一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法及装置

本技术涉及智能制造装备产业领域，特别是涉及一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法及装置。

背景技术：

1、随着全球航空产业的发展，各国对飞机使用寿命的要求不断提高。然而，结构的抗疲劳性能成为了发展的瓶颈。大量研究表明，约30％的飞机失事与疲劳破坏有关，其中90％的失事由孔结构的疲劳失效引起。而这些失效结构中，70％的疲劳裂纹源于连接孔。因此，连接孔已成为限制飞机结构整体可靠性的关键因素。孔挤压强化技术是指利用一个直径略大于孔径且强度高于板材的锥形芯棒或圆球强制通过底孔，使孔壁发生弹塑性变形并引入残余压应力的过程。零件连接孔在挤压强化后产生的残余压应力显著提升了其抗疲劳性能。准确预测孔端面残余应力的分布对于提高孔挤压强化质量、优化工艺参数以及准确评估零件疲劳性能具有重要意义。因此，实现孔挤压强化后端面残余应力分布的快速、原位高精度检测显得尤为关键。

2、目前，常见的传统残余应力检测方法包括盲孔法、x射线衍射法、中子衍射法、压电超声法以及巴克豪森磁测法等。盲孔法通过在存在残余应力的零件表面钻一个小孔，使孔邻近区域的应力释放，从而产生应变。通过测量应变的大小和计算，可以得到钻孔深度方向的平均残余应力。然而，盲孔法是一种破坏性的检测方法，尽管检测成本较低，但其破坏性限制了在加工零件上的原位检测应用。x射线衍射法具有较高的应力测量精度，但只能检测零件表面的应力，需要结合电解逐层抛光法才能实现不同深度的残余应力检测，且检测区域较小。中子衍射法通过中子与晶体原子的相互作用产生衍射现象，从中推断材料中的应力分布。然而，其样品制备过程复杂，设备使用成本高，数据分析也较为复杂。压电超声法是一种常规的无损检测方法，能够检测不同深度的残余应力，但无法适用于复杂表面，且检测效率较低。巴克豪森残余应力检测法基于磁性原理，是一种无损检测技术，但仅适用于铁磁性材料，对非铁磁性材料无效。激光超声是一种非接触、无损伤的新型超声检测技术。利用脉冲激光以热弹效应在被检测工件中同时激发不同波型的超声波，通过接收传播一定距离的超声波信号，从而获取被测零件的力学参数和缺陷特征。激光超声检测残余应力是基于材料的声弹性效应，即残余应力的存在会使超声波传播速度发生变化，通过分析超声波速度的变化，再根据材料的声弹性系数计算出残余应力的大小。

3、可见，现有技术的缺点总结如下：

4、(1)盲孔法是一种具有破坏性的检测方法，会对零件的后续检测或正常使用造成影响。

5、(2)x射线衍射法只能检测表面残余应力(通常在几微米到几十微米范围内)，且样品制备过程较为复杂且检测成本较高；压电超声法难以适用于曲面轮廓，且检测效果和检测效率较低；中子衍射法耗时长且成本高，试样制备难度高；巴克豪森磁测法仅适用于铁磁性材料。

6、(3)由于孔挤压后的不同位置残余应力分布不均匀，而现有的残余应力检测方法不能无损、快速测量出孔挤压强化后孔端面区域的残余应力分布。

7、因此，为解决上述问题，亟需提供一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法及装置，能够实现孔端面残余应力分布的快速原位无损表征。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供了一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法，所述用于检测挤压孔内表面残余应力的方法包括：

4、通过脉冲激光在孔挤压强化后的试样的表面激发出沿表面传播的瑞利波；

5、利用红外相机获取固定在旋转平台上的孔挤压强化后的试样的红外图像；所述红外图像包括瑞利波激发处和瑞利波接收处两个光斑的图像；

6、结合孔挤压强化后的试样圆孔的半径对红外图像进行处理，确定瑞利波传播距离；

7、利用瑞利波传播距离确定瑞利波速度；并利用有限元方法对瑞利波速度进行修正；

8、利用修正后的瑞利波速度结合声弹性方程得到端面残余应力分布情况。

9、可选地，所述旋转平台每次转动角度为瑞利波激发处与瑞利波接收处相对角度θ的5％。

10、可选地，所述结合孔挤压强化后的试样圆孔的半径对红外图像进行处理，确定瑞利波传播距离，具体包括：

11、将红外图像转换为灰度图像；

12、采用二值化处理提取灰度图像中的两个光斑及中间圆弧；

13、采用边缘检测算法来识别中间圆弧的边缘；并采用轮廓提取方法提取出中间圆弧轮廓的曲线；

14、遍历提取到的曲线，计算曲线的总长度；所述曲线的总长度为瑞利波传播距离。

15、可选地，所述利用瑞利波传播距离确定瑞利波速度；并利用有限元方法对瑞利波速度进行修正，具体包括：

16、建立曲面激光超声有限元模型和平面激光超声有限元模型；

17、在曲面激光超声有限元模型和平面激光超声有限元模型中分别设置四个相等的瑞利波传播路程；

18、根据四个相等的瑞利波传播路程计算瑞利波在平面传播时的速度和曲面传播时的速度；

19、根据瑞利波在平面传播时的速度对其在曲面传播时的速度进行修正。

20、可选地，声弹性方程为：

21、dv＝k*dσ；

22、其中，dv＝v-v0为由于应力的变化引起的瑞利波传播速度的变化，dσ为残余应力的变化，k为试样的声弹性系数，v0为瑞利波在零应力试样中的传播速度，v为修正后的瑞利波速度。

23、可选地，所述用于检测挤压孔内表面残余应力的方法，还包括：

24、采用拉伸法对试样的声弹性系数进行标定。

25、第二方面，本技术提供了一种用于检测挤压孔内表面残余应力的装置，所述用于检测挤压孔内表面残余应力的装置包括：

26、瑞利波获取模块，用于通过脉冲激光在孔挤压强化后的试样的表面激发出沿表面传播的瑞利波；

27、红外图像获取模块，用于利用红外相机获取固定在旋转平台上的孔挤压强化后的试样的红外图像；所述红外图像包括瑞利波激发处和瑞利波接收处两个光斑的图像；

28、瑞利波传播距离确定模块，用于结合孔挤压强化后的试样圆孔的半径对红外图像进行处理，确定瑞利波传播距离；

29、修正模块，用于利用瑞利波传播距离确定瑞利波速度；并利用有限元方法对瑞利波速度进行修正；

30、端面残余应力分布情况确定模块，用于利用修正后的瑞利波速度结合声弹性方程得到端面残余应力分布情况。

31、根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：

32、本技术提供了一种用于检测挤压孔内表面残余应力的方法及装置，通过使用激光超声技术非接触无损检测残余应力，解决了盲孔法等有损检测方法在检测残余应力时对零件造成破坏的问题。使用激光超声技术检测孔挤压强化残余应力，解决了x射线衍射法只能检测表面残余应力、中子衍射法成本高，以及压电超声难以适用于曲面轮廓的问题。通过对孔挤压强化后孔端面的残余应力整体分布进行快速无损评估，解决了使用传统单点残余应力检测方法时，由于孔挤压强化后不同位置残余应力分布不均匀所带来评估误差较大的问题，实现残余应力分布的检测。通过有限元方法修正了由于瑞利波在曲面的色散速度大于平面而导致的残余应力检测误差。本技术实现孔挤压强化后的试样端面残余应力的快速、无损检测，并且是端面残余应力的整体分布，能够更准确地表征了孔挤压强化后残余应力在试样端面的分布情况。