CN112404737A - 一种焊缝的激光强化加工与质量检测的一体化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于焊缝的激光强化加工与质量检测的一体化系统。该一体化系统包括激光冲击强化单元、激光超声检测单元和控制系统，其中该控制系统能够以第一模式和第二模式操作，在第一模式，控制系统能够启动激光冲击强化单元以对工件的焊缝进行强化加工，在第二模式，控制系统能够启动激光超声检测单元以对工件的焊缝进行质量检测。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用领域，更具体涉及一种用于焊缝的激光冲击强化加工与激光质量检测的一体化系统。
背景技术
在航空航天、造船等工业领域，通常需要通过焊接方法进行零件之间的装配连接，解决大型整体结构的成型困难。但焊缝处通常成为装配构件的薄弱区域，造成构件整体性能的降低。因此，需要通过合适的强化手段和工艺对焊接区域进行强化，从而提高整个构件的力学性能，提升构件使用寿命，保证安全性和经济性。激光冲击强化相比传统的弹丸喷丸强化技术而言，存在残余应力层深、控制精度高、表面质量好、疲劳强提度高更显著、无需弹丸、清洁环保等优点。
为保证焊缝质量，通常要经过无损检测检验焊缝内部缺陷。在射线检测、超声波检测、渗透检测、磁粉检测和涡流检测五大无损检测技术中，超声波检测是应用最广的一种。传统的超声波方法采用的是接触式探测，构件表面质量影响接触程度，受人工影响较大；同时需要各种超声耦合剂，其自身性能严重限制了传统超声波检测的应用范围。而激光超声波检测可以不接触零件，不需耦合剂，不受T型焊缝等复杂结构、高温腐蚀等恶劣环境的限制。
激光冲击强化技术和激光超声检测技术同时用到了短脉宽高强度的脉冲激光。然而，工件的加工与质量检测目前都是分开进行的，尚未有联合完成激光冲击强化和激光超声检测的相关报道。因此，期望发明一种系统，通过共用部分设备、联合两种工艺实现降本增效。
发明内容
相应地，本发明提供一种用于焊缝的激光强化加工与质量检测的一体化系统，包括：激光冲击强化单元；激光超声检测单元；和控制系统，该控制系统能够以第一模式和第二模式操作，在第一模式，控制系统能够启动激光冲击强化单元以对工件的焊缝进行强化加工，在第二模式，控制系统能够启动激光超声检测单元以对工件的焊缝进行质量检测。
根据一种实施例，所述一体化系统还包括机械运动系统，该机械运动系统用于在控制系统的控制下运动激光工作头、激光超声检测信号接收装置和工件。
根据一种实施例，所述激光冲击强化单元和激光超声检测单元包括脉冲激光器、激光传输系统和激光工作头。
根据一种实施例，所述激光工作头包括专用光束聚焦和/或整形装置。
根据一种实施例，所述激光冲击强化单元还包括约束层施加装置。
根据一种实施例，所述激光超声检测单元还包括激光超声接收处理装置和信号采集分析系统。
根据一种实施例，机械运动系统包括带动激光工作头及激光超声信号接收装置运动的机械手臂和工件的装夹及变位机构。
根据本发明，用于焊缝的激光冲击强化和激光超声质量检测这两种工艺可在同一系统、即本发明的一体化系统内进行。特别是，该一体化系统的激光冲击强化单元与激光超声检测单元能够共用一套控制系统、一套脉冲激光器和激光传输系统以及由机械手臂、工作台、装夹及变位机构等组成的机械运动系统。换句话说，通过用本发明的一体化系统将激光冲击强化和激光超声检测两种工艺结合在一起，可一次性完成原始焊缝的激光超声检测、激光冲击强化和强化焊缝的质量检测，节省了设备成本，减少设备反复调试和工件反复搬运工序，提高了生产效率。
附图说明
图1是根据本发明的一种用于焊缝的激光冲击强化加工及质量检测的一体化系统的示意图；
图2是一种机身壁板T型焊接结构的示意图，其可用图1所示的一体化系统进行强化和检测；和
图3是利用图1的一体化系统进行的激光冲击强化及激光超声检测的一个示例性过程的流程图。
具体实施方式
以下结合附图示出的优选实施例对本发明的方案进行详细描述。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。可以理解，为了说明的目的，附图并非按比例绘制。
根据本发明的用于焊缝的激光强化加工与质量检测的一体化系统包括：激光冲击强化单元；激光超声检测单元；和控制系统，该控制系统能够以第一模式和第二模式操作，在第一模式，控制系统能够启动激光冲击强化单元以对工件的焊缝进行强化加工，在第二模式，控制系统能够启动激光超声检测单元以对工件的焊缝进行质量检测。
根据图1的示例性实施方式，控制系统具体为计算机控制分析系统1，激光冲击强化单元可包括脉冲激光器2、激光传输系统4、激光工作头6和约束层施加装置7，激光超声检测单元可包括脉冲激光器2、激光传输系统4、激光工作头6和激光超声接收处理装置12。在该实施例中，信号采集分析系统集成在控制系统1中。激光传输系统4可包括本领域已知的能够传输激光的例如反光镜等部件。激光工作头6包括可拆卸可替换的专用激光处理装置5，根据激光超声检测或激光冲击强化的特定功能需求，该专用激光处理装置5可灵活替换为对应的光斑整形或聚焦装置。或者，专用激光处理装置根据需要可同时包括光斑整形和聚焦装置。
计算机控制分析系统1可以分别针对激光冲击强化和激光超声检测来控制脉冲激光器2发射的激光特性，调整工艺参数，此外还可对激光超声检测返回的信号进行可视化显示与分析。机械运动系统8可用于待处理工件的装夹安放、位姿转换和扫描移动，也可根据需要用于激光工作头和激光超声信号接收装置的位置设置和姿态变换，这些运动可通过计算机控制分析系统1来控制。
图1所示的一体化系统可同时实现对工件焊缝进行激光冲击强化加工与超声质量检测。这种工件例如包括图2示出的机身壁板的T型焊接结构。在该示例中，本发明提供的一体化系统可进行该结构中角焊缝的强化与检测。本领域技术人员理解工件包括但不局限于此种结构。以下通过对图2所示的机身壁板结构焊缝进行激光冲击强化和强化前后的激光超声检测的流程来解释本发明的一体化系统的操作。图3示出了整个流程，具体包括如下步骤：
(1)清洁具有原始焊缝的工件9，将其装载于机械运动系统8的例如变位装夹工作台上；
(2)通过机械运动系统8将工件9调整至合适位姿，等待激光超声检测；
(3)控制系统1控制脉冲激光器2激发适当参数的检测用激光10，经激光传输系统4、激光工作头6；如有特殊光束聚焦或整形要求，激光可通过专用激光处理装置5进行处理后照射到工件9，激发超声波进行缺陷探测；
(4)开启激光超声接收处理装置12(例如双波干涉仪)，接收工件9散射的光信号11并进行处理，转化为带有工件缺陷信息的电信号13传输到控制系统1进行电信号13的处理、可视化显示及缺陷分析；
(5)移动激光工作头进行全工件9的扫描，完成所有焊缝扫描检测后关闭激光超声检测系统；
(6)分析判断原始焊缝的内部质量是否满足要求。如满足，则按(7)-(12)进行激光冲击强化；若不满足，该工件9报废，程序结束；
(7)清洁工件9待冲击强化区域，贴覆铝箔或其他吸收层材料；
(8)若激光冲击强化采用的约束层为固态物质，如密封胶带，贴覆吸收层之后，在吸收层外侧继续贴覆约束层；若约束层为液态或气态物质，如水等，控制系统1控制开启约束层施加装置7，在待强化区域施加约束层；
(9)控制机械运动系统8调整工件9至便于进行激光冲击强化的位姿；
(10)由控制系统1重新开启脉冲激光器2，调整激光参数，发射强化用激光3，经过激光传输系统4、激光工作头6和可灵活替换的特殊聚焦整形的专用激光处理装置5(若需要)照射到工件9待强化区域，实现局部焊缝区域的冲击强化；
(11)移动激光工作头进行全工件9的扫描，完成所有焊缝在全长区域的激光冲击强化；
(12)关闭脉冲激光器2及约束层施加装置7，去除约束层、吸收层，清洁工件9；
(13)激光冲击强化后重复步骤(1)-(5)进行强化后焊缝的激光超声检测；
(14)关闭所有系统和装置，卸载工件。
以上示出了进行强化和检测的整个流程，但本领域技术人员理解可只使用所述一体化系统进行强化或检测，从而上述流程可省略相应的步骤。另外，利用激光超声进行焊缝强化和质量检测的具体方法和设备是本领域的已知技术，本文在此不再赘述。
尽管通过示例性的实施方式对本发明进行了描述，但本发明并不局限于这里描述的细节。因此，本领域的技术人员通过此处的教导能够对本发明进行的相应修改和变型都落在本发明的范围内。
Claims (7)
1.一种用于焊缝的激光强化加工与质量检测的一体化系统，包括：
激光冲击强化单元；
激光超声检测单元；和
控制系统，该控制系统能够以第一模式和第二模式操作，在所述第一模式，所述控制系统能够启动所述激光冲击强化单元以对工件的焊缝进行强化加工，在所述第二模式，所述控制系统能够启动所述激光超声检测单元以对工件的焊缝进行质量检测。
2.根据权利要求1所述的一体化系统，还包括机械运动系统，该机械运动系统用于在所述控制系统的控制下运动激光工作头、激光超声检测信号接收装置和工件。
3.根据权利要求1或2所述的一体化系统，其中，所述激光冲击强化单元和激光超声检测单元包括脉冲激光器、激光传输系统和激光工作头。
4.根据权利要求3所述的一体化系统，其中，所述激光工作头包括专用光束聚焦和/或整形装置。
5.根据权利要求4所述的一体化系统，其中，所述激光冲击强化单元还包括约束层施加装置。
6.根据权利要求5所述的一体化系统，其中，所述激光超声检测单元还包括激光超声接收处理装置和信号采集分析系统。
7.根据权利要求6所述的一体化系统，其中，所述机械运动系统包括带动激光工作头及激光超声信号接收装置运动的机械手臂和工件的装夹及变位机构。
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