CN102242243A - 激光冲击强化的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
激光冲击强化的系统(10)包括放置成在工件(24)的第一侧(22)引导激光脉冲(20)的激光器(12)和在该工件(24)的第二侧(36)上的耦合器(30)。该系统(10)进一步包括放置成测量该耦合器(30)的速度的Doppler频移检测器(16)。激光冲击强化的方法包括沉积来自激光脉冲(20)的一定量的能量进入工件(24)的第一侧(22)并且在该工件(24)的第二侧(36)传送具有第一频率的脉冲(40)。该方法进一步包括从该工件(24)的该第二侧(36)接收具有第二频率的反射脉冲(46)并且基于该第一频率和该第二频率之间的差别确定该工件(24)的速度。
Description
技术领域
本发明大体上牵涉用于使用激光冲击强化(laser shock peening)硬化金属的系统和方法。特别地，本发明提供用于提供激光冲击强化的效果的实时监测的系统和方法。
背景技术
强化处理(peening)是改进金属的材料性质的众所周知的工艺。通常由例如锤击等机械方式或由强劲弹射(a blast of shot)(例如，喷丸强化)形成的强化撞击将金属表面塑性变形以在表面处或表面下面产生残余压应力并且在内部产生拉应力。在金属表面中的压应力提高金属对金属疲劳和裂纹增长的抵抗能力。
激光脉冲可代替锤击或强劲弹射使用以在金属表面上提供强化撞击。在典型的层喷丸强化系统中，例如黑胶带或涂料等不透明涂层施加于金属表面以形成烧蚀涂层。在该烧蚀涂层的顶部的通常采用水流的形式的半透明层充当夯实物(tamp)。聚焦在目标表面上的短激光脉冲使烧蚀涂层爆炸，并且该半透明层将所得的冲击波引入目标材料的表面。激光束然后可重新定位并且过程重复以在目标材料的表面中形成具有压缩和深度的微小压痕阵列。激光脉冲的重新定位常常被计算机或机器人控制以在目标材料的表面上的特定位点精确地引导激光脉冲。激光冲击强化典型地在比可从常规喷丸强化处理得到的四倍深处的目标表面附近产生残余压应力层。
激光冲击强化系统常常包括传感器和电路以测量在目标材料中沉积的能量的量和位点。例如，贴附到目标材料的压电换能器可用于感测由激光脉冲产生的冲击波并且产生与冲击波成比例的电流。然而，压电换能器的已知劣势是由激光脉冲产生的冲击波常常损伤该压电换能器。结果，每个激光冲击强化循环需要多个压电换能器，并且限制了连续监测激光冲击强化的效果的能力。
与使用压电换能器监测激光冲击强化的效果关联的另一个劣势是缺少对激光冲击强化工艺中减少工艺效果的微小故障的灵敏性。例如，研究已经显示压电换能器缺少可靠识别激光脉冲的能量水平、半透明层或烧蚀层中的缺陷的灵敏性。系统中的这些缺陷中的任一个可减少沉积在目标材料的表面上的能量的量，且具有在目标材料中产生的压应力的量和深度中的对应减小。结果，压电换能器不能可靠地识别激光冲击强化工艺中的故障。
发明内容
本发明的方面和优势在下列说明中阐述，或可通过该说明是明显的，或可通过本发明的实践学习。
本发明的一个实施例是激光冲击强化的系统。该系统包括放置成在工件的第一侧引导激光脉冲的激光器和在该工件的第二侧上的耦合器。该系统进一步包括放置成测量该耦合器的速度的Doppler频移检测器。
本发明的另一个实施例是激光冲击强化的系统，其包括放置成在工件的第一侧引导激光脉冲的激光器、在该工件的第二侧上的耦合器和用于放大该耦合器的速度的装置。该系统进一步包括放置成测量用于放大该耦合器的速度的该装置的至少一部分的速度的Doppler频移检测器。
本发明还包括激光冲击强化的方法。该方法包括沉积来自激光脉冲的一定数量的能量进入工件的第一侧并且在该工件的第二侧传送具有第一频率的脉冲。该方法进一步包括从该工件的第二侧接收具有第二频率的反射脉冲并且基于该第一频率和该第二频率之间的差别确定该工件的速度。
本领域内技术人员当回顾该说明书时将更好地意识到这样的实施例的特征和方面以及其他。
附图说明
对于本领域内技术人员的发明的完全和实现性公开(包括其最佳模式)在该说明书的剩余部分中更具体地阐述，包括参照附图，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的激光冲击强化系统；以及
图2示出根据本发明的备选实施例的激光冲击强化系统。。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的本实施例，其的一个或多个示例在附图中图示。详细说明使用数字和字母标记以指图中的特征。在图和说明中的类似或相似标记已经用于指本发明的类似或相似部件。
每个示例通过本发明的说明而非本发明的限制提供。实际上，修改和变化可以在本发明中做出而不偏离本发明的范围或精神对于本领域内技术人员将是明显的。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征可以在另一个实施例上使用以产生再另外的实施例。从而，意在本发明覆盖这样的修改和变化，它们落入附上的权利要求和它们的等同物的范围内。
图1示出根据本发明的一个实施例的激光冲击强化系统10。如在图1中示出的，该系统10包括激光器12、目标14、Doppler频移检测器16和控制器18。
激光器12放置成引导激光脉冲20朝向目标14。激光器12可是本领域内已知的任何激光器，例如高能脉冲钕玻璃激光器，其通过反射镜和透镜的光链产生激光脉冲20。激光脉冲20的持续时间、波长和能量水平可根据各种操作考虑改变，各种操作考虑例如是目标14的特定组成、目标14的厚度、个体激光脉冲20的数目和之间的距离以及要沉积在目标14中的期望的能量的量等。例如，激光脉冲20可大约15-30纳秒长，其具有大约一微米的波长和50焦耳或更多的能量。作为特定说明，具有一微米的波长的25纳秒激光脉冲可沉积大约25焦耳的能量进入目标14并且在目标14的表面22产生大约每平方英寸一百万磅的压强脉冲。
目标14一般包括要硬化的工件24、烧蚀层26、半透明层28和耦合器30。该工件24可包括可从硬化获益的任何材料，例如铝合金、钛合金、镍基超合金、铸铁、其他铁合金和实际上具有缺口、孔、角或易于疲劳失效的其他特征的任何金属部件等。该烧蚀层26可以是施加于该工件24的表面22的不透明材料的薄涂层。例如，该烧蚀层26可包括施加于该工件24的表面22的黑胶带或涂料的薄层。该半透明层28典型是施加在该烧蚀层26之上的一薄层水或其他半透明或全透明材料。如在图1中示出的，例如，供水系统32可在该烧蚀层26之上引导连续水流以形成该半透明层28。
在工件24的表面22上的半透明覆盖层28和烧蚀层26的组合增强激光脉冲20沉积能量进入工件24的表面22的能力。激光脉冲20通过半透明层28并且轰击烧蚀层26，其中它将烧蚀层26蒸发。从烧蚀层26产生的蒸汽吸收到来的激光能量，在工件24的表面22和半透明层28之间快速加热和膨胀。在半透明层28和工件24的表面22之间形成的所得压力形成冲击波，其传播通过工件24以将工件24塑性变形并且在工件24中的期望位点产生压应力屈服34。由该冲击波引起的塑性变形在工件24的表面22中产生应变硬化和压缩残余应力。
在图示的工件24上的撞击点的形状一般是圆的，但可使用其他的形状(如果必要的话)以提供最高效和有效的加工条件。在一个脉冲中处理的区域的大小取决于许多工艺特定参数，例如工件24的组成、使用的激光器12和其他加工因素等。处理的区域的大小可在从直径大约2.5毫米到25毫米的范围中，但本发明不由处理区域的大小限制。
耦合器30一般位于与正处理的表面22相对的工件24的侧边36上。耦合器30可由连接到工件24的声学上相容的材料构成使得在工件24和耦合器30之间存在最小的传输损耗。例如，耦合器30可由与工件24相同的材料构成，或耦合器30可由具有添加物的不同材料构成以调整耦合器30的密度接近工件24的密度。耦合器30的密度可在工件24的密度的大约百分之30内，并且在特定实施例中，耦合器30的密度可在工件24的大约百分之20内或甚至在大约百分之10内。相似地，声音通过耦合器30的速度可在声音通过工件24的速度的大约百分之30内，并且在特定实施例中，声音通过耦合器30的速度可在工件24的大约百分之20内或甚至在大约百分之10内。通过调节耦合器30的密度、声速和声阻抗以接近工件24，由激光脉冲20产生的冲击波以大约相同的速度传播通过工件24和耦合器30两者，并且耦合器30防止或减少冲击波反射回来进入工件24，该反射可以导致工件24中的原有裂纹扩展。
水、油、粘合剂、胶、或其他非可压缩材料的薄涂层(没有示出)可用于将耦合器30贴附或连接到工件24的背面36。能量通过耦合器30的传播引起耦合器30以与传播通过并且沉积在工件24中的能量成比例的速度振动。因此，通过测量耦合器30的速度，系统10可以确定沉积在工件24中的能量的量。
Doppler频移检测器16可放置成基于由耦合器30的速度引起的频移(即Doppler频移)测量耦合器30的速度。Doppler频移检测器16可以是任何本领域内已知的Doppler频移检测器并且可包括在图1中图示的功能部件中的一些或所有。如在图1中示出的，Doppler频移检测器16在功能上包括发射器38、接收器40和解调器42。在本发明范围内的备选实施例中，发射器38和接收器40可结合进入既传送又接收的单个换能器部件。
发射器38产生测试脉冲44并且将该测试脉冲44朝工件24传送，并且更具体地朝耦合器30，并且向接收器40和/或解调器42中的至少一个传送。该测试脉冲44可是微波、激光脉冲、声波或其他相似的具有起始频率F1的高频脉冲。测试脉冲44撞击工件，并且更具体地撞击耦合器30并且产生反射脉冲46。工件24和/或耦合器30的相对运动引起测试脉冲44的频率中的Doppler频移，并且测试脉冲44和反射脉冲46之间的频率中的变化可根据下列方程计算：ΔF＝2F1(vs/c)cosθ，其中F1是测试脉冲44的起始频率，vs是工件24和/或耦合器30的速度，c是测试脉冲44的速度，并且θ是如在图1中示出的入射角。
接收器40可是任何类型的非接触式换能器，其从发射器38接收测试脉冲44并且从工件24和/或耦合器30接收反射脉冲46，并且传送反映测试脉冲44和反射脉冲46的频率的信号48给解调器42。解调器42基于反射脉冲46与测试脉冲44相比的Doppler频移的频率确定工件24和/或耦合器30的速度。解调器42然后传送反映工件24和/或耦合器30的计算的速度的信号50到控制器18。取决于控制器18的细节，解调器42和/或控制器18可包括模数转换器以将信号50转换成用于在控制器18中比较的数字值。
控制器18可包括比较器，其从解调器42接收信号50并且将信号50与编程进入控制器18的一个或多个预定极限比较。如果信号50超过预定极限，由激光器12沉积在工件24中的能量的量是足够的，并且控制器18指示系统10正常工作。相反，如果信号50不超过预定极限中的一个或多个，由激光器12沉积在工件24中的能量的量是不足的，并且控制器18指示系统10发生故障。例如，不存在或太薄的半透明层28和/或烧蚀层26将减少由激光脉冲20产生的冲击波的大小，从而产生在沉积在工件24中并且传播通过其的能量的量中的对应减少。相似地，太短、不正确地瞄准或具有不足能量的激光脉冲20将在沉积在工件24中并且传播通过其的能量的量中产生对应减少。由系统10中这些可能的故障中的任何故障引起的在沉积在工件24中并且传播通过其的能量中的减少将在工件24和/或耦合器30的速度中产生对应减少。如果工件24和/或耦合器30的速度中的该减少降至预定极限中的一个或多个以下，控制系统18将检测该异常低速并且提供系统10不正常地运行的指示。采用该方式，系统10能够提供激光冲击强化工艺的效果和效率的实时监测。
作为系统10的运行的定量示例，假定沉积25焦耳能量进入具有50千克质量的不锈钢工件的激光脉冲在声学匹配的耦合器中引起每秒20英尺的振动。如果期望每个激光脉冲沉积至少25焦耳的能量进入工件，控制器可程序化为具有预定极限以识别降至每秒20英尺以下的耦合器的速度。当然，沉积在工件中的前面的能量值和所得的耦合器速度仅用于说明和示例。这些和其他测量的实际值将取决于特定激光器、工件、几何结构和与冲击强化系统关联的其他变量，并且可容易由本领域内技术人员计算或确定。
如在图1中示出的，系统10可进一步包括在不同位点的多个接收器、换能器或麦克风52。每个麦克风52放置成接收由激光脉冲20在工件24的表面22上的撞击产生的能量波(例如声波)的反射并且传送时标信号(timing signal)54到控制器18。控制器18然后可比较来自每个麦克风52的时标信号54以三角测量激光脉冲20在工件24的表面22上的确切位点。采用该方式，控制器18可以准确地绘制每个激光脉冲20在工件24的表面22上的位点。在控制器18对于激光脉冲20中的任何脉冲检测到系统10中的故障的情况下，控制器18可提供该有缺陷的激光脉冲20的确切位点使得它可以再次执行(如果期望的话)。
图2示出根据本发明的备选实施例的激光冲击强化系统60。如之前关于在图1中图示的实施例描述的那样，该系统60再次一般包括激光器12、目标14、Doppler频移检测器16和控制器18。来自激光器12的激光脉冲20通过半透明层28并且轰击烧蚀层26，其中它立即将烧蚀层26蒸发。从烧蚀层26产生的蒸汽吸收到来的激光能量，在工件24的表面22和半透明层28之间快速加热和膨胀。在半透明层28和工件24的表面22之间形成的所得压力形成冲击波，其传播通过工件24以将工件24塑性变形并且在工件24中的期望位点产生压应力屈服34。由该冲击波引起的塑性变形在工件24的表面22中产生应变硬化和压缩残余应力。
由激光脉冲20产生的冲击波以大约相同的速度传播通过工件24和耦合器30两者而不反射回到工件24，该反射可以导致原有裂纹扩展。能量通过工件24的传播引起耦合器30以与传播通过并且沉积在工件24中的能量成比例的速度振动。
在图2中示出的系统60进一步包括贴附或连接到工件24或耦合器30中的至少一个的放大装置62。该放大装置62可包括任何弹簧质量系统或加速计，其可以响应于工件24和/或耦合器30的移动而振动。例如，如在图2中示出的，该放大装置62可包括通过弹簧66、带或本领域内已知的用于连接物体在一起的其他材料贴附到耦合器30的构件64。放大装置62的至少一部分，例如构件64等将以与除以构件64的质量的弹簧66的刚度的平方根成比例的频率振动。构件64的质量和弹簧66的刚度从而可选择为增强耦合器30的速度的放大。
Doppler频移检测器16如之前关于图1中示出的实施例描述的那样工作，不同的是测试脉冲44反射离开放大装置62的一部分(例如构件64等)。结果，放大装置62的该部分的相对运动引起测试脉冲44的起始频率中的Doppler频移，并且测试脉冲44和反射脉冲46之间的频率中的变化可根据下列方程计算：ΔF＝2F1(vs/c)cosθ，其中F1是测试脉冲44的起始频率，vs是构件64的速度，c是测试脉冲44的速度，并且θ是如在图2中示出的入射角。
Doppler频移检测器16基于反射脉冲46与测试脉冲44相比的Doppler频移的频率确定放大装置62的该部分的速度，并且传送反映放大装置62的该部分的计算的速度的信号50到控制器18。控制器18然后将信号50与编程进入控制器18的一个或多个预定极限比较以确定系统60是否在正常参数内运行(如之前描述的那样)。
在图1和2中描述和图示的实施例可提供用于实时监测激光冲击强化的效果和效率的方法。如之前描述的，该方法包括沉积来自激光脉冲20的一定量的能量进入工件24的表面22或第一侧。由激光脉冲20沉积在工件24中的能量引起工件24、耦合器30和/或放大装置62以反映沉积在工件24中的能量的量的速度移动。
该方法进一步包括在工件24的第二侧36、耦合器30和/或放大装置62传送具有第一频率F1的测试脉冲44，并且接收具有第二频率的反射脉冲46。该方法基于第一频率和第二频率之间的差别确定工件24、耦合器30和/或放大装置62的速度。该方法然后可将工件24、耦合器30和/或放大装置62的速度与一个或多个预定极限比较以确定激光冲击强化的效率和/或效果。该方法可进一步包括接收来自激光脉冲20的能量波的反射并且基于来自激光脉冲20的能量波确定沉积在工件24中的能量的位置。
该书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们包括不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
Claims (10)
1.一种激光冲击强化的系统(10)，其包括：
a.放置成在工件(24)的第一侧(22)引导激光脉冲(20)的激光器(12)；
b.在所述工件(24)的第二侧(36)上的耦合器(30)；以及
c.放置成测量所述耦合器(30)的速度的Doppler频移检测器(16)。
2.如权利要求1所述的激光冲击强化的系统(10)，其中所述耦合器(30)具有耦合器密度并且所述工件(24)具有工件密度并且所述耦合器密度在所述工件密度的大约百分之30内。
3.如权利要求1或2所述的激光冲击强化的系统(10)，其中所述Doppler频移检测器(16)传送反映所述耦合器(30)的所述速度的信号(50)。
4.如权利要求3所述的激光冲击强化的系统(10)，进一步包括接收所述信号(50)的控制器(18)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的激光冲击强化的系统(10)，进一步包括放置成接收能量波的反射的多个换能器(52)。
6.如权利要求5所述的激光冲击强化的系统(10)，其中所述多个换能器(52)中的每个传送时标信号(54)。
7.一种激光冲击强化的方法，其包括：
a.沉积来自激光脉冲(20)的一定量的能量进入工件(24)的第一侧(22)；
b.在所述工件(24)的第二侧(36)传送具有第一频率的脉冲(40)；
c.从所述工件(24)的第二侧(36)接收具有第二频率的反射脉冲(46)；以及
d.基于所述第一频率和所述第二频率之间的差别确定所述工件(24)的速度。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括基于所述工件(24)的所述速度确定由所述激光脉冲(20)沉积进入所述工件(24)的第一侧(22)的所述一定量的能量。
9.如权利要求7或8所述的方法，进一步包括将所述工件(24)的所述速度与预定值比较。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，进一步包括接收来自所述激光脉冲(20)的能量波的反射。
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