CN102331292A - 激光冲击强化测量系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
一种监测材料的激光冲击强化(100)的方法包括在材料上形成烧蚀层(106)，使激光射束对准烧蚀层以产生在材料中的声波，将材料中的声波转换成材料外部的热能并且测量该热能。
Description
背景技术
本文公开的主题涉及处理金属以及，特别地涉及监测激光金属处理。
激光强化(laser peening)或者激光冲击强化(LSP)是通过使用强有力的激光将有益的残余压应力引入材料(通常是金属)的过程。如本文所使用的，被加工的材料应被称为“被处理材料”。烧蚀涂层(通常黑带或者涂料)被施加至被处理材料以吸收来自激光的能量。来自激光的短能量脉冲然后被集中以使烧蚀涂层爆炸，从而产生冲击波。该过程可在多个位置中重复。半透明层(通常由水组成)被要求在涂层上且用作夯实物(tamp)，引导冲击波进入被处理材料。
压电传感器通常被用于LSP加工的实时(即时)监测。该压电传感器将由LSP引起的应力(声)波转换成与波的强度成比例的电信号。该电信号然后可被用于监测LSP过程。然而压电传感器经常被破坏，因为它与被处理材料处于直接接触。这些仪表的一次使用破坏对于无论何处需要多个激光脉冲时要求多个仪表的使用。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于测量在LSP过程期间提供给被处理材料的能量的激光冲击强化(LSP)测量装置。该实施例的装置包括能量转换器，其被配置成接收来自被处理材料的声能并且将该声能转换成热能。该实施例的装置还包括与能量转换器耦合的能量测量装置，其基于与声能成比例的热能产生电输出。
根据本发明的另一方面，提供了监测材料的激光冲击强化的方法。该方法包括在材料上形成烧蚀层，使激光射束对准烧蚀层以产生在材料中的声波，将材料中的声波转换成材料外部的热能并且测量该热能。
根据本发明的又另一方面，提供了涡轮。该实施例的涡轮由过程制备，该过程包含：在涡轮的叶片上形成烧蚀层；将激光射束对准烧蚀层以产生在材料中的声波；将材料中的声波转换成材料外部的热能；并且测量该热能。
这些以及其他优点和特征从接下来的说明并结合了附图考虑将变得更清楚明了。
附图说明
本主题(其被认为是本发明)，具体地被指出并且清楚地在本说明书的结尾处的权利要求书中被请求保护。本发明的前述的以及其他的特征、以及优点从接下来的详细说明并结合附图考虑是清楚明了的，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的LSP系统；以及
图2示出根据本发明的一个实施例的能量转换器的详细示例。
该详细的说明通过参照附图的示例的方式解释了本发明的实施例，连同优点以及特征。
具体实施方式
如以上所述，在LSP加工中利用压电传感器要求多个传感器的使用，因为该传感器由一次使用能被破坏。另外，通过直接测量声波来监测LSP过程由于所产生的高的声水平而导致操作者的不适。确实，某些LSP过程引起范围从100到140dB的声水平。
本发明的实施例可将声波转换成能量的另一形式以减少关联于LSP加工的声水平。另外，到另一形式的波的转换可增加被用于监测LSP过程的传感器的寿命。
本发明的实施例可允许在联机LSP监测中使用的传感器被再使用，因为它们未与被加工的材料直接接触。在一个实施例中，这可通过磁场以及导电媒介的使用通过从声到热修改所测量的能量来完成。特定地，声波由具有与被处理材料相同的或者类似的声阻抗的声耦合器被传输离开被处理材料。该声波然后被转换成热。该转换可例如在导电媒介中发生。在一个实施例中，产生磁场的线圈可围绕该媒介。
导电媒介以及线圈可被包封在由具有与被处理材料不同声阻抗的材料制成的壳体或者容器内以便阻止由于到外部环境的传输的声能损失。在一个实施例中，在容器内的媒介的温度上升对接触容器的导热板加热。热板的最终温度增加由传感器转换成电压。
在备选的实施例中，导热板可被省略并且在媒介中的温度变化可使用本领域内已知的技术直接测量。例如，温度变化可使用IR检测器或者辐射计来测量。
图1示出根据本发明的一个实施例的LSP系统100。LSP系统100包括激光器102以及被处理材料104。在一个实施例中，被处理材料104是金属。在具体实施例中，被处理材料可以是形成涡轮叶片的金属。相应地，系统100可被用于制造涡轮。当然，系统100也可被用于其他背景中。
被处理材料104可包括贴附于第一侧105的烧蚀层106。烧蚀层106可由黑带或者涂料形成并且被施加以便吸收由激光器102给予的能量。在第二侧107上被处理材料104可包括与其紧密接触的声耦合器108。声耦合器108可具有与被处理材料104相同或者大致相同的声阻抗。
在运行中，激光器102被对准烧蚀材料106。短能量脉冲然后被集中以使烧蚀材料106爆炸，从而产生冲击波110。冲击波110如果被允许在被处理材料104内反射则可具有有害的效果。反射波由参考数字112所指示。反射波112由于它们的张力本性而能使裂纹扩展并且减少被处理材料104的寿命。
已经发现，以与被处理材料104紧密接触的方式放置声耦合器108可减收或者消除反射波112。特定地，声耦合器108的使用将冲击波从被处理材料104传输出去。从被处理材料104传输出去的波可被用于LSP过程的联机监测。
本发明的一个实施例包括与声耦合器108耦合的能量转换器114。能量转换器114可将声冲击波110转换成能量的另一形式。在一个实施例中，能量转换器114将声波转换成热能。
能量测量装置116可测量由能量转换器114转换的能量输出。在一个实施例中，能量测量装置116可包括导热板，其与能量转换器114接触。热板的最终温度增加由形成能量测量装置116的部分的传感器转换成电信号(电流或者电压)。这样的能量测量装置116(LSP传感器)可被使用不止一次，因为它未如现有技术那样通过与冲击波的直接接触而被破坏。在备选的实施例中，能量测量装置116可直接测量在导电材料中的温度变化。例如，作为IR检测器或者辐射计被实现的能量测量装置116可直接测量温度变化。
图2示出根据本发明的一个实施例的能量转换器114的更详细的示例。能量转换器114在声耦合器108与能量测量装置116之间耦合。能量转换器114在一个实施例中将声能(波)转换成热能。
声耦合器108可包括柱塞202。柱塞202将冲击波110对准能量转换器114并且将冲击波110传输至能量转换器114。特定地，柱塞202将冲击波110对准能量转换器114的活塞204并且将冲击波110传输至能量转换器114的活塞204。
当使得电导体在磁场中移动时，则产生电动势。该电导体能被任何导电媒介(例如流体或者气体)所替换，该导电媒介是电的良好导体。能通过电离或者通过本领域内已知的其他手段使该媒介导电。
在一个实施例中，能量转换器114包括置于容器208内的导电媒介206。导电媒介206可通过被传输至活塞204的冲击波110而处于运动。
更详细地，在LSP期间产生的冲击波110在穿过被处理材料以及声耦合器108之后可引起导电媒介206中的运动。如果声耦合器108由与被处理材料相同声阻抗的材料形成，传输比则可被增加。形成声耦合器108使得它包括柱塞202，柱塞202可集中冲击波。
在一个实施例中，声耦合器108一般(以及特定地柱塞202)，可与活塞204耦合。在一个实施例中，活塞204可由与声耦合器108声学上类似的材料制成。来自活塞204的声波然后穿过在容器208内的导电媒介206。容器208可由具有与被处理材料104相异的声阻抗的材料制成，使得在容器208内不存在由于到外部的波的传输的声能损失。在一个实施例中，容器208可包括置于其外壁的罩210。罩210可由具有相异的声阻抗的材料制成以阻止任何声传输以及反射在容器208内的所有能量。
在运行中，通过使适合的电流经过围绕媒介206的线圈212而在容器208内的媒介206中产生磁场。在一个实施例中，线圈212被置于容器208内。在另一实施例中，线圈212围绕容器208。磁场还能通过永久磁体或者电磁体的使用而不通过线圈来产生。
导电媒介206通过由线圈212所产生的电磁场的电动势而处于运动。该磁场是经由导线230施加电流至线圈的结果。在一个实施例中，由磁场所产生的通量被排列使得它处于与冲击波110行进不同的方向。在一个实施例中，通量被排列在与冲击波110行进相反的方向中。冲击波110的能量随着它被转换成电动势而变得减少。特定地，由于电动势并且因而由于冲击波110而在媒介206中产生涡电流由于与由线圈212所产生的磁通量相反地作用的其电动势而被转换成热能。因而，在媒介206的温度中存在增加。该温度上升与冲击波的强度以及由线圈212所产生的磁通量成比例。
在一个实施例中，容器208可由能够经受所产生的高温的高温材料形成。容器208可如上所述地由具有与声耦合器108不同的声阻抗的材料制成，使得具有逃离容器208倾向的任何声波不被允许逃逸容器208并且被包含在其内。
在一个实施例中，导电媒介206是导电流体、有机/无机流体、或者气体，其具有与声耦合器108的声阻抗类似的或者相同的声阻抗。当所使用的流体具有相同体积模量(Bulk modulus)/密度值时实现该阻抗匹配。
能量转换器108可与能量测量装置116耦合。能量测量装置116在一个实施例中可以是温度传感器。在这样的实施例中，能量测量装置116可包括与容器208热接触的第一传导板220。在一个实施例中，第一传导板220直接与容器208接触。在一个实施例中，第一传导板220由具有高导热性的材料制成。在导电媒介206(以及容器208)中的温度增加因而通过第一传导板220被传递。
在一个实施例中，第一传导板与热电层222接触。热电层222可用适合的导电层224涂覆在两侧上。在热电层222中的温度增加被转换成在导电层224之间的电压。电热层222与导电层224的组合因此形成热电换能器。
在一个实施例中，传导电线226与导电层224相连并且电压差值可由电压表228所测量。当然，确定由于被传输至热电换能器222的温度变化的电压差值(或者所产生的电流)的任何手段可被使用。在一个实施例中，电压输出显示在显示屏上并且可被用作任何水或者涂料故障的直接指示。任何过程的不充分性转化成所产生的冲击压力中的减少，其导致在导电流体中的较低的温度增加。
在一个实施例中，能量温度测量装置116可与比较器230相连，比较器230将所测量的温度值与设为过程参数的预定限制相比较。例如，如果烧蚀涂料的厚度不是最佳的或者水流率不是最佳的，所产生的冲击波强度则相当少。这导致非最佳的激光冲击强化过程以及较低深度的残余压应力。比较器230比较从最佳过程参数的信号的偏离并且如果探测到任何偏离则发送缺陷告警。比较器因而能探测准确的位置并且发送信号以采用过程参数(如水流率、涂料厚度等等)的修正集合再实施激光冲击强化处理，以得到所希望的强化处理效果。因而，工艺变量的实时监测能被确保。
备选地，热能使用本领域已知的技术、如IR、辐射计等代替将温度通过热电换能器转换成电输出而能够直接测量。
尽管本发明已连同仅有限数量的实施例详细地被描述，应该容易理解的是本发明不仅限于这样的公开实施例。相反地，本发明能修改成结合之前未描述的但与本发明的精神以及范围相称的任意数量的变化、变更、替换或者等同设置。此外，尽管本发明的各个实施例已经被描述，应该理解的是本发明的方面可仅包括所描述实施例的某些实施例。相应地，本发明不被认为是由之前的描述所限制，而由附上的权利要求书的范围所限制。
部件列表
| 100 | LSP系统 | 102 | 激光器 |
| 104 | 被处理材料 | 106 | 烧蚀层 |
| 107 | 第二侧 | 108 | 声耦合器 |
| 110 | 冲击波 | 112 | 反射波 |
| 114 | 能量转换器 | 116 | 能量测量装置 |
| 202 | 柱塞 | 204 | 活塞 |
| 206 | 导电媒介 | 208 | 容器 |
| 210 | 罩 | 212 | 线圈 |
| 230 | 导线 | 220 | 第一传导板 |
| 222 | 热电层 | 224 | 导电层 |
| 226 | 传导电线 | 228 | 电压表 |
| 230 | 比较器 |
Claims (10)
1.一种用于测量在LSP过程期间提供给被处理材料的能量的激光冲击强化LSP(100)测量装置，所述装置包括：
能量转换器(114)，其被配置成接收来自所述被处理材料(104)的声能并且将所述声能转换成热能；以及
与所述能量转换器耦合的能量测量装置(116)，其基于与所述声能成比例的热能产生电输出。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述能量转换器包括：
容器(208)，其具有第一声阻抗；
在所述容器内的导电媒介(206)；以及
在所述容器内安置的一个或者多个线圈(212)。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述能量转换器进一步包括：
在所述容器的第一端处的活塞(204)，所述活塞具有与所述第一声阻抗不同的第二声阻抗并且与所述导电媒介接触。
4.如权利要求3所述的装置，进一步包括：
声耦合器(108)，其在所述活塞与所述被处理材料之间耦合，所述声耦合器具有第三声阻抗。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第三声阻抗与第二声阻抗相同。
6.如权利要求3所述的装置，其中所述一个或者多个线圈接收电流并且在第一方向中产生电通量，并且其中所述活塞在不同于所述第一方向的第二方向中移动。
7.如权利要求3所述的装置，其中所述声耦合器包括柱塞(202)，并且其中所述柱塞与所述活塞耦合。
8.一种监测材料的激光冲击强化(100)的方法，所述方法包括：
在所述材料上形成烧蚀层(106)；
使所述激光射束对准所述烧蚀层(106)以产生在所述材料中的声波；
将所述材料中的声波转换成所述材料外部的热能；以及
测量所述热能。
9.如权利要求11所述的方法，其中转换包括将所述声波在第一方向中对准导电材料。
10.如权利要求12所述的方法，其中转换进一步包括在所述导电材料中在第二方向上形成电通量，所述第二方向与所述第一方向不同。
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