CN102494821B

CN102494821B - 一种检测激光冲击波压力的装置

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Publication number: CN102494821B
Application number: CN2011103805507A
Authority: CN
Inventors: 冯爱新; 曹宇鹏; 聂贵锋; 张敏; 王俊伟; 施芬; 杨润
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102494821A

Abstract

本发明涉及激光加工领域，特指一种检测激光冲击波压力的装置，主要适用于特定参数下的激光冲击波压力检测及优化激光冲击强化工艺。由工控机控制激光器电源，使激光器按要求的能量和一定范围内的光斑直径，发出激光脉冲，激光束通过透镜、约束层照射在吸收层上，吸收层材料气化、电离产生冲击波，冲击波压力作用后试样开始运动，测速系统测量出起始速度，并将数据采集到工控机。本发明利用动量定理，测量原理简单，使用的测量装置简单，在激光器能量稳定的前提下，测量过程稳定、可重复性高，易于实现。

Description

一种检测激光冲击波压力的装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种检测激光冲击波压力的装置，主要适用于特定参数下的激光冲击波压力检测及优化激光冲击强化工艺。

背景技术

随着绿色能源、航空航天、海洋工程等技术的发展，激光冲击强化得到了广泛的研究和应用，因为激光脉宽很窄，作用时间短（飞秒级、皮秒级），其产生的冲击波有效作用时间也很短，因而在冲击强化中采用约束层技术，用短脉冲高峰值的激光照射金属表面吸收层，吸收层吸收激光能量后发生瞬时的气化蒸发、电离，产生高温高压的等离子气体，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基材表面，使之瞬时屈服，并产生应变硬化。

美国通用公司在2007年申报了专利：Laser Shock peening System With Tiome-of-flight Monitoring :Patent Number:US20070119824A1(飞行时间监控的激光冲击强化系统)，以及2009年，江苏大学申报的专利：基于激光冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置，上述两种方法依赖环境，当环境湿度和温度发生变化时，会影响波的传播，进而影响测量结果。

与本发明最接近的是水下激光冲击成形中有关参数的测定方法和装置，激光冲击成形水膜厚度对冲击波参数影响的测定装置，包括激光发生器、激光发生器控制系统、水膜厚度调节系统、压力检测系统、约束层及吸收层材料，由控制系统控制激光发生器按预定参数产生激光脉冲，激光束通过约束层照射到涂布在传感器保护膜上的吸收层上，吸收层材料汽化、电离产生冲击波，经保护膜传递到传感器表面，传感器在压力作用下发生变形产生电信号，检测装置检测到这一信号经放大、量值转换后在示波器上显示出冲击波的压力曲线，上述方法，由于在激光光斑内能量分布不均，激光加载后吸收层不能全部气化脱落，若能量过大还会损伤传感器等原因，对测试结果的可信度产生了影响。

发明内容

本发明的目的在于检测冲击波压力，分别以水、水-通明薄膜、玻璃-水为约束层，能够克服现有冲击波检测方法的缺点，提供一种对加工环境适应性强、稳定可靠、成本较低的检测冲击波压力的方法和装置。

一种检测激光冲击波压力的装置，包括激光器、激光器电源、工控机、透镜及能够调节透镜焦距的装置，其特征在于：所述装置还设有水膜厚度调节系统、测速系统和工作台控制系统，工作台控制系统由工作台、伺服电机、水平方向导轨、竖直方向导轨和电器柜组成，工作台安装在水平方向导轨上并能沿水平方向导轨移动，水平方向导轨安装在竖直方向导轨上并能沿竖直方向导轨移动，电器柜用于控制伺服电机带动工作台在水平方向导轨内移动及带动水平方向导轨在竖直方向导轨内移动，实现工作台的二维平面运动；水膜厚度调节系统由排水龙头、排水孔与水管和水槽组成，排水龙头安装在工作台的靠近激光器的一端并位于工作台的上方，排水孔与水管固定在能够调节透镜焦距的装置上，位于排水龙头下方，用于排放约束层的水，水槽位于排水孔与水管的正下方，用于储存排水孔与水管排放的水，能够调节透镜焦距的装置固定在工作台上靠近激光器的一端，水膜厚度由排水龙头控制，水从排水龙头流出在试样涂有吸收层的端面上形成水膜，而后由排水孔与水管进入水槽；测速系统由试样、测速装置、电磁铁、电磁铁限位开关组成，试样放置在工作台的凹槽中，涂有吸收层的一端正对激光器，测速装置固定在工作台上，位于试样的未涂约束层的一端，用于测量冲击波作用后试样的速度，电磁铁固定在工作台的远离激光器的一端，电磁铁限位开关安装在工作台的凹槽中，位于试样和电磁铁之间并紧靠电磁铁，冲击波作用后试样获得一定的速度在工作台的凹槽中运动，触动电磁铁限位开关时，电磁铁通电用于吸附试样，防止试样撞击后反弹。

所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述能够调节透镜焦距的装置由燕尾滑轨和透镜拖板组成，燕尾滑轨固定在在工作台上靠近激光器的一端，透镜拖板安装在燕尾滑轨上并能沿燕尾滑轨滑动，透镜固定在透镜拖板上。

通过移动透镜拖板带动透镜移动，从而调整激光光斑大小，电器柜通过控制伺服电机带动工作台在水平方向导轨内移动及带动水平方向导轨在竖直方向导轨内移动，使得激光器中心、透镜中心及试样中心位于一条直线上。

所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述测速装置为速度传感器。

所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：工控机用于控制激光器电源以及测速系统中的测速装置。

所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述试样为含有铁、钴或镍的合金。

测速系统用于测量冲击波作用后试样的速度，由于激光的脉宽已知，试样的质量与速度可测出，由动量定理：试样的质量乘上试样的初始速度再除以3倍的激光脉宽，便可计算得出冲击波压力。

由工控机控制激光器电源，使激光器按预定参数产生脉冲激光，激光束通过水膜照射在涂有吸收层的试样端面上，吸收层材料气化、电离产生冲击波，冲击波压力作用后试样开始运动，测速系统测量出起始速度，并将数据采集到工控机，通过程序处理显示出冲击波压力。

本发明的实施过程如下：

1、在光滑的圆柱形试样的端面涂布吸收层材料；

2、将试样安装在工作台上；

3、打开激光电源、工控机、测速装置，在工控机操作系统平台打开信息处

理软件，并检测工控机与激光电源、工控机与测速装置通信状况，确定通信状况良好；

4、由工控机控制激光器电源，使激光器按要求的能量和一定范围内的光斑

直径，发出激光脉冲，激光束通过透镜、约束层照射在吸收层上，吸收层材料气化、电离产生冲击波，冲击波压力作用后试样开始运动，测速系统测量出起始速度，并将数据采集到工控机。

5、信息处理软件根据采集到的数据进行处理并显示出冲击波压力。

本发明的优点在于：

1、在以液体作为约束层的激光冲击检测中，水膜的厚度不易控制，本装置采用标准、系列、固定液体出口厚度的龙头罩，进而可以精确控制水膜厚度；

2、利用动量定理，测量原理简单，使用的测量装置简单，在激光器能量稳定的前提下，测量过程稳定、可重复性高，易于实现；

3、本发明可以改变水膜厚度，并可确定不同厚度的水膜，对冲击波参数的影响，进而可以优化工艺；

4、该激光加工机开放性较好，性价比高，易于推广。

附图说明

本发明装置结构附图说明如下：

图1是激光冲击波压力检测装置示意图；

图2是水膜厚度调节系统结构示意图；

图3是工作台控制系统结构示意图；

1、激光器；2、激光器电源；3、燕尾滑轨；4、透镜拖板；5、排水孔与水管；6、工作台；7、排水龙头；8、试样；9、测速装置；10、伺服电机；11、竖直方向导轨；12、电磁铁限位开关；13、电磁铁；14、水平方向导轨；15、电器柜；16、伺服电机；17、水槽；18、工控机。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不是用来限制本发明。

实施本发明的装置包括激光器1、激光器电源2、工控机18、燕尾滑轨3、透镜拖板4，其特征在于：所述装置还设有水膜厚度调节系统、测速系统及工作台控制系统，燕尾滑轨3固定在工作台6的靠近激光器1的一端，透镜拖板4安装在燕尾滑轨3上，透镜拖板4能够在燕尾滑轨3内移动，用于调节激光光斑大小。

工作台控制系统由工作台6、设有伺服电机16的水平方向导轨14、设有伺服电机10的竖直方向导轨11和电器柜15组成，工作台6安装在水平方向导轨14上并能沿水平方向导轨14移动，水平方向导轨14安装在竖直方向导轨11上并能沿竖直方向导轨11移动，电器柜15用于控制伺服电机16带动工作台6在水平方向导轨14内移动及控制伺服电机10带动水平方向导轨14在竖直方向导轨11内移动，实现工作台的二维平面运动；水膜厚度调节系统由排水龙头7、排水孔与水管5和水槽17组成。排水龙头7安装在工作台6的靠近激光器1的一端并位于工作台6的上方，排水孔与水管5固定在燕尾滑轨3上，位于排水龙头7下方，用于排放约束层的水，水槽17位于排水孔与水管5的正下方，用于储存排水孔与水管5排放的水，水膜厚度由排水龙头7控制，水从排水龙头7流出在试样8涂有吸收层的端面上形成水膜，而后由排水孔与水管5进入水槽17。

其中测速系统由试样8、测速装置9、电磁铁13、电磁铁限位开关12组成，该系统用于测量冲击波作用后试样8的速度，由于激光的脉宽已知，试样的质量与速度可测出，由动量定理：试样8的质量乘上试样的初始速度再除以3倍的激光脉宽，便可计算得出冲击波压力，试样8放置在工作台6的凹槽中，涂有吸收层的一端正对激光器1，测速装置9固定在工作台6上，位于试样8的未涂约束层的一端，用于测量冲击波作用后试样的速度，电磁铁13固定在工作台6的远离激光器1的一端，电磁铁限位开关12安装在工作台6的凹槽中，位于试样8和电磁铁13之间并紧靠电磁铁13，冲击波作用后试样8获得一定的速度在工作台6的凹槽中运动，触动电磁铁限位开关12时，电磁铁13通电，有一定的吸附力，用于吸附试样8，防止试样8撞击后反弹。

由工控机18控制激光器电源2，使激光器1按预定参数产生脉冲激光，激光束通过水膜照射在涂有吸收层的试样8端面上，吸收层材料气化、电离产生冲击波，冲击波压力作用后试样8开始运动，测速系统测量出起始速度，并将数据采集到工控机18，通过程序处理显示出冲击波压力。

打开激光电源2、工控机18、测速装置9，并检测工控机18与激光电源2、工控机18与测速装置9通信状况，确定通信状况良好，将端面涂布吸收层的光滑圆柱形试样8安装在工作台6上，由工控机18控制激光器电源2，使激光器1按要求的能量和一定范围内的光斑直径，发出激光脉冲，激光束通过透镜、水膜照射在吸收层上，吸收层材料气化、电离产生冲击波，冲击波作用后试样8开始运动，测速系统测量出起始速度，并将数据采集到工控机18，通过程序处理显示出冲击波压力。

实施例

采用本发明的原理及装置对AM50镁合金进行单点，分别测量三种不同激光功率密度作用在试样时初始速度，计算出激光冲击波平均压力，如表1所示；具体实验条件为：试样的总质量（试样和铝箔）为32克，Gaia-R系列高能量脉冲灯泵浦YAG激光器，激光脉冲能量分别为7J、9 J、11 J，冲击光斑直径3mm，激光波长1064nm，脉宽10ns，根据激光能量与功率密度的关系计算得对应激光功率密度分别为9.9×10⁹ W/cm²、12.7×10⁹ W/cm²、15.6×10⁹ W/cm²；激光冲击时采用0.1mm的美国3M公司专用铝箔（其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴）作为激光能量吸收层，水作为约束层。

表1

Claims

1.一种检测激光冲击波压力的装置，包括激光器、激光器电源、工控机、透镜及能够调节透镜焦距的装置，其特征在于：所述检测激光冲击波压力的装置还设有水膜厚度调节系统、测速系统和工作台控制系统，工作台控制系统由工作台、伺服电机、水平方向导轨、竖直方向导轨和电器柜组成，工作台安装在水平方向导轨上并能沿水平方向导轨移动，水平方向导轨安装在竖直方向导轨上并能沿竖直方向导轨移动，电器柜用于控制伺服电机带动工作台在水平方向导轨内移动及带动水平方向导轨在竖直方向导轨内移动，实现工作台的二维平面运动；水膜厚度调节系统由排水龙头、排水孔与水管和水槽组成，排水龙头安装在工作台的靠近激光器的一端并位于工作台的上方，排水孔与水管固定在能够调节透镜焦距的装置上，位于排水龙头下方，用于排放约束层的水，水槽位于排水孔与水管的正下方，用于储存排水孔与水管排放的水，能够调节透镜焦距的装置固定在工作台上靠近激光器的一端，水膜厚度由排水龙头控制，水从排水龙头流出在试样涂有吸收层的端面上形成水膜，而后由排水孔与水管进入水槽；测速系统由试样、测速装置、电磁铁、电磁铁限位开关组成，试样放置在工作台的凹槽中，涂有吸收层的一端正对激光器，测速装置固定在工作台上，位于试样的未涂约束层的一端，用于测量冲击波作用后试样的速度，电磁铁固定在工作台的远离激光器的一端，电磁铁限位开关安装在工作台的凹槽中，位于试样和电磁铁之间并紧靠电磁铁，冲击波作用后试样获得一定的速度在工作台的凹槽中运动，触动电磁铁限位开关时，电磁铁通电用于吸附试样，防止试样撞击后反弹。

2.如权利要求1所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述能够调节透镜焦距的装置由燕尾滑轨和透镜拖板组成，燕尾滑轨固定在在工作台上靠近激光器的一端，透镜拖板安装在燕尾滑轨上并能沿燕尾滑轨滑动，透镜固定在透镜拖板上。

3.如权利要求1所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述测速装置为速度传感器。

4.如权利要求1所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述工控机用于控制激光器电源以及测速系统中的测速装置。

5.如权利要求1所述的一种检测激光冲击波压力的装置，其特征在于：所述试样为含有铁、钴或镍的合金。