的金属构件的残余应力测量，以及其它制造方式得到的具有恒定弹性模量 E 的材料的应力测量。
 
测试原理及特点 激光散斑干涉法测试应力技术是基于小孔法应力测试原理开发的，具体说，是将位于应力场内的待测试位置钻一直径Φ 1~2mm、深 1~2mm 的小孔，构件内应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力将重新调整，通过激光散斑图像采集得到钻孔前后反映孔周围应变变化的激光电子散斑图像，进一步对两幅图像进行光学分析处理，获得钻孔引起的应变场云图，用弹性力学来推算出小孔处的应力。本测试技术的先进性主要体现在基本消除了传统小孔法应力测试技术固有的、导致测试精度下降的误差来源：应变片粘贴位置偏差、应变片制作精度误差、应变片与基体接合的不可靠、钻孔位置偏差（实际加工的孔中心与应变花标识的打孔中心产生偏离）、测试电路的系统误差等等。
 
设备组成 该测试设备由散斑干涉仪、光导装置、工业 CCD 照相机、激光器及计算机等组成，如图 1 所示。
 
图 1 应力测试设备组成
 
1- 散斑干涉仪 2-光导向装置 3-带电源的激光器 4-计算机（含自动分析软件）
 
测试过程 将测试组件置于待测工件表面，如图 2 所示，记录初始状态（激光散斑图像），此时基于散斑干涉原理制成的测试组件将初始干涉图像记录在覆


图 2 待测试工件上的测试组件                      图 3 在测试位置钻孔图                        图4 图像处理后得到的小孔周围的应变云纹图

有非晶半导体的感光元件上，在测试组件中采用散斑干涉法并借助计算机进行图像采集记录；然后在位于激光斑点中心附近的待测试位置钻一小孔，如图 3 所示，重新采集记录第二幅激光全息图像；计算机对两幅电子散斑图像进行进一步出理。 
获得的反映小孔应力释放的应变云纹图及测试结果，如图 4 所示。

测试结果 一次测量可以得到六个参量数据，包括：预先设定坐标系中 X、
两个垂直方向的残余应力数值 S_xx 及 S_yy，以及切应力数值 τ_xy；第一、第二主应力数值 S₁ 及 S₂，主应力方向与坐标系横轴的夹角θ 。
 
实测举例
 
5 为航空发动机引擎部件不同部位残余应力测量结果。
 
图5   航空发动机部件应力测量
 

6 为齿轮焊接结构不同部位残余应力测量。

 
图 6 为齿轮焊接结构不同部位残余应力测量

7 为常规焊接和采用消除焊接应力的特殊工艺措施条件下获得的应力测量结果对比。
 
a）常规焊接残余应力峰值图像 b）实施特殊消除应力工艺的焊接应力峰值图像

c）两种情况下的应力测试结果
 
7   多点应力测量--减小焊接应力方法评估
 
8 为采用激光斑点干涉法对圆柱筒体结构进行残余应力测量结果。
 
 
图 8 圆柱筒体结构的残余应力测量