CN101852718B - 通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械激光冲击强化评估技术领域，公开了通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置和方法。本发明包括激光器(10)、五轴工作台(11)、约束层(12)、吸收层(13)、工件(14)、示波器(20)、分光镜(21)、光电二极管A(22)、光电二极管B(23)和探测激光器(24)。本发明提供了一种无损、可重复使用、不受工件材料及厚度影响、结构简单、方便快捷、稳定可靠的在线质量评估装置和方法。

Description

通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置和方法

技术领域

本发明涉及机械激光冲击强化评估技术领域，特指激光在冲击工件时，形成的等离子体冲击波会引起工件周围空气的光折射率产生梯度，平行于工件的探测光束穿过上述折射率不均匀区域时会发生偏转，通过探测光束的偏转对激光冲击强化进行质量评估。

背景技术

激光冲击强化技术是利用高功率密度、短脉冲激光对金属材料进行辐射，产生等离子体冲击波，使金属材料表层发生塑性变形，在材料表层产生高深度的残余压应力，从而改善金属性能的一项新技术。激光冲击强化技术能有效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。

激光冲击强化现在面临的关键问题之一是怎样来评估每次冲击处理的质量，现在国内科研单位采用的主要有压电薄膜法和X射线衍射法。

压电薄膜法(吴边，王声波，郭大浩，吴鸿兴，强激光冲击镁合金改性处理研究.光学学报，2005，25(10)：1352-1355)是在工件背面放置PVDF压电薄膜，将工件内冲击波力信号转换成电信号，通过对电信号的分析来反应这次冲击的质量。它最大的缺点在于压电薄膜法设备使用寿命短，在实际生产应用中经济性差，另外在相同的加工参数下，测量结果受工件的材料及厚度影响。

X射线衍射法(张永康，陈菊芳，许仁军，AM50镁合金激光冲击波强化研究，中国激光，2008，35(7)：1065-1072)是把一束X射线照射在工件表面来测量表面的残余应力，通过残余应力的大小来判断冲击的质量。测量时需将工件从激光冲击强化工作台移到X射线衍射应力测定设备中，且测量工件上一点的残余压应力需要1-2个小时，是一种离线的测量方法。如果工件进行了初加工，为了去除原有加工带来的应力，获得冲击强化带来的应力变化，需测量深度上的应力，通过电解从表面移去一系列的薄层，然后在每个电解步骤之间测量表面的残余应力，是一种损坏性的方法。另外它测量的材料有限制，只适合结晶材料，对广泛使用的合金类材料，如钛合金，很难获得其残余压应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无损、可重复使用、不受工件材料及厚度限制的激光冲击强化在线质量评估方法。

本发明解决上述问题的技术方案是，在现有激光冲击强化装置中加入一套无损质量评估装置。无损质量评估装置包含，在激光冲击强化装置的激光器输出光路上放置分光镜，分光镜于激光器输出光路的夹角为45度，其中分光镜透射94％-98％的激光能量，反射2％-6％的激光能量；在分光镜分出的触发光路上放置光电二极管，其中光电二极管和分光镜的连线与光路垂直，且分光镜和工件的距离与分光镜和光电二极管的距离相等，光电二极管通过信号线连接到示波器；在激光器输出光路的一侧放置探测激光器，探测激光器输出的探测激光束和激光器输出光路在同一平面内且相互垂直，其中探测激光束距离工件的距离为1cm-5cm；在探测激光器相对激光器输出光路对称的位置上放置另一光电二极管，其中探测激光器和激光器输出光路的距离与光电二极管和激光器输出光路的距离相等，光电二极管通过信号线连接到示波器。上述装置中，光电二极管采集的分光镜信号作为触发信号，它与另一光电二极管采集的探测光束偏转信号在示波器内形成一个时间差，通过时间差来反应探测光束的偏转程度。在相同的加工参数(相同的激光能量，相同的约束层和吸收层)下，探测光束的偏转程度(即时间差)是相同的。在实际操作中，工作人员从示波器读出的时间差与标准时间差进行比较，即能判别出这次冲击强化的效果，其中标准时间差是在正常工作条件下示波器采集到的时间差。

本发明技术方案的原理是：当激光与工件相互作用时，形成的等离子体冲击波会引起周围空气的光折射率发生变化，当平行于工件的探测光束穿过上述折射率不均匀区域时会发生偏转。不同激光能量对工件进行强化时，形成的等离子体冲击波强度不同，会引起周围空气的折射率发生不同的变化，进而在示波器上会显示出不同的时间差，因此不同的时间差能反映等离子体冲击波的强度，在一定的范围内，等离子体冲击波强度越大，工件内的残余压应力值越大，进而对激光冲击波强化进行质量评估。

本发明提供了实现光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置，包含分光镜、光电二极管、探测激光器和示波器。其中光电二极管分别用来检测分光镜分出的激光束和探测激光器发出的探测激光束；示波器用来记录上述两个信号并显示信号间的时间差。

本发明操作的步骤如下：

1)在激光器输出光路上放置分光镜，分光镜于激光器输出光路的夹角为45度，其中分光镜透射94％-98％的激光能量，反射2％-6％的激光能量。

2)在分光镜分出的触发光路上放置光电二极管，其中光电二极管和分光镜的连线与光路垂直，且分光镜和工件的距离与分光镜和光电二极管的距离相等，光电二极管通过信号线连接到示波器。

3)在激光器输出光路的一侧放置探测激光器，探测激光器输出的探测激光束和激光器输出光路在同一平面内且相互垂直，其中探测激光束距离工件的距离为1cm-5cm。

4)在探测激光器相对激光器输出光路对称的位置上放置另一光电二极管，其中探测激光器和激光器输出光路的距离等于光电二极管和激光器输出光路的距离，光电二极管通过信号线连接到示波器上。

5)装夹工件、吸收层和约束层，开启探测激光器和示波器，从激光器发射激光束对工件冲击强化。

6)操作人员从示波器上读出时间差，并和标准时间差进行比较，来对该次激光冲击强化进行评估。

本发明的优点如下：

(1)本方法使用时不会破坏进行强化的工件，是一种无损的方法。

(2)本方法检测结果不受工件材料及尺寸影响，克服了压电薄膜法和X射线衍射法的共同缺点。

(3)本方法检测时使用次数不受限制，不需定期更换，在实际应用中经济效益明显。

(4)本方法所使用装置结构简单，体积小，能很容易的布置在工作台周围，且装卸方便。

附图说明

图1是光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置示意图。

图2是激光输出能量为300mJ时示波器采集到的信号。

图3是激光输出能量为500mJ时示波器采集到的信号。

图中，10-激光器，11-五轴工作台，12-约束层，13-吸收层，14-工件，20-示波器，21-分光镜，22-光电二极管A，23-光电二极管B，24-探测激光器。

具体实施方式

下面结合图1对本发明的方法和装置进行详细说明。实现本发明的装置包含：激光器10、五轴工作台11、约束层12、吸收层13、工件14、示波器20、分光镜21、光电二极管A22、光电二极管B23和探测激光器24。在激光器10输出光路上放置分光镜21，分光镜21于激光器10输出光路的夹角为45度，其中分光镜透射94％－98％的激光能量，反射2％－6％的激光能量；在分光镜21分出的触发光路上放置光电二极管A22，其中光电二极管A22和分光镜21的连线与路垂直，且分光镜21和工件14的距离与分光镜21和光电二极管A22的距离相等，光电二极管A22通过信号线连接到示波器20；在激光器10输出光路的一侧放置探测激光器24，探测激光器24输出的探测激光束和激光器10输出光路在同一平面内且相互垂直，其中探测激光器24输出的探测激光束距离工件14的距离为1cm-5cm；在探测激光器24相对激光器10输出光路对称的位置上放置另一光电二极管B23，其中探测激光器24和激光器10输出光路的距离与光电二极管B23和激光器10输出光路的距离相等，光电二极管B23通过信号线连接到示波器20；工件14装夹于五轴工作台11，工件14上覆盖有吸收层13，吸收层13上覆盖有约束层12。

在操作过程中，实现该方法的步骤、以及各部分具体作用和参数如下：

3)把探测激光器24、分光镜21、光电二极管A22、光电二极管B23按照上述方式搭建。

其中探测激光器24为HeNe激光器，输出波长为632.8nm，它用来发射探测激光束，

其中探测光束距离工件的垂直距离为1cm；分光镜21分出激光器10发射的一部分激光束到光电二极管A22上，作为示波器20的触发信号；光电二极管A22、光电二极管B23分别用来检测分光镜21和探测激光器24的光信号，上升时间为100ps；示波器20用来记录光电二极管A22、光电二极管B23的信号，示波器20的触发方式选为冲上升，触发通道为光电二极管A22所连接的通道，并显示两个信号间的时间差。

4)装夹工件14、吸收层13和约束层12，开启探测激光器24和示波器20，从激光器10发射激光束对工件14冲击强化。

5)在激光冲击强化后，工作人员从示波器20上读出这次冲击的时间差，将它和标准时间差进行比较，能反应出等离子体冲击波的强度，在相同的等离子体冲击波强度下，在工件内形成的残余压应力值是相同的，即能判定这次冲击强化的效果，其中标准时间差是在正常工作条件下示波器采集到的时间差。

光偏转对激光冲击强化进行质量评估实例：

1)在激光器10输出光路上放置分光镜21，分光镜21于激光器10输出光路的夹角为45度，其中分光镜21透射94％-98％的激光能量，反射2％-6％的激光能量。

2)在分光镜21分出的触发光路上放置光电二极管A22，其中光电二极管A22和分光镜21的连线与光路垂直，且分光镜21和工件14的距离与分光镜21和光电二极管A22的距离相等，光电二极管A22通过信号线连接到示波器20。

3)在激光器10输出光路的一侧放置探测激光器24，探测激光器24输出的探测激光束和激光器10输出光路在同一平面内且相互垂直，其中探测激光束距离工件14的距离为1cm-5cm。

4)在探测激光器24相对激光器10输出光路对称的位置上放置另一光电二极管B23，其中探测激光器24和激光器10输出光路的距离等于光电二极管B23和激光器10输出光路的距离，光电二极管B23通过信号线连接到示波器10上。

5)装夹工件14、吸收层13和约束层12，开启探测激光器24和示波器20，从激光器10发射激光束对工件14冲击强化。其中工件14为不锈钢，吸收层13为铝箔，约束层12为K9玻璃，激光器10发出的激光能量分别为300mJ和500mJ。

6)在正常工作条件下，示波器20采集到的信号如图2、3所示，图中上面的曲线是光电二极管A22采集的，下面的曲线是光电二极管B23采集的，时间差[X₁-X₂]分别为24.68ns和19.68ns。在同样的入射激光能量下，工作人员从示波器上获得的时间差与上述标准时间差相比，相同时冲击效果理想；不同时则说明该次冲击中出现了失效的形式，如冲击过程中错误的放置铝箔和K9玻璃。

Claims (5)

1.通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置，其特征是，包括激光器(10)、五轴工作台(11)、约束层(12)、吸收层(13)、工件(14)、示波器(20)、分光镜(21)、光电二极管A(22)、光电二极管B(23)和探测激光器(24)；在激光器(10)输出光路上放置所述分光镜(21)，所述分光镜(21)与激光器(10)输出光路的夹角为45度；在所述分光镜(21)反射的触发光路上放置光电二极管A(22)，所述光电二极管A(22)和分光镜(21)的连线与激光器(10)输出光路垂直，所述分光镜(21)和工件(14)的距离与所述分光镜(21)和光电二极管A(22)的距离相等，所述光电二极管A(22)通过信号线连接到示波器(20)；在激光器(10)输出光路的一侧放置探测激光器(24)，所述探测激光器(24)输出的探测激光束和激光器(10)输出光路在同一平面内且相互垂直；在所述探测激光器(24)相对激光器(10)输出光路对称的位置上放置光电二极管B(23)，所述探测激光器(24)和激光器(10)输出光路的距离与所述光电二极管B(23)和激光器(10)输出光路的距离相等，所述光电二极管B(23)通过信号线连接到示波器(20)；所述工件(14)装夹于五轴工作台(11)，工件(14)上覆盖有吸收层(13)，吸收层(13)上覆盖有约束层(12)。

2.根据权利要求1所述的通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置，其特征是，所述探测激光器(24)输出的探测激光束距离工件(14)的距离为1cm-5cm。

3.根据权利要求1所述的通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置，其特征是，所述分光镜(21)透射94％-98％的激光能量，反射2％-6％的激光能量。

4.实施权利要求1所述的通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的装置的方法，其特征是，具体步骤如下：

1)装夹工件(14)、吸收层(13)和约束层(12)，开启探测激光器(24)和示波器(20)，从激光器(10)发射激光束对工件(14)冲击强化；

2)在激光冲击强化后，工作人员从示波器(20)上读出这次冲击的时间差，将其和标准时间差进行比较，反应出等离子体冲击波的强度，判定冲击强化的效果。

5.根据权利要求4所述的通过光偏转对激光冲击强化进行质量评估的方法，其特征是，所述标准时间差是在正常工作条件下示波器采集到的时间差。

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