本技術(shù)涉及智能制造裝備產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著全球航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各國對飛機使用壽命的要求不斷提高。然而，結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能成為了發(fā)展的瓶頸。大量研究表明，約30％的飛機失事與疲勞破壞有關(guān)，其中90％的失事由孔結(jié)構(gòu)的疲勞失效引起。而這些失效結(jié)構(gòu)中，70％的疲勞裂紋源于連接孔。因此，連接孔已成為限制飛機結(jié)構(gòu)整體可靠性的關(guān)鍵因素。孔擠壓強化技術(shù)是指利用一個直徑略大于孔徑且強度高于板材的錐形芯棒或圓球強制通過底孔，使孔壁發(fā)生彈塑性變形并引入殘余壓應(yīng)力的過程。零件連接孔在擠壓強化后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力顯著提升了其抗疲勞性能。準確預(yù)測孔端面殘余應(yīng)力的分布對于提高孔擠壓強化質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)以及準確評估零件疲勞性能具有重要意義。因此，實現(xiàn)孔擠壓強化后端面殘余應(yīng)力分布的快速、原位高精度檢測顯得尤為關(guān)鍵。

2、目前，常見的傳統(tǒng)殘余應(yīng)力檢測方法包括盲孔法、x射線衍射法、中子衍射法、壓電超聲法以及巴克豪森磁測法等。盲孔法通過在存在殘余應(yīng)力的零件表面鉆一個小孔，使孔鄰近區(qū)域的應(yīng)力釋放，從而產(chǎn)生應(yīng)變。通過測量應(yīng)變的大小和計算，可以得到鉆孔深度方向的平均殘余應(yīng)力。然而，盲孔法是一種破壞性的檢測方法，盡管檢測成本較低，但其破壞性限制了在加工零件上的原位檢測應(yīng)用。x射線衍射法具有較高的應(yīng)力測量精度，但只能檢測零件表面的應(yīng)力，需要結(jié)合電解逐層拋光法才能實現(xiàn)不同深度的殘余應(yīng)力檢測，且檢測區(qū)域較小。中子衍射法通過中子與晶體原子的相互作用產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，從中推斷材料中的應(yīng)力分布。然而，其樣品制備過程復(fù)雜，設(shè)備使用成本高，數(shù)據(jù)分析也較為復(fù)雜。壓電超聲法是一種常規(guī)的無損檢測方法，能夠檢測不同深度的殘余應(yīng)力，但無法適用于復(fù)雜表面，且檢測效率較低。巴克豪森殘余應(yīng)力檢測法基于磁性原理，是一種無損檢測技術(shù)，但僅適用于鐵磁性材料，對非鐵磁性材料無效。激光超聲是一種非接觸、無損傷的新型超聲檢測技術(shù)。利用脈沖激光以熱彈效應(yīng)在被檢測工件中同時激發(fā)不同波型的超聲波，通過接收傳播一定距離的超聲波信號，從而獲取被測零件的力學(xué)參數(shù)和缺陷特征。激光超聲檢測殘余應(yīng)力是基于材料的聲彈性效應(yīng)，即殘余應(yīng)力的存在會使超聲波傳播速度發(fā)生變化，通過分析超聲波速度的變化，再根據(jù)材料的聲彈性系數(shù)計算出殘余應(yīng)力的大小。

3、可見，現(xiàn)有技術(shù)的缺點總結(jié)如下：

4、(1)盲孔法是一種具有破壞性的檢測方法，會對零件的后續(xù)檢測或正常使用造成影響。

5、(2)x射線衍射法只能檢測表面殘余應(yīng)力(通常在幾微米到幾十微米范圍內(nèi))，且樣品制備過程較為復(fù)雜且檢測成本較高；壓電超聲法難以適用于曲面輪廓，且檢測效果和檢測效率較低；中子衍射法耗時長且成本高，試樣制備難度高；巴克豪森磁測法僅適用于鐵磁性材料。

6、(3)由于孔擠壓后的不同位置殘余應(yīng)力分布不均勻，而現(xiàn)有的殘余應(yīng)力檢測方法不能無損、快速測量出孔擠壓強化后孔端面區(qū)域的殘余應(yīng)力分布。

7、因此，為解決上述問題，亟需提供一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的是提供一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法及裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)孔端面殘余應(yīng)力分布的快速原位無損表征。

2、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案：

3、第一方面，本技術(shù)提供了一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法，所述用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法包括：

4、通過脈沖激光在孔擠壓強化后的試樣的表面激發(fā)出沿表面?zhèn)鞑サ娜鹄ǎ?/p>

5、利用紅外相機獲取固定在旋轉(zhuǎn)平臺上的孔擠壓強化后的試樣的紅外圖像；所述紅外圖像包括瑞利波激發(fā)處和瑞利波接收處兩個光斑的圖像；

6、結(jié)合孔擠壓強化后的試樣圓孔的半徑對紅外圖像進行處理，確定瑞利波傳播距離；

7、利用瑞利波傳播距離確定瑞利波速度；并利用有限元方法對瑞利波速度進行修正；

8、利用修正后的瑞利波速度結(jié)合聲彈性方程得到端面殘余應(yīng)力分布情況。

9、可選地，所述旋轉(zhuǎn)平臺每次轉(zhuǎn)動角度為瑞利波激發(fā)處與瑞利波接收處相對角度θ的5％。

10、可選地，所述結(jié)合孔擠壓強化后的試樣圓孔的半徑對紅外圖像進行處理，確定瑞利波傳播距離，具體包括：

11、將紅外圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；

12、采用二值化處理提取灰度圖像中的兩個光斑及中間圓??；

13、采用邊緣檢測算法來識別中間圓弧的邊緣；并采用輪廓提取方法提取出中間圓弧輪廓的曲線；

14、遍歷提取到的曲線，計算曲線的總長度；所述曲線的總長度為瑞利波傳播距離。

15、可選地，所述利用瑞利波傳播距離確定瑞利波速度；并利用有限元方法對瑞利波速度進行修正，具體包括：

16、建立曲面激光超聲有限元模型和平面激光超聲有限元模型；

17、在曲面激光超聲有限元模型和平面激光超聲有限元模型中分別設(shè)置四個相等的瑞利波傳播路程；

18、根據(jù)四個相等的瑞利波傳播路程計算瑞利波在平面?zhèn)鞑r的速度和曲面?zhèn)鞑r的速度；

19、根據(jù)瑞利波在平面?zhèn)鞑r的速度對其在曲面?zhèn)鞑r的速度進行修正。

20、可選地，聲彈性方程為：

21、dv＝k*dσ；

22、其中，dv＝v-v0為由于應(yīng)力的變化引起的瑞利波傳播速度的變化，dσ為殘余應(yīng)力的變化，k為試樣的聲彈性系數(shù)，v0為瑞利波在零應(yīng)力試樣中的傳播速度，v為修正后的瑞利波速度。

23、可選地，所述用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法，還包括：

24、采用拉伸法對試樣的聲彈性系數(shù)進行標定。

25、第二方面，本技術(shù)提供了一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的裝置，所述用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的裝置包括：

26、瑞利波獲取模塊，用于通過脈沖激光在孔擠壓強化后的試樣的表面激發(fā)出沿表面?zhèn)鞑サ娜鹄ǎ?/p>

27、紅外圖像獲取模塊，用于利用紅外相機獲取固定在旋轉(zhuǎn)平臺上的孔擠壓強化后的試樣的紅外圖像；所述紅外圖像包括瑞利波激發(fā)處和瑞利波接收處兩個光斑的圖像；

28、瑞利波傳播距離確定模塊，用于結(jié)合孔擠壓強化后的試樣圓孔的半徑對紅外圖像進行處理，確定瑞利波傳播距離；

29、修正模塊，用于利用瑞利波傳播距離確定瑞利波速度；并利用有限元方法對瑞利波速度進行修正；

30、端面殘余應(yīng)力分布情況確定模塊，用于利用修正后的瑞利波速度結(jié)合聲彈性方程得到端面殘余應(yīng)力分布情況。

31、根據(jù)本技術(shù)提供的具體實施例，本技術(shù)公開了以下技術(shù)效果：

32、本技術(shù)提供了一種用于檢測擠壓孔內(nèi)表面殘余應(yīng)力的方法及裝置，通過使用激光超聲技術(shù)非接觸無損檢測殘余應(yīng)力，解決了盲孔法等有損檢測方法在檢測殘余應(yīng)力時對零件造成破壞的問題。使用激光超聲技術(shù)檢測孔擠壓強化殘余應(yīng)力，解決了x射線衍射法只能檢測表面殘余應(yīng)力、中子衍射法成本高，以及壓電超聲難以適用于曲面輪廓的問題。通過對孔擠壓強化后孔端面的殘余應(yīng)力整體分布進行快速無損評估，解決了使用傳統(tǒng)單點殘余應(yīng)力檢測方法時，由于孔擠壓強化后不同位置殘余應(yīng)力分布不均勻所帶來評估誤差較大的問題，實現(xiàn)殘余應(yīng)力分布的檢測。通過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導(dǎo)致的殘余應(yīng)力檢測誤差。本技術(shù)實現(xiàn)孔擠壓強化后的試樣端面殘余應(yīng)力的快速、無損檢測，并且是端面殘余應(yīng)力的整體分布，能夠更準確地表征了孔擠壓強化后殘余應(yīng)力在試樣端面的分布情況。