一种高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置以及方法与流程

1.本发明涉及高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置以及方法。


背景技术：

2.随着国防和现代化工业的飞速发展，航空航天、机械、能源和石化等领域的机械装备日趋大型化、集成化、高速化和自动化。高温、高压、高速度运行及高负荷的工作条件成为现代化工业的重要标志。为了保证这些机械设备器件的安全可靠，需要对其表面以及内部裂纹缺陷、弹性模量、残余应力以及晶粒尺寸等特征进行结构健康检测，这种检测方法即为无损检测技术。
3.而高温合金材料是工业与国防领域的基础与核心，关系到国民经济的重点行业与安全。而目前，我们国家在高端高温合金的研制方面与国外存在很大的差距，是一类非常致命的“卡脖子”技术，其主要原因是由于在材料的冶炼、冷/热处理、表面处理等关键工艺上无法实施材料质量的原位、在线监控，无法开展热处理过程中的材料性能演化和质量的监测，造成机理不清楚、质量监控不严格等问题。
4.激光超声技术一直是国内外无损检测领域中的研究热点，与传统的目视检测、x 射线法、磁粉法、渗透法，涡流法和超声检测法相比，通过光激发和光探测，激光超声有着天然的优势。光的传播无需介质，准直性好，相干性高，可实现远距离完全非接触式检测，可对高温、高压、有毒、腐蚀性强的待测构件进行原位监测，在无损探伤领域有着巨大应用价值。
5.因此，急需开发基于非接触式的激光超声在线监测技术，实现高温合金在高温、高压等极端环境下的在线监测。
[0006] 专利（cn 212321513 u），（cn 113588566 b），（cn 114689514 a）虽然公开了可通过激光超声技术对工业结构件进行检测，但都基于常温常压，无法在高温高压等恶劣环境下实施。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是要提供一种高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置以及方法，解决了在高温极端环境以及复杂形貌结构件检测的基于激光超声的高温载荷原位检测的问题。
[0008]
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：1. 一种高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置，它包括 高温真空载荷系统，所述高温真空载荷系统包括真空载荷机构、力学载荷机构和高温加热机构，所述真空载荷机构包括真空载荷腔体和观察样品的观察窗口，所述力学载荷机构和高温加热机构设置在真空载荷腔体内；激光激励系统，所述激光激励系统包括激光发射器，所述激光发生器的激光输出口外依次设置有二分之一波片、偏振分光镜和反射镜；激光探测系统，所述激光探测系统包括激光多普勒测振仪，所述激光多普勒测振
仪的激光输出口外设依次设置有滤光片和分光镜，所述反射镜配置为接收偏振分光镜的部分光线并反射至所述分光镜中；扫描振镜系统，所述扫描振镜系统包括可调光阑、f-theta扫描透镜和扫描振镜机构，所述扫描振镜系统配置为接收分光镜的光线并将该光线反射至观察窗口处；采集处理与分析系统，所述采集处理与分析系统包括采集卡和处理器，所述激光激励系统的输出端与采集卡相连，激光探测系统的输出端与高速采集卡相连，扫描振镜系统和高温真空载荷系统的输入端均与处理器相连接。
[0009]
优选地，所述观察窗口和f-theta扫描透镜之间设置有可调光阑且三者中心位于同一条直线上。
[0010]
优选地，所述扫描振镜机构和分光镜之间也设有可调光阑且三者中心位于同一条直线上。
[0011]
优选地，所述力学载荷机构可实现连续的压力动态加载。
[0012]
优选地，所述滤光片以倾斜45度角的结构放置于激光多普勒测振仪的激光输出口外的正前方。
[0013]
进一步地，还包括有能量探测器，所述能量探测器配置为接收偏振分光镜的另一部分光线。
[0014]
进一步地，所述激光激励系统、激光探测系统、能量探测器、偏振分光镜，二分之一波片，反射镜、 分光镜、滤光片、可调光阑、f-theta扫描透镜、 扫描振镜机构均位于同一个水平面上。
[0015]
8. 一种高温载荷原位检测的激光超声无损检测方法，采用以上任一项所述的高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置，检测方法包括以下步骤：s1：将待检测样品放置于真空载荷腔体内，并用夹具固定；s2：启动真空载荷机构并真空载荷腔体内抽至真空；s3：打开激光发射器和激光多普勒测振仪；s4：通过反射镜和可调光阑调试s3中两束激光直至两束激光光斑中心完全重合并透过观察窗口后聚焦在待检测样品表面；s5：移除可调光阑；s6：启动采集处理与分析系统；s7：分别设置扫描振镜系统、采集卡、力学载荷机构和高温加热机构的各种参数；s8：以上设备开启工作并进行原位检测，并捕获待检测样品的超声脉冲信号；s9：对超声脉冲信号进行实时分析。
[0016]
优选地，所述s3中激光发射器和激光多普勒测振仪分别发出的脉冲激光和检测激光，所述脉冲激光和检测机构的波长分别在1064 nm和633 nm 。
[0017]
优选地，所述s7中，所述扫描振镜系统中振镜扫描机构的扫描步长在10 微米~1 厘米之间；扫描区域在0.01平方厘米~0.04平方米之间。
[0018]
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：1．完全非接触式激光微焊点无损检测，扫查速度快，能快速扫查待检测的物品表面及其内部；2. 具备检测高温合金在模拟退火过程中的应力应变，弹性模量，晶粒尺寸大小，
表面及内部缺陷功能；能实现在高温、高压等极端环境下的产品在线测量和记录；3. 该方法适用与不同产品，因此在高温载荷原位检测等工业及国防领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0019]
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是本发明实施例的结构示意图；图2是本发明实施例的工作流程。
[0020]
其中，附图标记说明如下：1-1、真空载荷腔体； 1-2、观察窗口；2、高温加热机构；3、力学载荷机构；4、激光发射器；5、二分之一波片；6、偏振分光镜；7、反射镜；8能量探测器9、激光多普勒测振仪；10、滤光片；11、分光镜；12、可调光阑；13、f-theta扫描透镜；14、扫描振镜机构；15、采集处理与分析系统。
具体实施方式
[0021]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0023]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0024]
如图1所示高温载荷原位检测的激光超声无损检测装置，包括以下结构：高温真空载荷系统，高温真空载荷系统包括真空载荷机构、力学载荷机构3和高温加热机构2，真空载荷机构包括真空载荷腔体1-1和观察样品的观察窗口1-2，力学载荷机构3和高温加热机构2设置在真空载荷腔体1-1内；物品放置在真空载荷腔体1-1中，由真空载荷腔体1-1中的夹具进行固定，真空载荷机构还包括抽取真空组件，可以将真空载荷腔体1-1内抽成真空环境，高温加热机构2包括多根加热管，均匀分布在墙体内，以便开启时对物品进行均匀的加热，力学载荷机构3设置在物品的上下两端，可以对向启动挤压物品，可实现连续的动态加载，力学载荷机构3的最大拉力为5000n，和高温加热机构2的最高加热温度为1200℃。
[0025] 激光激励系统，激光激励系统包括激光发射器4，激光发射器4的激光输出口外依次设置有二分之一波片5、偏振分光镜6和反射镜7；激光发射器4为纳秒脉冲激光器，一般的
波长为1064nm，脉宽在6~12 ns ，激光激励系统发出的激光经过二分之一波片5后到达偏振分光镜6，一部分光被偏振分光镜6反射进入能量探测器8，另一部分被偏振分光镜6透射至反射镜7，分出一部分的激光到能量探测器8以实时观测能量变化，在具体检测中，可以其中可通过旋转二分之一波片5来及时改变激光发射器4发生出的激光的能量。
[0026]
激光探测系统，激光探测系统包括激光多普勒测振仪9，激光多普勒测振仪9发射的激光波长在632.8nm，通常取值633，,激光多普勒测振仪9的激光输出口外设依次设置有滤光片10和分光镜11，其中反射镜7到接收偏振分光镜6的部分光线并反射至分光镜11中；激光多普勒测振仪9所发出的激光束通过滤光片10后同样到达分光镜11，滤光片1014直径为2 英寸，倾斜45
°
放置于激光多普勒测振仪9的激光输出口的正前方，并且对633 nm波长的光具有高透过率，对其他波长的光高反射，因此可以将激光多普勒测振仪9所发出的激光束高质量透出。
[0027]
扫描振镜系统，扫描振镜系统包括可调光阑12、f-theta扫描透镜13和扫描振镜机构14，扫描振镜系统配置为接收分光镜11的光线并将该光线反射至观察窗口1-2处；扫描振镜机构14的最大共振频率为10 khz，优选为2 khz，以在保证扫描质量的前提下进行快速扫描检测物品，使得激光尽可能的传递至到达物品的每个角落，扫描振镜机构14将激光激励系统和激光探测系统发出的激光聚焦成点光源并按照预设扫查路径在多轴位移平台的样品表面激发超声波，扫描区域范围为200 mm
×
200 mm，此外，扫描振镜机构14设置对633 nm和1064 nm波长的光具有高反射率的结构。f-theta扫描透镜13将不同角度入射的光束聚焦在一个平坦像面上。观察窗口1-23为耐高温材料，并且对于633 nm和1064 nm的光具有高透射率。
[0028]
观察窗口1-2和f-theta扫描透镜13之间设有可调光阑12，并且三者中心位于同一条直线上；扫描振镜系统和分光镜11之间也设有可调光阑12，并且三者中心位于同一条直线上，可调光阑12的作用是和反射镜7一起，调试由激光发射器4和激光多普勒测振仪9发出的两束激光，使得两束激光的光斑完全重合，最终透过观察窗口1-2聚焦在物品表面。这里重合是指无论设置什么样的扫描路径，最后聚焦在物品上的光斑中心始终重合在一起。f-theta扫描透镜13是将不同角度入射的光束聚焦在一个平坦像面上。
[0029]
采集处理与分析系统15，采集处理与分析系统15包括采集卡和处理器，激光激励系统的输出端与采集卡相连，激光探测系统的输出端与高速采集卡相连，激光激励系统的内部触发接口通过bnc转sma线与采集卡相连，激光探测系统通过bnc转sma线与高速采集卡相连，将激光信息传递至采集卡中进行保存处理成像，扫描振镜系统和高温真空载荷系统的输入端均与处理器相连接。扫描振镜系统通过usb线与处理器相连，高温真空载荷系统通过rs232线与处理器相连。通过上位机软件可同时设置扫描振镜系统和高温真空载荷系统的参数并对其控制。
[0030]
激光激励系统、激光探测系统、能量探测器8、偏振分光镜6，二分之一波片5，反射镜7、 分光镜11、滤光片10、可调光阑12、f-theta扫描透镜13、 扫描振镜系统均位于同一个水平面上，这样的目的是使得激光能更好的进行传递。
[0031]
该装置的原理为利用激光发射器4脉冲激光产生超声波的物理过程，脉冲激光作用在工件上产生热量，从而激发出物体超声脉冲信号。由于超声波是物体受热激发的，并在物体表面和内部进行传播，所以携带有物体的厚度、缺陷、应力及结构信息。与此同时激光
多普勒测振仪产生的检测激光也随之照射到物品表面时，超声波振动会对其进行调制，使其转变为能够测量的细微的光程或频率的变化反馈至激光多普勒测振仪中，再通过算法将其获取的超声信息进行处理从而反推出我们想要的信息。
[0032]
于是基于上述装置和原理，本发明还包括了一种高温载荷原位检测的激光超声无损检测方法，如图2所示，检测方法包括以下步骤：s1：将待检测样品放置于真空载荷腔体1-1内，并用夹具固定；s2：启动真空载荷机构并将真空载荷腔体1-1内抽至真空；使得内部压强低于10-4 pa；s3：打开激光发射器4和激光多普勒测振仪9；发出脉冲激光和检测激光，脉冲激光和检测机构的波长分别在1064 nm和633 nm ，所以后续的设备均调整到最佳适应该波长的形态中；s4：通过反射镜7和可调光阑12调试s3中两束激光直至两束激光光斑中心完全重合并透过观察窗口1-2后聚焦在待检测样品表面；调试过程如下，先固定物品位置，确定物品上的扫描位置1，旋转反射镜7的前后、上下及俯仰角来改变激光发射器4发出光路的轨迹，使其与激光多普勒测振仪9发出的光一同通过两个位置的光阑，并观察两束光聚焦的光斑是否重合。相继减小两个的透光孔径，继续调节观察直至两束光的聚焦后的光斑中心完全重合在一点，即可认为在扫描位置1处，两束光完全重合；通过扫描振镜机构14的改变照射到扫描位置2，按照上述同样的步骤调节光斑中心直至重合；通过扫描振镜系统6改变照射到扫描位置3，按照上述同样的步骤调节光斑中心直至重合；若三个不同位置的光斑中心完全重合，则认为在扫描过程中两束光始终保持重合状态；s5：当调试完，使二者聚焦在样品上的光斑中心始终重合在一起后，移除两个位置的可调光阑12；s6：启动采集处理与分析系统15；采集卡通过pcie插槽置于处理器的主机内部；s7：分别设置扫描振镜系统、采集卡、力学载荷机构3和高温加热机构2的各种参数；根据实际待测样品的大小，扫描振镜系统的扫描步长在10 微米至1 厘米之间。扫描区域在0.01平方厘米至0.04平方米之间，确保样品的每个位置和角落都能扫描到，采集卡的采样率在为200 mhz至500 mhz之间，分辨率为16位。温度参数为室温至1200 ℃可选，升温速率在0.01 ℃每秒钟至50 ℃每秒钟之间。载荷参数在拉力0 ~5000 n之间；s8：以上设备开启工作并进行原位检测，将重合的光束聚焦成点光源并按照预设扫查路径在表面激发超声波，激光多普勒测振仪9并捕获待检测样品的超声脉冲信号；并将信号传递至采集器中；s9：由采集器对超声脉冲信号进行实时分析并将数据和图像反映在处理器的显示屏中。
[0033]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。