CN101482542A - 基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置，主要适用于为提高关键零部件机械性能的激光冲击强化工艺。本发明通过检测在空气中传播的冲击波的振幅和脉冲宽度，实现激光冲击强化效果的在线检测。该装置由控制系统；光电触发电路；声传感电路，包括三个声传感器和声波吸收装置；冲击波采样电路以及其它一些附属部分组成。本发明可以在复杂环境下，判断冲击强化的处理效果，实现激光冲击强化的有效在线检测，提高加工的自动化程度。

Description

基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置，主要适用于为提高关键零部件机械性能的激光冲击强化工艺。

背景技术

随着航空、航天、汽车、能源、医药等技术的发展，激光冲击强化技术得到了广泛的研究和应用。激光冲击强化，就是用短脉冲高峰值功率的激光照射金属表面吸收层，吸收层吸收激光能量发生瞬时的汽化蒸发、电离，产生高温高压的等离子体。由于受到约束层的限制，等离子体会产生高压冲击波作用于金属表面，使金属表面材料瞬时屈服，产生应变硬化并形成残留的压应力。同时，高温、膨胀的等离子体会通过约束层形成冲击波向空气中传播。在激光冲击强化的过程中，对于不同的材料，在一定的激光功率密度范围内，激光功率密度越高，提高材料性能的效果越明显。即激光辐照的能量不同，对材料的冲击强化效果也不相同，同时在空气中传播的冲击波的声学特征，如冲击波的传播速度(飞行时间)和波形特征(如振幅和脉冲宽度)等也不相同。

激光冲击强化技术能有效的改善材料的机械性能，特别是能显著地延长材料的疲劳寿命并提高抗应力腐蚀性能。例如对用于核反应堆中型芯零件和焊接构件的强化，可以减小应力腐蚀裂纹的敏感性以提高零件的疲劳强度；对飞机涡轮发动机的涡轮风扇叶片的激光冲击强化，可以使它的服役时间成倍增长，从而降低飞行成本和提高飞行安全性。然而，目前仅有美国把激光冲击强化应用于军用和民用飞机的生产线，我国对于相关方面的研究虽然取得了一定的成果，但是并没有将它应用与生产实践。其原因主要有以下两点：

第一，激光器输出激光能量不稳定。由于西方国家在高能激光器领域对我国的封锁，我们买不到国外用于激光冲击强化的高性能激光器，而目前国产的用于激光冲击强化的高功率高能量短脉冲的激光器性能不稳定。当激光器发出激光能量不稳定时，会造成被加工的工件表面的强化效果不确定。而对于可靠性要求极高的航空航天工业，这种不确定的加工效果影响了它的推广应用。

第二，没有实时的在线检测方法和设备。在激光冲击强化的过程中除了激光能量会影响冲击强化效果外，还有其他的一些因素，如吸收层和约束层的状态等，也会影响冲击效果。在早期的实验室阶段，可以把刚经过冲击强化的试样取下来，检测冲击的效果。但在工业化阶段，由于冲击强化是在密闭的工作间中完成的，所以每次冲击后现场检测是不可能的，另外考虑到生产效率的提高，这检测方式已经不再适用。要把激光冲击强化技术推广到工业应用中，就必须实现加工过程在线检测，实时检测冲击强化的效果，作为控制加工质量的依据。

综上所述，激光冲击强化在线检测方法是其实际工业应用中不可或缺的一项关键技术。

经过检索，美国通用公司的John Broddus Deaton JR.和Farzin HomayounAzad在2007年申报了专利：飞行时间监控的激光冲击强化系统(Laser Shockpeening System With Tiome-of-flight Monitoring；Patent Number：US20070119824A1)。这种检测方法是利用激光冲击过程中冲击波的飞行时间特征(即冲击波的传播速度)，对冲击结果进行预测，实现了激光冲击的实时在线检测。但是该方法检测结果的精确度对环境的依赖程度比较高，当环境的湿度和温度有较大变化时，会引起冲击波的传播速度发生变化，最终可能会导致错误的检测结果。

发明内容

本发明的目的是为克服激光冲击强化过程中现有检测方法的缺点，提供一种对加工环境适应性强、稳定可靠、成本较低的在线检测方法和装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种激光冲击强化在线检测方法，是：当激光冲击材料表面产生的等离子体发光时，对空气中传播的冲击波进行采样并存储，再将冲击波的采样数据传送到控制系统中，由控制系统对采集到的波形数据分析，并判断冲击强化的效果。其原理是：当激光辐照在金属材料表面吸收层时，激光能量被吸收层瞬间吸收，温度迅速升高，形成等离子体，并向外发光，膨胀，形成冲击波；利用等离子发光触发采样电路；在激光冲击强化过程中，激光的能量直接决定冲击波的振幅和脉宽以及冲击强化的效果；而冲击波的振幅和脉宽与冲击强化的效果也是密切相关的。因此，可以通过检测冲击波的波形特征判断冲击强化的处理效果，本发明就是利用冲击波的振幅和脉冲宽度预测冲击强化后材料表面后的残余压应力。

本发明还提供了实现上述在线检测方法的装置，所述的基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，包括光电触发电路、声传感电路、冲击波接收采样电路、控制系统；其中

光电触发电路：安装在距离激光冲击点5cm～15cm的位置，用于在激光冲击材料表面产生的等离子体发光时，产生电脉冲信号触发冲击波接收采样电路工作；

声传感电路：用于接收空气中传播的冲击波，去除干扰，，把接收到的冲击波信号转换成电信号，并接受采样电路的采样；

冲击波接收采样电路：用于采样存储由声传感器电路传送的模拟电压信号，并将存储的数据转移到控制系统；

控制系统：用于控制在线检测装置的全部设备；接收来自采样电路的数据并进行数据分析，判断出冲击强化的效果。

本发明以激光冲击波的波形特征为检测对象，由波形的振幅和脉冲宽度判断激光冲击强化的加工效果。其有益效果是：可以实时的在线检测冲击强化效果，控制处理质量，提高工艺过程的自动化程度，受外界影响小，实用性强，判断准确，成本较低。

附图说明

图1是本发明激光冲击强化在线检测的系统简图

图2是本发明激光冲击强化在线检测的声吸收及声传感器件组件的正视图

1光敏元件，2铝箔吸收层，3被加工材料，4光电触发电路，5触发信号，6冲击波采样电路，7声传感器件，8声波吸收部件，9状态线，10控制线，11数据线，12控制系统，13状态线，14控制线，15五轴工作台，16水约束层，17激光束，18激光发生器，19激光通过孔

具体实施方式

下面结合图1、图2详细说明本发明方法和装置的细节和工作情况。实现本实时检测方法的装置包括激光发生器18、光电触发电路4、冲击波采样电路6、声传感器件7、声波吸收部件8，控制系统12、五轴工作台15以及其它一些附属部分组成。在激光冲击强化的在线检测过程中，实现该方法的工作步骤，以及检测装置各部分的具体作用和一些参数如下：

(一)光电触发电路4由光敏元件1与其外围电路以及触发电路组成。激光器18发出短脉冲高功率的激光束17，经过水约束层16，辐照于铝箔吸收层2上，产生等离子体发光。光敏元件1与其外围电路感应到激光冲击产生的等离子发出的光后，发出触发信号5给采样电路6。在光敏元件及其外围电路中要调整好参数，使它只有当接收到的光刺激超过一定的阈值，才能使触发电路工作，发出触发脉冲，而不是受到任何的光刺激就会动作。此外，由于在激光冲击处理中，往往采用水作为约束层，所以这部分电路要做防水处理。

(二)声传感电路包括声传感器件7以及声波吸收部件8。该电路用于接收空气中传播的冲击波，并由声波吸收部件消除各种干扰；可以把接收到的冲击波信号转换成电信号，并接受采样电路6的采样。声传感器件7安装于声波吸收部件8的球壳内侧，外围电路放置于球壳的外侧。声传感器件7要求响应频率为10Hz～50KHz，谐振频率为35KHz～39KHz等。声波吸收部件8为三层材料组成的半球壳体，中间有半径为3cm～9cm的激光通过孔19。如图2所示，球壳外层由工程塑料构成，使之有一定的强度，可以保持一定的形状，且成本低。中间层和内层由不同吸音性质的吸声材料2，用来吸收不同频率段的声波，依附于外层塑料球壳上。声传感器件共三个，均匀分布于激光通过孔3的同心圆周上。球壳放置于以激光束为直线，距离冲击点2米～3米处的位置。

(三)检测冲击波信号的采样电路6。其工作步骤如下：采样电路6在接收到光电触发4电路的触发信号5后，开始采样存储由声传感器电路传送的模拟电压信号，采样频率为88KHz～94KHz，当数据采样结束后，通过状态线9向控制系统12发出数据准备好信号，并准备传送数据。控制系统12接受到采样电路传送来的数据准备好命令后，通过控制线10向采样电路发出数据传送命令，通过数据线11把采样电路存储的数据转移到系统中，同时清空采样存储电路的暂存器中数据，为下一次的数据采样做准备。

(四)控制系统12，控制激光冲击强化在线检测的全部设备。当控制系统12查询到采样电路的数据准备好信号后，向采样电路发出数据传送指令，并开始接收数据。数据转移到控制系统内存后，可根据采集到的波形振幅和脉宽特征，判断出冲击强化的效果。若经过判断，冲击强化效果没有达到要求，可以控制激光器和其他外围部件，对工件继续进行冲击强化，知道满足冲击强化要求。控制系统硬件和软件配置可以通过一台高性能工业计算机，安装WINDOWS XP或者WINDOWS 2000操作系统再加装实时模块，例如美国Ardence公司的RTX产品。(其可以在Windows平台上提供了一个实时子系统。RTX实现了确定性的实时线程调度、实时环境和与原始Windows环境之间的进程间通讯机制以及其它只在特定的实时操作系统中才有的对Windows系统的扩展特性)。最后对计算机加装扩展卡和控制该扩展卡的软件即可以完全实现该控制系统的全部功能。控制系统12与其他装置的连接如下：控制系统12通过控制线10、状态线9和数据线11与采样电路6连接，可以接受采样电路6的数据好通知，并从数据线11接收采样电路传输的数据：控制系统12通过控制线14和状态线13与五轴工作台15与连接，通过查询状态线可以知道工件的位置，通过控制线控制五轴工作台的运动。

本发明所提出的实现在线检测方法和装置，能够提高激光冲击强化工艺加工质量的可信度和自动化程度，为激光冲击强化的推广奠定基础。

Claims (6)

1.一种基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法，其特征在于：当激光冲击材料表面产生的等离子体发光时，对空气中传播的冲击波进行采样并存储，再将冲击波的采样数据传送到控制系统中，由控制系统对采集到的波形数据分析，并判断冲击强化的效果。

2.一种基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，包括控制系统、声传感电路、冲击波接收采样电路、光电触发电路；其中

光电触发电路：用于在激光冲击材料表面产生的等离子体发光时，产生电脉冲信号触发冲击波接收采样电路工作；

声传感电路：用于接收空气中传播的冲击波并去除干扰，把接收到的冲击波的信号转换成电信号，并把模拟电信号传送至冲击波接收采样电路；

冲击波接收采样电路：用于采样存储由声传感器电路传送的模拟电压信号，并将存储的数据转移到控制系统；

控制系统：用于控制在线检测装置的全部设备；接收来自冲击波接收采样电路的数据并进行数据分析，判断出冲击强化效果。

3.根据权利要求2所述的基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于：光电触发电路设置距离激光冲击点5cm～15cm的位置。

4.根据权利要求3所述的基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于：光电触发电路由光敏元件与其外围电路组成。

5.根据权利要求2所述的基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于：冲击波采样电路的采样频率为88KHz～94KHz。

6.根据权利要求2所述的基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于：声传感器电路由三个声压传感器组成，响应频率为10Hz～50KHz，谐振频率为35KHz～39KHz。

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