一种可修正晶粒度差异的奥氏体钢残余应力检测方法与流程

本发明涉及残余应力检测，具体是一种可修正晶粒度差异的奥氏体钢残余应力检测方法。

背景技术：

1、奥氏体钢为常温下组织为稳定奥氏体单相的钢。奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种。由于奥氏体不锈钢具有全面、良好的综合性能，在工业上获得了广泛的应用。奥氏体的晶粒大小是影响钢的组织和性能的重要因素，钢的组织和成分以及热处理过程的加热温度、保温时间、加热速度等因素均会影响奥氏体的晶粒大小。

2、残余应力是工程结构质量判定的重要依据。残余应力的产生和释放通常会导致结构件尺寸稳定性变差，甚至导致重大运行装备发生灾变，而这种应力导致结构变形在构件装配和使用过程中是不可忽略的。因此对残余应力水平的快速、高效、无损监测、评定工业意义巨大。残余应力超声波检测法因其具有材料可穿透性、无损、快速、测量效率高、装置简单便携、环境适应性强等有点，受到广泛关注。超声波法测量残余应力属于间接性测量，超声波在待测样中的传播速度与待测样中的残余应力存在着声弹性关系，即超声波的在待测样中的传播速度和待测样中的残余应力基本呈现线性关系。根据超声波与待测样残余应力之间的关系，可以对待测试样的残余应力进行表征。但超声波在试样的传播速度不仅仅与待测试样的残余应力值有关，还受待测试样的微观组织的影响，对于奥氏体钢，超声波速受到奥氏体晶粒度的影响。现有技术中超声残余应力检测并没有考虑奥氏体晶粒度的差异导致的超声波速度变化，因而现有技术的超声残余应力检测方法检测奥氏体钢残余应力与实际的残余应力有一定的误差。有些研究在进行残余应力检测时，通过单独设置超声波探头检测测试区域的纵波衰减度减少微观组织的影响，但是一方面单独设置探头较为复杂，耦合误差大，且很难保证进行应力测试检测的测试区域与进行衰减度检测的测试区域相同，另一方面纵波属于体波，既存在扩散衰减，又存在介质衰减，不利于衰减度的准确检测。

3、激光超声是利用激光脉冲以热弹效应或烧蚀效应在材料表面激发出超声波脉冲，对待测试样进行超声波检测，从而获取待测试样信息的一种高精度、无损伤的新型超声检测技术。在现有技术中，通过激光超声检测残余应力一般是采用激光直接照射在待测工件表面，通过热弹性效应激发出声表面波或导波对残余应力进行检测，但在奥氏体钢表面通过热弹性效应激发超声波的能量转换效率低，为了获得适合检测的超声波信号，需要提高激光功率密度，容易对试样表面造成损伤。而且直接在试样表面激发超声波检测残余应力，一般是利用其产生的声表面波或导波，二者对应力的敏感程度均不如纵波，限制了激光超声用于残余应力检测的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可修正晶粒度差异的奥氏体钢残余应力检测方法，该方法无需更换探头或调整探头角度，即可实现待测试样临界折射纵波声速检测和表面波衰减度检测，从而修正晶粒尺寸大小不同所造成的残余应力误差，提高检测精度。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种可修正晶粒度差异的奥氏体钢残余应力检测方法，包括：

4、获取与待测试样同规格且具有不同晶粒度的标定试样；

5、对标定试样分别进行衰减系数标定试验和拉伸应力标定试验，获取标定试样的表面波衰减系数和不同应力状态下的临界折射纵波声速；

6、以标定试样的表面波衰减系数和不同应力状态下的临界折射纵波声速为自变量，以应力值为因变量，获取不同晶粒度下的应力状态函数；

7、利用预构建的超声激发探头对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测，获取待测试样的测试区域的表面波衰减系数和临界折射纵波声速；

8、将待测试样的测试区域的表面波衰减系数和临界折射纵波声速代入不同晶粒度下的应力状态函数，计算获取待测试样的测试区域经过微观组织修正后的残余应力值。

9、进一步的，所述超声激发探头包括玻璃楔块，所述玻璃楔块的一侧顶面为弧形顶面，另一侧顶面为斜面顶面；所述弧面顶面和斜面顶面均镀有热弹性材料层。

10、进一步的，所述斜面顶面与水平面的夹角为5°-15°。

11、进一步的，所述热弹性材料层为铬层或钨层或锡层，所述热弹性材料层的厚度为250nm-400nm。

12、进一步的，利用预构建的超声激发探头对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测，获取待测试样的测试区域的表面波衰减系数和临界折射纵波声速包括：

13、对超声激发探头进行表征，获取照射在超声激发探头上的激光束与其所激发出的超声纵波之间的关系；

14、将超声激发探头固定在待测试样的测试区域，确定激发以第一临界角θlcr入射至待测试样表面的超声纵波的激光束在超声激发探头上的照射位置a和激发以入射角度γ入射至待测试样表面的超声纵波的激光束在超声激发探头上的照射位置c；

15、根据照射位置a和照射位置c，利用脉冲宽度可调的脉冲激光器发射激光束照射在超声激发探头上激发超声纵波对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测，获取待测试样的测试区域的表面波衰减系数和临界折射纵波声速；

16、其中，以第一临界角θlcr入射至待测试样表面的超声纵波和以入射角度γ入射至待测试样表面的超声纵波在待测试样表面的入射位置重合，记为入射位置b。

17、进一步的，对超声激发探头进行表征，获取照射在超声激发探头上的激光束与其所激发出的超声纵波之间的关系包括：

18、在超声激发探头底部布置压电晶片阵列；

19、利用脉冲激光器发射不同脉冲宽度和不同单脉冲功率的激光束照射在超声激发探头的热弹性材料层上激发出超声纵波；

20、通过所述压电晶片阵列接收所述超声纵波并进行信号处理，确定激光束所激发出的最大幅值的超声纵波的中心频率与激光束的脉冲宽度之间的关系，以及激光束所激发出的最大幅值的超声纵波的声压与激光束的单脉冲功率之间的关系。

21、进一步的，确定激发以第一临界角θlcr入射至待测试样表面的超声纵波的激光束在超声激发探头上的照射位置a和激发以入射角度β入射至待测试样表面的超声纵波的激光束在超声激发探头上的照射位置c包括：

22、确定激光束所激发出的最大幅值的超声纵波所在线与激光束照射位置处平面的垂线之间的夹角α；

23、结合所述玻璃楔块的弧形顶面的曲率和第一临界角θlcr，根据几何关系获取照射位置a，并进一步获取入射位置b；

24、结合激光束所激发出的最大幅值的超声纵波所在线与激光束照射位置处平面的垂线之间的夹角α和入射位置b，以及入射角度β和所述玻璃楔块的斜面顶面与水平面之间的夹角，根据几何关系获取照射位置c。

25、进一步的，根据照射位置a和照射位置c，利用脉冲宽度可调的脉冲激光器发射激光束照射在超声激发探头上激发超声纵波对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测，获取待测试样的测试区域的表面波衰减系数和临界折射纵波声速包括：

26、通过预实验确定表面波检测深度与表面波中心频率之间的关系，以及临界折射纵波检测深度与临界折射纵波中心频率之间的关系；

27、基于表面波检测深度与表面波中心频率之间的关系，以及临界折射纵波检测深度与临界折射纵波中心频率之间的关系，根据需要的检测深度，确定表面波中心频率和临界折射纵波中心频率；

28、基于激光束所激发出的最大幅值的超声纵波的中心频率与激光束的脉冲宽度之间的关系，根据所确定的表面波中心频率和临界折射纵波中心频率，确定对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测的激光束的脉冲宽度；

29、根据所确定的脉冲宽度，利用脉冲宽度可调的脉冲激光器发射激光束照射在照射位置a处，激发出以第一临界角θlcr入射的超声纵波，通过超声采集装置在检测点采集临界折射纵波信号，并对临界折射纵波信号进行信号处理，获取待测试样的测试区域的临界折射纵波声速；

30、根据所确定的脉冲宽度，利用脉冲宽度可调的脉冲激光器发射激光束照射在照射位置c处，激发出以入射角度β入射的超声纵波，通过超声采集装置在检测点采集表面波信号，并对表面波信号进行信号处理，获取待测试样的测试区域的表面波衰减系数；

31、其中，对待测试样的测试区域进行临界折射纵波声速检测和表面波衰减度检测的检测深度相同。

32、进一步的，所述入射角度β为65°，所述脉冲激光器发射的激光束的波长为1064nm，冲宽度为10ns-10μs，单脉冲能量为1mj-10mj，重复频率为20hz-500hz。

33、进一步的，所述脉冲激光器还包括用于汇聚激光束的能量使激光束呈线型分布的线型聚焦单元，对待测试样的测试区域分别进行表面波衰减度检测和临界折射纵波声速检测时，照射在所述玻璃楔块上的呈线型分布的激光束的光斑长度方向平行于所述玻璃楔块的轴线，呈线型分布的激光束的光斑长度为5mm-15mm，宽度为200μm-500μm。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、本发明提供的可修正晶粒度差异的奥氏体钢残余应力检测方法，对于经过不同热处理导致晶粒度存在较大差异的奥氏体钢，通过表面波衰减系数表征晶粒度，表面波不存在扩散衰减，可适应各种尺寸的测试区域的衰减度检测，对晶粒度表征更加准确；在对晶粒度准确检测基础上，通过建立不同晶粒度下的应力状态函数，修正由于晶粒度不同造成的残余应力检测误差，降低超声波残余应力检测误差。

36、本发明提供的超声激发探头的顶面设有热弹性材料层，通过热弹性材料层激发出超声波，提高了激光超声的能量转换效率，通过调整激光束照射位置即可获得不同方向的超声纵波，一个超声激发探头即可同时实现临界折射纵波和表面波的激发，且可保证在进行临界折射纵波声速检测时，超声纵波精确地以第一临界角入射至待测试样表面，无需为了适应不同待测试样的第一临界角调整超声纵波入射方向，频繁更换探头楔块，使用方便灵活。通过调整激光束的照射位置，可保证临界折射纵波声速的测试区域与表面波衰减度检测的测试区域一致，且通过控制脉冲激光器的脉冲宽度，可保证临界折射纵波声速的测试区域与表面波衰减度检测的检测深度一致，进一步提高了残余应力检测精度。

37、本发明采用脉冲宽度可调的脉冲激光器，激光束的脉冲宽度决定了激光束诱导声波的中心频率，因此通过改变激光束脉冲宽度即可获得不同中心频率的超声波，实现不同深度的残余应力检测，无需更换探头，相比现有技术更加简单、高效。

38、本发明将用于激发以第一临界角θlcr入射至待测试样表面的超声纵波的玻璃楔块顶面设置成弧形面，可根据具体待测试样的第一临界角调整激光束的照射位置，从而保证激光激发出的超声纵波准确地以第一临界角入射至待测试样表面，用于激发以大于第二临界角的角度β入射至待测试样表面的超声纵波的玻璃楔块顶面设置成与水平面呈5°-15°的斜面，一方面可确定激发出的超声纵波以α+5°至α+15°的角度入射至待测试样表面，其中α一般为55°-60°，α+5°至α+15°入射角可激发出表面波，另一方面，斜面的设置可使得产生表面波的超声纵波的激发位置根据临界折射纵波声速检测的超声纵波入射位置而调整，保证以第一临界角θlcr入射至待测试样表面的超声纵波和以角度α+5°至α+15°入射至待测试样表面的超声纵波在待测试样上的入射位置重合。