激光超聲應(yīng)力檢測(cè)方法 金屬材料（征求意見稿）

1T/CSAA2X-2024激光超聲應(yīng)力檢測(cè)方法金屬材料本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了激光超聲應(yīng)力檢測(cè)的方法和原理、人員、環(huán)境、設(shè)備與儀器、試樣、檢測(cè)程序、檢測(cè)報(bào)告等方面要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用各種金屬材料的應(yīng)力檢測(cè)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T228.1金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法GB/T228.2金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法GB7247.1激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類、要求GB/T7704無損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法GB/T12604.1無損檢測(cè)術(shù)語超聲檢測(cè)GB/T15313激光術(shù)語GB/T32073無損檢測(cè)殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法3術(shù)語和定義GB/T7704、GB/T12604.1、GB/T15313界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4檢測(cè)方法和原理基于聲彈性理論，超聲波在均勻變形的固體介質(zhì)中傳播的速度會(huì)發(fā)生變化，有如下關(guān)系：=Kσ……………………式中：v0——材料在無應(yīng)力狀態(tài)時(shí)超聲波傳播速度，單位為米每秒（m/s）；v——材料在有應(yīng)力狀態(tài)下的超聲波傳播速度，單位為米每秒（m/sK——材料中沿超聲波傳播方向的聲彈性系數(shù)；σ——被測(cè)試樣的殘余應(yīng)力,單位為兆帕（MPa）。表面波聲彈性系數(shù)K由材料的二階和三階彈性常數(shù)決定，一般表達(dá)為式（2），也可以通過單向加載應(yīng)力下的兩個(gè)方向聲速標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。K=(n+4μ)/8μ2………………（2）式中：2T/CSAAXX-2024μ——材料的二階彈性常數(shù)；n——材料的三階彈性常數(shù)。式（1）變形可得：v?v0…………引入任意已知應(yīng)力的參考試樣，根據(jù)式（3）可得到如下關(guān)系式：σ?σref=v?vref……式中：σref——參考試樣的殘余應(yīng)力,單位為兆帕（MPa）；vref——表面波在參考試樣中的傳播速度，單位為米每秒（m/s）。運(yùn)用激光與材料作用的熱彈效應(yīng)，采用脈沖激光在被測(cè)試樣上激發(fā)超聲表面波，再在離激發(fā)點(diǎn)一定距離的位置進(jìn)行超聲波信號(hào)采集（如圖1所示），通過測(cè)定超聲波在預(yù)定檢測(cè)范圍內(nèi)的傳播速度v，即可根據(jù)聲彈性原理按照式（3）或式（4）計(jì)算出該檢測(cè)范圍內(nèi)的平均應(yīng)力σ。采用本文件方法所測(cè)得的殘余應(yīng)力是被檢測(cè)試樣表層下三維空間內(nèi)沿聲波傳播方向的殘余應(yīng)力平均值。一般認(rèn)為，表面波作用于物體的深度大約為波長的2倍，激光超聲應(yīng)力檢測(cè)的深度D可采用下式計(jì)算：D≈2λ=2v/f…………（5）式中：D——超聲表面波作用的深度，即激光超聲應(yīng)力檢測(cè)的深度，單位為米（mλ——超聲表面波的波長，單位為米（mf——超聲波的頻率，單位為赫茲（Hz）；利用激光調(diào)制方法（參見附錄A）可以在物體表面激發(fā)獲得不同頻率的超聲表面波，從而實(shí)現(xiàn)不同深度的應(yīng)力檢測(cè)。檢測(cè)區(qū)間可為超聲波激發(fā)點(diǎn)和采集點(diǎn)之間的區(qū)域L（方式A），也可在檢測(cè)時(shí)將激發(fā)點(diǎn)或者采集點(diǎn)沿超聲波傳播方向作小范圍移動(dòng)，此時(shí)檢測(cè)區(qū)間為兩個(gè)激發(fā)點(diǎn)間（方式B）或者兩個(gè)采集點(diǎn)間（方式C）的ΔL區(qū)域，如圖2所示。3T/CSAA2X-2024根據(jù)不同的激發(fā)采集方式，超聲表面波在被測(cè)試樣中的傳播速度v由下式計(jì)算獲得：v=L/t或v=ΔL/Δt………（6）式中：t——超聲表面波從激發(fā)點(diǎn)到采集點(diǎn)傳播的時(shí)間（方式A），單位為秒（s）；Δt——超聲表面波從兩個(gè)不同激發(fā)點(diǎn)到同一采集點(diǎn)傳播的時(shí)間差（方式B），或者從同一激發(fā)點(diǎn)到兩個(gè)不同采集點(diǎn)傳播的時(shí)間差（方式C），單位為秒（s）。5一般要求5.1檢測(cè)人員檢測(cè)人員應(yīng)了解檢測(cè)的原理，了解激光的防護(hù)要求，熟悉檢測(cè)流程，并能熟練操作檢測(cè)儀器。5.2檢測(cè)環(huán)境檢測(cè)環(huán)境應(yīng)滿足如下要求：a)檢測(cè)時(shí)設(shè)備所處的溫濕度環(huán)境應(yīng)滿足設(shè)備使用要求，對(duì)高溫環(huán)境下的試樣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)注意做好隔熱措施，保證檢測(cè)設(shè)備處在適宜的溫度環(huán)境下；b)檢測(cè)時(shí)應(yīng)記錄試樣的溫度，必要時(shí)應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正；c)電源電壓的波動(dòng)宜小于額定電壓的10%；d)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡量避免各類噪聲、振動(dòng)和電磁輻射等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；e)檢測(cè)場(chǎng)所應(yīng)安裝防激光光束輻射裝置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意激光的防護(hù)。5.3設(shè)備與儀器5.3.1設(shè)備構(gòu)成設(shè)備主要由控制和分析單元、激發(fā)單元、采集單元等部分組成，如圖3所示。4T/CSAAXX-2024控制和分析單元是實(shí)現(xiàn)設(shè)備各組成部分的運(yùn)行控制以及數(shù)據(jù)分析處理和計(jì)算的單元，一般包括計(jì)算機(jī)、軟件和機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)；激發(fā)單元是通過產(chǎn)生特定模式激光脈沖以在試樣上激發(fā)獲取超聲波的單元，一般包括激光源、激光調(diào)制裝置和光路系統(tǒng)等；采集單元是設(shè)備用于探測(cè)和采集超聲波信號(hào)的單元，為應(yīng)力計(jì)算提供數(shù)據(jù)來源，包括各種類型的超聲波傳感器或探測(cè)儀器，以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)制分析組件。5.3.2基本要求激光超聲應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備應(yīng)滿足以下基本要求：a)設(shè)備應(yīng)具備激光控制和超聲表面波激發(fā)功能，激光器應(yīng)滿足GB7247.1的要求；b)設(shè)備應(yīng)具備超聲波探測(cè)采集功能，可使用接觸式（如超聲換能器等）或非接觸式（如激光干涉儀等）技術(shù)和裝置；c)設(shè)備宜具有濾波和接收增益控制功能；d)設(shè)備應(yīng)具備殘余應(yīng)力計(jì)算功能；e)設(shè)備宜具備檢測(cè)深度調(diào)節(jié)功能，最大檢測(cè)深度≥4mm；f)檢測(cè)區(qū)域最小距離≤10mm；g)檢測(cè)區(qū)域距離的控制或測(cè)量精度≤0.01mm；h)具備應(yīng)力掃描測(cè)量功能，能夠?qū)崿F(xiàn)試樣應(yīng)力面分布的測(cè)量。5.3.3設(shè)備檢定設(shè)備應(yīng)定期進(jìn)行檢定，檢定間隔時(shí)間最長不超過1年。設(shè)備的機(jī)械或者電子器件有重要變化之后，也應(yīng)對(duì)設(shè)備重新進(jìn)行檢定。對(duì)于已知應(yīng)力為σref的鋼合金應(yīng)力參考試樣，對(duì)長度為20mm的檢測(cè)區(qū)域，連續(xù)測(cè)試不少于5次，所得應(yīng)力平均值應(yīng)在σref±20MPa以內(nèi)，其標(biāo)準(zhǔn)差宜不大于10MPa；如果標(biāo)準(zhǔn)差超過20MPa，則應(yīng)調(diào)整儀器或檢測(cè)參數(shù)。檢定所用的參考試樣應(yīng)獨(dú)立于參考聲速測(cè)定（見附錄B）所使用的參考試樣。5.4試樣被測(cè)試樣的表面狀態(tài)一般應(yīng)滿足如下要求：a)表面應(yīng)無氧化層、碳化層、油污、油漆等；b)表面粗糙度Ra宜不大于10μm。5T/CSAA2X-20246檢測(cè)程序6.1檢測(cè)流程激光超聲應(yīng)力檢測(cè)流程如圖4所示。主要包括以下步驟：試樣準(zhǔn)備（見第5.4條）、檢測(cè)方案確定（見第6.2條）、檢測(cè)條件和參數(shù)選擇（見第6.3條）、試樣和環(huán)境確認(rèn)（見第6.4條）、設(shè)備準(zhǔn)備（見第6.5條）、參數(shù)設(shè)置（見第6.6條）、應(yīng)力檢測(cè)（見第6.7條）、報(bào)告（見第7章）。↓ 6.2檢測(cè)方案確定根據(jù)檢測(cè)需求，了解試樣待檢測(cè)部位的曲率和厚度，確定檢測(cè)區(qū)域的位置和大小、檢測(cè)的深度、檢測(cè)的應(yīng)力方向等具體檢測(cè)方案。檢測(cè)區(qū)域的長度通常設(shè)置不小于10mm。6.3檢測(cè)條件和參數(shù)選擇6.3.1超聲波激發(fā)采集方案根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的大小和應(yīng)力檢測(cè)的方向，制定合適的超聲波激發(fā)采集方案。激發(fā)端至采集端的方向即為應(yīng)力檢測(cè)方向。當(dāng)被測(cè)試樣的檢測(cè)區(qū)域周圍有較大平坦空間時(shí)（例如邊長超過20mm），宜采用方式B或方式6T/CSAAXX-2024C的激發(fā)采集方式（見圖2），否則應(yīng)采用方式A的激發(fā)采集方式。6.3.2檢測(cè)深度應(yīng)力檢測(cè)深度應(yīng)小于試樣檢測(cè)區(qū)域的最小厚度，建議檢測(cè)深度不大于試樣最小厚度的0.8倍。檢測(cè)深度通過激光調(diào)制獲得對(duì)應(yīng)的超聲波頻率來控制。6.3.3激光光源激光光源優(yōu)先使用陣列線光源，以便進(jìn)行調(diào)制獲得合適的應(yīng)力檢測(cè)深度。6.3.4激光能量激光能量的選擇應(yīng)使脈沖激光能夠在被測(cè)試樣上激發(fā)足夠強(qiáng)度的超聲波，同時(shí)不應(yīng)使試樣表面發(fā)生燒蝕。特殊情況下，可適當(dāng)提高激光的能量使試樣表面產(chǎn)生輕微熱蝕，如此可獲得信噪比更高的超聲信號(hào)，從而提高應(yīng)力檢測(cè)的精度。6.3.5激光重復(fù)頻率激發(fā)端激光重復(fù)頻率由應(yīng)激光器激發(fā)頻率和采集端采集能力綜合決定，一般盡量使用較高的頻6.4試樣和環(huán)境確認(rèn)確認(rèn)試樣的表面粗糙度Ra≤10μm。記錄試樣的曲率、檢測(cè)時(shí)所處的環(huán)境溫度。6.5設(shè)備準(zhǔn)備6.5.1按照使用說明書，將激光超聲應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備調(diào)整到正常狀態(tài)。6.5.2當(dāng)使用激光干涉儀采集超聲波回波信號(hào)時(shí)，應(yīng)使干涉儀盡量垂直于采集點(diǎn)所在平面，干涉儀與試樣測(cè)點(diǎn)法線的夾角宜不大于5°;當(dāng)使用超聲換能器檢測(cè)超聲波回波信號(hào)時(shí)，應(yīng)在探頭和試樣間添加耦合劑，以保證探頭和試樣之間緊密耦合。6.5.3設(shè)備使用超聲換能器檢測(cè)超聲波時(shí)，參考聲速測(cè)定、聲彈性系數(shù)標(biāo)定以及應(yīng)力檢測(cè)過程中應(yīng)使用相同的耦合劑，并保持相同的耦合狀態(tài)。6.6參數(shù)設(shè)置6.6.1檢測(cè)條件和參數(shù)設(shè)置根據(jù)6.3確定的檢測(cè)條件和參數(shù)，調(diào)整設(shè)備激發(fā)單元和采集單元的各項(xiàng)設(shè)置。設(shè)置采集端帶寬、增益和濾波范圍等參數(shù)。6.6.2材料參數(shù)設(shè)置根據(jù)被測(cè)試樣的材料和檢測(cè)環(huán)境溫度，設(shè)置參考聲速vref、參考應(yīng)力σref、聲彈性系數(shù)k（或者系數(shù)）等各項(xiàng)材料參數(shù)。材料參數(shù)優(yōu)先采用根據(jù)附錄B、附錄C的方法，使用與被測(cè)試樣相同材料牌號(hào)、金相組織狀態(tài)和表面粗糙度試樣測(cè)定所得的數(shù)據(jù)，其次可使用相近材料牌號(hào)及組織狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再者可使用材料手冊(cè)提供的參考值，或由相關(guān)物理參數(shù)計(jì)算的理論值。超聲表面波聲彈性系數(shù)主要由材料的二階和三階彈性常數(shù)決定，理論計(jì)算見式（2）。7T/CSAA2X-2024超聲表面波傳播速度vR可通過下公式（7）計(jì)算：………………式中：E——材料的彈性模量；U——材料的泊松比；p——材料的密度。如已知試樣在常溫下的參考聲速vref、參考應(yīng)力σref、聲彈性系數(shù)k（或者系數(shù)）試驗(yàn)測(cè)定值，可根據(jù)其理論計(jì)算公式，分別計(jì)算出常溫和特定溫度下的理論值，將常溫下的試驗(yàn)測(cè)定值進(jìn)行修正獲得特定溫度下的參數(shù)值。6.7應(yīng)力檢測(cè)6.7.1將設(shè)備的激發(fā)單元和采集單元對(duì)準(zhǔn)待測(cè)試樣的檢測(cè)區(qū)域。6.7.2啟動(dòng)檢測(cè)程序，進(jìn)行超聲波信號(hào)的采集，根據(jù)檢測(cè)模式需要進(jìn)行第二激發(fā)點(diǎn)或者采集點(diǎn)的檢測(cè)和采集。6.7.3根據(jù)式（3）或式（4）計(jì)算出被測(cè)試樣的殘余應(yīng)力值。6.7.4按6.7.1至6.7.3的步驟進(jìn)行下一區(qū)域的應(yīng)力檢測(cè)，只至所有的檢測(cè)完成。7檢測(cè)報(bào)告檢測(cè)報(bào)告應(yīng)包括如下內(nèi)容：a)試樣的名稱、編號(hào)、材質(zhì)、表面粗糙度、厚度、曲率等；b)檢測(cè)區(qū)域的位置、距離、寬度；c)檢測(cè)的應(yīng)力方向；d)超聲表面波的頻率（或檢測(cè)深度）；e)殘余應(yīng)力值；f)檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度；g)檢測(cè)操作者、審核者、批準(zhǔn)者姓名，來樣日期、報(bào)告日期。8T/CSAA2X-2024（資料性附錄）激光超聲應(yīng)力檢測(cè)的激光光源和調(diào)制激光超聲應(yīng)力檢測(cè)可使用多種形式的光源，主要有點(diǎn)光源、線光源和陣列光源。1）點(diǎn)光源激光點(diǎn)光源易于獲取、控制簡(jiǎn)單、使用靈活。通過對(duì)點(diǎn)激光進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，即調(diào)制激光的波形，能夠激發(fā)獲得不同頻率的超聲表面波。2）線光源激光線源激發(fā)獲得的超聲波信號(hào)的強(qiáng)度及探測(cè)的信噪比更高，且所激發(fā)出的表面波具有平行于線源的平面波前，指向性好，信號(hào)的振幅不會(huì)隨接收距離的增大而衰減，在應(yīng)用中可以有效地?cái)U(kuò)大光源與探測(cè)點(diǎn)的距離。通過對(duì)線激光進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，即調(diào)制激光的波形，能夠激發(fā)獲得不同頻率的超聲表面波。3）陣列光源陣列光源是通過對(duì)激發(fā)激光進(jìn)行時(shí)間和空間上的調(diào)制，使得產(chǎn)生的聲波在需要的位置得到聚焦，同時(shí)使超聲信號(hào)的帶寬減小，系統(tǒng)的信噪比增強(qiáng)。基于這一原理建立的陣列光源激光超聲系統(tǒng)有多種形式，如采用多個(gè)激光輸出窗口、通過光纖陣列、利用光學(xué)元件對(duì)激發(fā)激光多次反射進(jìn)行延時(shí)等。此外，通過表面掩膜、透鏡陣列、光纖陣列或者全息光柵的空間調(diào)制方法，也可以實(shí)現(xiàn)激發(fā)光源的周期調(diào)制，在物體上激發(fā)獲得窄帶超聲波。對(duì)于陣列光源，通過調(diào)節(jié)線源的寬度和間距，可以調(diào)節(jié)激發(fā)出的超聲信號(hào)的頻率。9T/CSAA2X-2024（規(guī)范性附錄）參考聲速測(cè)定使用與被測(cè)試樣相同材料牌號(hào)、金相組織狀態(tài)和表面粗糙度的參考試樣進(jìn)行參考聲速vref的測(cè)定。參考試樣宜為平板結(jié)構(gòu)，如圖B.1所示，其有效區(qū)域長度L≥40mm、寬度b≥15mm、厚度a≥4mm。參考試樣也可采用附錄C中圖C.1和表C.1所示結(jié)構(gòu)尺寸。參考試樣可為零應(yīng)力試樣（可按GB/T32073標(biāo)準(zhǔn)6.4規(guī)定的方法制備），也可是其他已知應(yīng)力的試樣，參考應(yīng)力值為σref。參考試樣應(yīng)滿足計(jì)量溯源要求，優(yōu)先使用有證標(biāo)準(zhǔn)物（CRM），也可使用實(shí)驗(yàn)室