CN110715981A - 一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击强化加工与智能检测技术领域，特指一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置，主要适用于金属材料的表面强化工艺；本发明包括激光冲击强化系统和检测系统两大部分，所述激光冲击强化系统包括高能量纳秒Nd:YAG激光器、工件夹持系统、工件、六轴联动机器人、水槽、送水系统；所述检测系统包括计算机、前置放大器、声发射信号采集系统和激光位移传感器。本发明的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，能够对各种环境下的激光冲击强化实验进行在线检测，快速判断金属材料的激光冲击强化质量。

Description

一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置，属于激光冲击强化加工与智能检测技术领域。

背景技术

激光冲击强化技术又称激光喷丸，是一种利用激光诱导等离子体冲击波作用于金属材料表面以提高材料抗疲劳性能的新型表面改性技术，具有强化效果显著、可控性强、适应性好等优点，对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要作用。该技术诱导的等离子体冲击波压力可达到GPa级，远超金属材料的动态屈服极限，能够细化表层材料微观组织，形成一定深度的残余压应力层和显微应力层，残余压应力能够有效地消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层等加工形成的有害拉应力，可有效地抑制裂纹的萌生和扩展，从而提高材料的抗疲劳性能。与传统的喷丸、冷挤压等表面强化技术相比，激光冲击强化能够获得更深的残余压应力层、产生加工硬化、细化晶粒的优势，可显著提高材料的疲劳寿命。同时，激光冲击强化技术具有可控性强、适应性好的优点，可以对复杂结构的不规则表面进行强化处理，更好地保证了材料的表面粗糙度和尺寸精度。

目前，对激光冲击强化效果的测试方法主要是采用经过激光冲击强化处理的工件取下来进行离线检测的方式，采用小孔法或者射线法测量残余应力，效率较低，也不利于及时更改工艺。激光冲击强化技术要实现大规模的工业化应用和实际生产，就必须开发该技术的无损在线检测技术。针对激光冲击强化过程中现有的检测方法的缺点，本发明提出一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置。

发明内容

本发明涉及一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置，针对激光冲击强化过程中现有检测方法的缺点，提供一套对加工环境适应性强、稳定可靠的激光冲击强化的在线检测系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，包括

声发射信号采集系统，用于采集激光等离子体冲击波信号并反馈至计算机；

计算机，用于根据冲击波特征信号进行分析，实现激光冲击强化的在线检测。

所述声发射信号采集系统包括型材支架、丝杠滑台机构、连杆、轴承支座、转动件、声发射传感器、信号接收器及滑台连接件，其中丝杠滑台机构及轴承支座分别安装在型材支架上，所述转动件与轴承支座转动连接，一端与所述连杆的一端铰接，该转动件的另一端连接有信号接收器，所述信号接收器上安装有声发射传感器，所述连杆的另一端与滑台连接件铰接，由所述丝杠滑台机构驱动升降，进而通过所述转动件带动信号接收器转动。

所述信号接收器通过信号接收器固定块与转动件的另一端相连，该信号接收器固定块的一侧与信号接收器的凸台平面上均开设有相对应的盲孔，所述声发射传感器容置于信号接收器固定块和信号接收器对应的盲孔内，通过所述信号接收器固定块和信号接收器夹紧。

所述丝杠滑台机构包括联轴器、电机、滑台、丝杠、丝杠滑台基座和丝母，该电机安装在丝杠滑台基座上，所述丝杠转动安装于丝杠滑台基座上，并与电机的输出端通过联轴器相连，由所述电机驱动旋转，所述丝母与丝杠螺纹连接，该丝母安装在所述滑台上，所述滑台与滑台连接件通过螺钉连接，所述连杆的另一端与滑台连接件铰接。

所述丝杠的一侧或两侧设有安装在丝杠滑台基座上的光轴，所述滑台可相对滑动地套设在该光轴上。

所述转动件通过阶梯光轴与轴承支座转动连接，该阶梯光轴的一端通过轴承与所述轴承支座转动连接，另一端由所述转动件上开设的通孔穿过。

所述声发射传感器为多个，以信号接收器的凸台平面圆心为中心均匀分布。

一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，包括以下步骤：

激光冲击强化系统进行激光冲击强化实验，通过声发射信号采集系统的声发射传感器获取冲击波信号，用数据采集卡对信号进行滤波、采集、存储，利用计算机进行数据分析，将得到的冲击波特征信号代入标准声压因子模型，得到标准声压因子，以及激光能量与标准声压因子之间的函数关系；

根据激光能量与残余应力之间的关系，进而得到标准声压因子与残余应力之间的对应关系；

当得到的标准声压因子所对应的残余应力达到设定范围时，则判定激光冲击强化质量合格，否则为不合格。

所述冲击波特征信号包括冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数。

根据冲击波特征信号、信号接收器的倾斜角度θ、激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S求出标准声压因子L_s，标准声压因子模型：

其中：L_s为标准声压因子，P_θ为角度因子，P_S为水平因子，k为声压系数，C_i表示第i个声发射通道的振铃计数；A_i表示第i个声发射通道的信号幅值，E_i表示第i个声发射通道的信号能量；P_θ＝secθ；P_S＝S/a，a为系数；n为声发射通道数。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明以激光冲击强化过程中的激光诱导等离子体冲击波信号为检测对象，利用声发射信号采集系统的声发射传感器获取的冲击波信号，用数据采集卡对冲击波信号进行滤波、采集、存储，利用计算机进行数据分析，综合利用冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数等以及激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S和信号接收器的倾斜角θ建立激光能量与冲击波声压标准因子之间的函数关系，结合激光能量与材料表面残余应力之间的函数关系，进而建立标准声压因子与残余应力之间的对应关系，最后分析预测金属材料的表面强化质量。其有益效果是：激光冲击强化在线检测反应灵敏，检测结果可靠，能够实时控制激光冲击强化的效果，提高了生产效率。能够对各种环境下的激光冲击强化实验进行在线检测，快速判断金属材料的激光冲击强化质量。精度高、操作简单、隔振效果好，可以实现更好的激光冲击强化在线检测效果。

附图说明

图1是本发明的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测的系统简图；

图2是本发明的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测的检测系统图；

图3是本发明的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测的检测系统丝杠滑台机构图；

1高能量纳秒Nd:YAG激光器，2计算机，3前置放大器，4声发射信号采集系统，5工件夹持系统，6工件，7六轴联动机器人，8水槽，9送水系统，10激光位移传感器，11型材支架，12丝杠滑台机构，13联轴器，14电机，15连杆，16轴承支座，17阶梯光轴，18转动件，19信号接收器固定块，20声发射传感器，21信号接收器，22滑台连接件，23滑台，24光轴，25丝杠，26丝杠滑台基座，27丝母。

具体实施方式

实施例结合图1、图2、图3以TC17钛合金板片激光冲击强化为例说明本发明方法和装置的具体实施方式。

利用声发射信号采集系统的声发射传感器获取的冲击波信号，用数据采集卡对冲击波信号进行滤波、采集、存储，利用计算机进行数据分析，综合利用冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数等以及激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S和信号接收器的倾斜角θ建立激光能量与冲击波声压标准因子之间的函数关系，结合激光能量与材料表面残余应力之间的关系，进而建立标准声压因子与残余应力之间的函数关系，最后分析金属材料的激光冲击强化质量。

一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，包括激光冲击强化系统和检测系统两大部分，激光冲击强化系统包括高能量纳秒Nd:YAG激光器、工件夹持系统、工件、六轴联动机器人、水槽、送水系统，其中：高能量纳秒Nd:YAG激光器提供激光冲击强化的高能量脉冲激光；工件夹持系统安装在六轴联动机器人上，对工件进行精准夹持，六轴联动机器人通过适当的姿态运动，提供合理的冲击距离和规划合适的冲击强化路径；送水系统对工件提供1-2mm厚的均匀水膜作为激光冲击强化的约束层，强化后水流进入水槽，水槽与送水系统之间形成水循环系统，实现实验用水的过滤处理与循环利用。

检测系统包括计算机、前置放大器、声发射信号采集系统和激光位移传感器；所述声发射信号检测系统包括型材支架、丝杠滑台机构、连杆、轴承支座、阶梯光轴、转动件、信号接收器固定块、声发射传感器、信号接收器、滑块连接件；其中，型材支架由型材搭建而成，型材之间通过角码连接，丝杠滑台机构安装在型材支架上，安装位置与水平面垂直，轴承支座同样安装在型材支架上，安装过程需要保证轴承中心线于水平位置，转动件上设置有通孔，阶梯光轴通过通孔，确保转动件能够绕阶梯光轴转动，转动件前端与信号接收器固定块通过螺钉连接，信号接收器与信号接收器固定块同样通过螺钉连接，信号接收器凸台与信号接收器固定块的一侧均设有三个直径为18mm、深度为2mm的盲孔，这些盲孔相互之间成120°角均布在大径为110mm的圆周上，将三个声发射传感器固定在盲孔上，信号接收器固定块与信号接收器的固定连接能够确保声发射传感器处于压紧状态，滑台连接件与丝杠滑台机构上的滑台通过螺钉连接，连杆的一端与滑台连接件铰接，另一端与转动件铰接，声发射传感器与前置放大器之间连有信号线，前置放大器的另一端与计算机的数据采集卡之间同样通过信号线实现连接，激光位移传感器设置在激光器光路平台上；所述丝杠滑台机构包括联轴器、电机、滑台、光轴、丝杠、底座和丝母，电机输出端与丝杠通过联轴器连接。

激光能量与标准声压因子之间具有着函数关系，激光能量与材料表面残余应力之间同样有着确定的函数关系。

声发射传感器在信号接收器与信号接收器固定块之间需要安放垫片，防止对声发射传感器的振动传播。声发射传感器的信号接收端涂抹一层均匀的耦合剂，从而降低声阻抗差，减小声波能量的损失。信号接收器包括凸台以及凸台向周围延伸的弧面，凸台上打均匀分布的盲孔，用于放置传感器。

利用单片机控制电机的转动，根据电机的转数通过计算即可获得信号接收器的倾斜角度θ(信号接收器水平时倾斜角度为0，下正上负，一般不超过±60°)，计算机根据信号接收器的倾斜角度θ、振铃C、声发射通道信号幅值A、声发射信号能量E以及激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S代入标准声压因子模型，从而快速计算出标准声压因子L_s，标准声压因子模型：

其中：L_s为标准声压因子，单位为dB；P_θ为角度因子，其取值范围为[1,+∞)，正常情况下不超过1.732，本实施例取P_θ＝1.035；P_S为水平因子，单位为1，其取值范围为(0,1]，本实施例取P_S＝1；k为声压系数，单位为1，与被冲击材料的弹性模量有关，本实施例取k＝30；C_i为第i个声发射通道的振铃计数；A_i表示第i个声发射通道的信号幅值，单位为dBmV；E_i表示第i个声发射通道的信号能量，单位为dBW。一个声发射通道对应一个声发射传感器。S为激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离，P_S＝S/a，a为系数，本实施例中a取85，S＝85。

型材支架下底面需要放置橡胶垫以隔离振动。声发射传感器的灵敏度＞65dB、10dB带宽为100～300KHZ。

本发明提供了一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，是：在激光冲击强化的过程中，利用声发射信号采集系统的声发射传感器获取的冲击波信号，用数据采集卡对冲击波信号进行滤波、采集、存储，利用计算机进行数据分析，建立冲击波声压标准因子与残余应力之间的函数关系，进而分析金属材料激光冲击强化质量。其基本原理是：激光束穿过约束层辐射到粘贴在金属材料表面的吸收涂层上，材料表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性气化蒸发，产生高温、高压等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，一部分冲击波向工件内部传播，在冲击波的作用下，在工件表面形成压应力层，一部分冲击波向工件外部传播，传播到空气介质中；激光能量直接决定冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数以及冲击强化效果，而冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数与激光冲击强化的效果也密切相关；由于不同的激光器，其激光焦点位置也会不同，从而影响到信号接收器与工件之间的位置关系，其所测得的冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数等也有差别，故激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S和信号接收器的倾斜角θ也需要记录。因此可以根据运算得到的标准声压因子来判断激光冲击强化处理的效果，本发明综合利用激光等离子体冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数以及激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S和信号接收器的倾斜角θ预测激光冲击强化后的材料表面残余应力等参数，具有普遍、科学的应用意义。

本发明还提供了上述基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法的检测装置，所述基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，包括激光冲击强化系统和检测系统两大部分，其中：

激光冲击强化系统包括高能量纳秒Nd:YAG激光器、工件夹持系统、工件、六轴联动机器人、水槽、送水系统；工件夹持系统安装在六轴联动机器人上，对工件进行精准夹持，六轴联动机器人通过适当的姿态运动，提供合理的冲击距离和规划合适的冲击强化路径；送水系统对工件提供1-2mm厚的均匀水膜作为冲击强化的约束层，强化用水流入水槽，水槽与送水系统之间形成循环系统，实现实验用水的清洁与循环利用。

如图1～图3所示，检测系统包括计算机、前置放大器、声发射信号采集系统和激光位移传感器；声发射信号采集系统包括型材支架、丝杠滑台机构、连杆、轴承支座、阶梯光轴、转动件、信号接收器固定块、声发射传感器、信号接收器、滑台连接件；其中，型材支架由型材搭建而成，型材之间通过角码连接，丝杠滑台机构安装在型材支架上，安装位置与水平面垂直，轴承支座及其配套轴承安装在型材支架上，保证轴承中心线于水平位置，转动件上设置有通孔，轴承通过通孔，确保转动件能够绕轴承转动，转动件前端与信号接收器固定块通过螺钉连接，信号接收器与信号接收器固定块同样通过螺钉连接，信号接收器凸台与信号接收器固定块的一侧均设有三个直径为18mm、深度为2mm的盲孔，三个盲孔相互之间成120°角均布在大径为110mm的圆周上，将三个声发射传感器固定在盲孔上，信号接收器固定块与信号接收器的固定连接能够确保声发射传感器处于压紧状态，滑台连接件与丝杠滑台机构上的滑块通过螺钉连接，连杆的一端与滑台连接件铰接，另一端与转动件铰接，声发射传感器与前置放大器之间连有信号线，前置放大器的另一端与计算机的数据采集卡之间同样通过信号线实现连接，激光位移传感器设置在激光器光学平台上；丝杠滑台机构包括联轴器、电机、滑台、光轴、丝杠、底座，电机轴与丝杠通过联轴器连接。

对系统进行上电，高能量纳秒Nd:YAG激光器1参数为：波长为1064nm、脉冲宽度14ns、单脉冲能量为0～50J；TC17钛合金板片尺寸为100×100×3mm，吸收层为0.1mm的黑胶带；本次实施例实验的光斑直径为2mm、光斑搭接率为50％；送水系统9提供1-2mm的平稳流水作为约束层；激光位移传感器10发射可见红色激光射向工件表面，经发射后可获得激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S；丝杠滑台机构12进行工作，通过连杆15来调整信号接收器21的倾斜角度，将信号接收器21的倾斜角度调整到最佳，根据电机的转数通过计算即可获得信号接收器的倾斜角度θ；根据S和θ，计算得本实施例中水平因子P_S＝1、角度因子P_θ＝1.035；由于材料为TC17钛合金，声压系数k＝30；对工件6(本实施例为TC17钛合金板片)进行激光冲击强化实验，声发射传感器20将获取的冲击波信号转换成电信号，然后经前置放大器3放大后传输至计算机2，数据采集卡对冲击波信号进行滤波、采集、存储；计算机2根据获取的冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数，代入标准声压因子计算公式得到激光能量与标准声压因子之间的函数关系，结合激光能量与残余应力之间的函数关系，进而建立标准声压因子与残余应力之间的函数关系。

本次实施例，分别选择激光能量1-7J进行实验，获得如下实验数据：

表1不同激光能量下的表面残余应力

表2不同激光能量下的标准声压因子

通过对比表1和表2可以发现：随着激光能量的增加，强化工件的表面残余应力和声压水平因子都增加，且增长的趋势基本吻合，说明本发明所涉及的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法与装置具有可靠的检测性能。

Claims (10)

1.一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于：包括

声发射信号采集系统，用于采集激光等离子体冲击波信号并反馈至计算机；

计算机，用于根据冲击波特征信号进行分析，实现激光冲击强化的在线检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述声发射信号采集系统包括型材支架(11)、丝杠滑台机构(12)、连杆(15)、轴承支座(16)、转动件(18)、声发射传感器(20)、信号接收器(21)及滑台连接件(22)，其中丝杠滑台机构(12)及轴承支座(16)分别安装在型材支架(11)上，所述转动件(18)与轴承支座(16)转动连接，一端与所述连杆(15)的一端铰接，该转动件(18)的另一端连接有信号接收器(21)，所述信号接收器(21)上安装有声发射传感器(20)，所述连杆(15)的另一端与滑台连接件(22)铰接，由所述丝杠滑台机构(12)驱动升降，进而通过所述转动件(18)带动信号接收器(21)转动。

3.根据权利要求2所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述信号接收器(21)通过信号接收器固定块(19)与转动件(18)的另一端相连，该信号接收器固定块(19)的一侧与信号接收器(21)的凸台平面上均开设有相对应的盲孔，所述声发射传感器(20)容置于信号接收器固定块(19)和信号接收器(21)对应的盲孔内，通过所述信号接收器固定块(19)和信号接收器(21)夹紧。

4.根据权利要求2所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述丝杠滑台机构(12)包括联轴器(13)、电机(14)、滑台(23)、丝杠(25)、丝杠滑台基座(26)和丝母(27)，该电机(14)安装在丝杠滑台基座(26)上，所述丝杠(25)转动安装于丝杠滑台基座(26)上，并与电机(14)的输出端通过联轴器(13)相连，由所述电机(14)驱动旋转，所述丝母(27)与丝杠(25)螺纹连接，该丝母(27)安装在所述滑台(23)上，所述滑台(23)与滑台连接件(22)通过螺钉连接，所述连杆(15)的另一端与滑台连接件(22)铰接。

5.根据权利要求4所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述丝杠(25)的一侧或两侧设有安装在丝杠滑台基座(26)上的光轴(24)，所述滑台(23)可相对滑动地套设在该光轴(24)上。

6.根据权利要求2所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述转动件(18)通过阶梯光轴(17)与轴承支座(16)转动连接，该阶梯光轴(17)的一端通过轴承与所述轴承支座(16)转动连接，另一端由所述转动件(18)上开设的通孔穿过。

7.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测装置，其特征在于，所述声发射传感器(20)为多个，以信号接收器(21)的凸台平面圆心为中心均匀分布。

8.一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：

激光冲击强化系统进行激光冲击强化实验，通过声发射信号采集系统的声发射传感器获取冲击波信号，用数据采集卡对信号进行滤波、采集、存储，利用计算机进行数据分析，将得到的冲击波特征信号代入标准声压因子模型，得到标准声压因子，以及激光能量与标准声压因子之间的函数关系；

根据激光能量与残余应力之间的关系，进而得到标准声压因子与残余应力之间的对应关系；

当得到的标准声压因子所对应的残余应力达到设定范围时，则判定激光冲击强化质量合格，否则为不合格。

9.根据权利要求8所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，其特征在于，所述冲击波特征信号包括冲击波的信号幅值、信号能量、振铃计数。

10.根据权利要求8所述的一种基于声发射信号的激光冲击强化在线检测方法，其特征在于，

根据冲击波特征信号、信号接收器的倾斜角度θ、激光器光路出光孔与工件强化部位在水平方向上的垂直距离S求出标准声压因子L_s，标准声压因子模型：

其中：L_s为标准声压因子，P_θ为角度因子，P_S为水平因子，k为声压系数，C_i表示第i个声发射通道的振铃计数；A_i表示第i个声发射通道的信号幅值，E_i表示第i个声发射通道的信号能量；P_θ＝secθ；P_S＝S/a，a为系数；n为声发射通道数。

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