專利名稱：一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，特指強(qiáng)激光束在沖擊強(qiáng)化金屬工件形成的等離子體沖擊波，根據(jù)沖擊波聲波信號和等離子體羽圖像信息對激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評估。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化(LSP:又叫激光噴丸)是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，具有高壓、高能、超快和超高應(yīng)變率等特點，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，能大幅延長金屬工件的使用壽命降低維修成本。激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測對于激光沖擊強(qiáng)化的工程應(yīng)用至關(guān)重要，目前國內(nèi)科研單位采用的主要有壓電薄膜法和X射線衍射法；壓電薄膜法是在工件背面放置PVDF壓電薄膜，將工件內(nèi)沖擊波力信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過對電信號的分析來反應(yīng)這次沖擊的質(zhì)量，其最大的缺點在于壓電薄膜法設(shè)備使用壽命短，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性差，另外在相同的加工參數(shù)下，測量結(jié)果受工件的材料及厚度影響；X射線衍射法是一種離線的測量方法，其測量的殘余應(yīng)力本身存在誤差，是一種損壞性的方法，并且測量的材料有限制。激光沖擊過程中，每一個脈沖激光束和金屬工件間都會有一個聲波信號和等離子體爆炸形成的等離子羽，可以通過檢測沖擊過程中的聲波信號和等離子羽圖像，判斷激光沖擊效果。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法，即通過激光沖擊強(qiáng)化每一脈沖的聲波信號和沖擊波在金屬工件表面形成的等離子體羽圖像，將聲波信號和等離子體羽作為特征參量共同判別激光沖擊強(qiáng)化效果。同時，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法的裝置，包括激光器、激光束、金屬工件、水約束層、吸收層、設(shè)有工件夾具的六軸工作臺和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與六軸工作臺連接，用于控制六軸工作臺的轉(zhuǎn)動與移動，控制系統(tǒng)與激光器連接，金屬工件安裝在六軸工作臺的工件夾具內(nèi)，金屬工件的待處理區(qū)域表面設(shè)有吸收層，吸收層上設(shè)有約束層，激光器發(fā)出的激光束的聚焦焦點應(yīng)與金屬工件待加工點重合，其特征在于:在六軸工作臺上，金屬工件的一側(cè)設(shè)有聲壓式傳感器，聲壓式傳感器與聲耦合器連接，聲耦合器與數(shù)據(jù)采集卡連接，將聲壓式傳感器采集激光沖擊每個脈沖的聲波信號，通過聲耦合器轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；圖像采集平臺上設(shè)有探測頭I和探測頭II，位于六軸工作臺的一側(cè)，圖像采集平臺與激光束的聚焦焦點的距離通過圖像采集平臺上的探測頭I和探測頭II采用雙目視覺算法確定；圖像采集平臺與數(shù)據(jù)采集卡連接，將圖像處理平臺對激光沖擊覆蓋在金屬工件表面的吸收層形成的等離子羽進(jìn)行拍攝形成的圖像信息傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡與集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，將所收集的聲波信號轉(zhuǎn)換的電信號和等離子羽圖像傳輸給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、圖像采集平臺分別與控制系統(tǒng)連接。激光器、激光束、金屬工件、水約束層、吸收層、六軸工作臺組成激光沖擊單元，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬工件的激光沖擊強(qiáng)化處理；聲壓式傳感器響應(yīng)頻率為5Hz-100KHz，諧振頻率為20KHz-50KHzo控制系統(tǒng)控制激光沖擊單元、圖像處理平臺和集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時根據(jù)集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋回來信息，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號一致，則進(jìn)行下一個脈沖的激光沖擊，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號出現(xiàn)較大的差別，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄該點位置，待整個金屬工件處理完畢再根據(jù)記錄情況進(jìn)行再加工。使用該裝置的具體步驟為:
(1)進(jìn)行金屬工件激光沖擊前準(zhǔn)備工作:在六軸工作臺上裝夾金屬工件，通過六軸工作臺的移動使金屬工件待加工點位于激光束的聚焦焦點上，將吸收層黏貼在金屬工件待處理區(qū)域表面，調(diào)整水約束層，調(diào)節(jié)圖像采集平臺，放置聲壓傳感器在六軸工作臺上位于金屬工件一側(cè)；
(2)圖像采集平臺上探測頭I和探測頭II采用雙目視覺算法確定激光束的聚焦焦點與圖像采集平臺的距離和方位，其定位信息反饋給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
(3)首先激光器發(fā)出激光束穿過水約束層和吸收層沖擊金屬工件若干次，采集每次激光沖擊脈沖的電信號和等離子羽圖像信號，每次沖擊后測量沖擊區(qū)域的金屬工件的殘余應(yīng)力，選擇呈現(xiàn)高幅殘余壓應(yīng)力的激光沖擊脈沖的電信號和等離子羽圖像信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號;
(4)根據(jù)金屬工件形狀，確定激光沖擊的工作軌跡，按照正常程序進(jìn)行激光沖擊處理金屬工件，數(shù)據(jù)采集卡采集電信號和等離子羽圖像信號傳輸給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)電信號和等離子羽圖像信號一致，則進(jìn)行下一個脈沖的激光沖擊，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號不同，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄該加工點位置，待整個金屬工件處理完畢再根據(jù)記錄情況進(jìn)行再加工。本發(fā)明的有益效果如下:
(1)通過激光沖擊強(qiáng)化每一脈沖的聲波信號和沖擊波在金屬工件表面形成的等離子體羽圖像，將聲波信號和等離子體羽作為特征參量共同判別激光沖擊強(qiáng)化效果，彌補(bǔ)了激光沖擊過程中單獨使用聲波信號的不足，能夠?qū)崟r、快速、準(zhǔn)確的判別激光沖擊金屬工件的效果;
(2)通過本方法能夠快速記錄激光沖擊效果不好的金屬工件加工點的精確位置，在整個金屬工件處理以后，根據(jù)記錄的電信號和圖像信息判別激光沖擊強(qiáng)化效果，對該加工點進(jìn)行后續(xù)再處理，完成整個金屬工件的加工；
(3)在圖像采集平臺上放置探測頭I和探測頭II，獲取圖像采集平臺與激光束的聚焦焦點的位置和方位，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位；
(4)聲壓傳感器和金屬工件都放置在六軸工作臺上，并且相距10cm，能夠精確獲取激光沖擊每一個脈沖的聲波信號，通過聲耦合器轉(zhuǎn)換成電信號，方便下一步處理。


圖1為激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測裝置的示意圖； 圖中:1.控制系統(tǒng)，2.激光器，3.激光束，4.水約束層，5.吸收層，6.金屬工件，7.六軸工作臺，8.聲壓傳感器，9.聲耦合器，10.數(shù)據(jù)采集卡，11.集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，12.探測頭I，13.探測頭II，14.圖像采集平臺。
具體實施例方式為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。一種用于激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法的裝置，如圖1所示，包括控制系統(tǒng)1，激光器2，激光束3，水約束層4，吸收層5，金屬工件6，六軸工作臺7，聲壓傳感器8，聲耦合器9，數(shù)據(jù)采集卡10，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11，探測頭I 12，探測頭II 13，圖像采集平臺14 ;其中激光器2、激光束3、水約束層4、吸收層5、金屬工件6、六軸工作臺7組成激光沖擊單元，控制系統(tǒng)I與激光沖擊單元、圖像處理平臺14和集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11相連；探測頭
I12和探測頭II 13放置在圖像采集平臺上，聲壓傳感器8與金屬工件6相距10 cm，都放置在都六軸工作臺7上。使用該裝置的具體步驟為:
(1)在六軸工作臺7上裝夾金屬工件6，通過六軸工作臺7的移動使金屬工件6待加工點位于激光束3的聚焦焦點上，將吸收層5黏貼在金屬工件6待處理區(qū)域表面，調(diào)整水約束層4，調(diào)節(jié)圖像采集平臺14，放置聲壓傳感器8在六軸工作臺7上金屬工件一側(cè)10 cm處；
(2)圖像采集平臺14上探測頭I12和探測頭II 13采用雙目視覺算法確定激光束3的聚焦焦點與圖像采集平臺14的距離和方位，其定位信息反饋給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11 ；
(3)首先激光沖擊單元3次沖擊金屬工件6，選擇正常激光沖擊的電信號和等離子羽圖像信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號；
(4)根據(jù)金屬工件6形狀，確定激光沖擊的工作軌跡，按照正常程序進(jìn)行激光沖擊處理金屬工件6，數(shù)據(jù)采集卡10采集電信號和等離子羽圖像信號傳輸給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11，與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號一致，則進(jìn)行下一個脈沖的激光沖擊，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號出現(xiàn)較大的差別，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)11記錄該加工點位置，待整個金屬工件6處理完畢再根據(jù)記錄情況進(jìn)行再加工。
權(quán)利要求
1.一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測裝置，包括激光器、激光束、金屬工件、水約束層、吸收層、設(shè)有工件夾具的六軸工作臺和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與六軸工作臺連接，用于控制六軸工作臺的轉(zhuǎn)動與移動，控制系統(tǒng)與激光器連接，金屬工件安裝在六軸工作臺的工件夾具內(nèi)，金屬工件的待處理區(qū)域表面設(shè)有吸收層，吸收層上設(shè)有約束層，激光器發(fā)出的激光束的聚焦焦點應(yīng)與金屬工件待加工點重合，其特征在于:在六軸工作臺上，金屬工件的一側(cè)設(shè)有聲壓式傳感器，聲壓式傳感器與聲耦合器連接，聲耦合器與數(shù)據(jù)采集卡連接，將聲壓式傳感器采集激光沖擊每個脈沖的聲波信號，通過聲耦合器轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；圖像采集平臺上設(shè)有探測頭I和探測頭II，位于六軸工作臺的一側(cè)，圖像采集平臺與激光束的聚焦焦點的距離通過圖像采集平臺上的探測頭I和探測頭II采用雙目視覺算法確定；圖像采集平臺與數(shù)據(jù)采集卡連接，將圖像處理平臺對激光沖擊覆蓋在金屬工件表面的吸收層形成的等離子羽進(jìn)行拍攝形成的圖像信息傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡與集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接，將所收集的聲波信號轉(zhuǎn)換的電信號和等離子羽圖像傳輸給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、圖像采集平臺分別與控制系統(tǒng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測裝置，其特征在于:所述激光器、激光束、金屬工件、水約束層、吸收層和六軸工作臺組成激光沖擊單元，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬工件的激光沖擊強(qiáng)化處理；聲壓式傳感器響應(yīng)頻率為5Hz-100KHz，諧振頻率為20KHz-50KHzo
3.一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法，其特征在于包括如下步驟: (1)進(jìn)行金屬工件激光沖擊前準(zhǔn)備工作:在六軸工作臺上裝夾金屬工件，通過六軸工作臺的移動使金屬工件待加工點位于激光束的聚焦焦點上，將吸收層黏貼在金屬工件待處理區(qū)域表面，調(diào)整水約束層，調(diào)節(jié)圖像采集平臺，放置聲壓傳感器在六軸工作臺上位于金屬工件一側(cè)； (2)圖像采集平臺上探測頭I和探測頭II采用雙目視覺算法確定激光束的聚焦焦點與圖像采集平臺的距離和方位，其定位信息反饋給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； (3)首先激光器發(fā)出激光束穿過水約束層和吸收層沖擊金屬工件若干次，采集每次激光沖擊脈沖的電信號和等離子羽圖像信號，每次沖擊后測量沖擊區(qū)域的金屬工件的殘余應(yīng)力，選擇呈現(xiàn)高幅殘余壓應(yīng)力的激光沖擊脈沖的電信號和等離子羽圖像信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號; (4)根據(jù)金屬工件形狀，確定激光沖擊的工作軌跡，按照正常程序進(jìn)行激光沖擊處理金屬工件，數(shù)據(jù)采集卡采集電信號和等離子羽圖像信號傳輸給集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，與標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)電信號和等離子羽圖像信號一致，則進(jìn)行下一個脈沖的激光沖擊，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號不同，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄該加工點位置，待整個金屬工件處理完畢再根據(jù)記錄情況進(jìn)行再加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光沖擊強(qiáng)化效果的在線檢測方法和裝置，其特征在于強(qiáng)激光束在沖擊強(qiáng)化金屬工件形成的等離子體沖擊波，實時測量沖擊波聲波信號和等離子體羽圖像信息，將聲波信號和等離子體羽圖像信息作為特征參量，對激光沖擊強(qiáng)化金屬工件進(jìn)行在線評估。激光器、激光束、金屬工件、水約束層、吸收層和六軸工作臺組成激光沖擊單元，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬工件的激光沖擊強(qiáng)化處理。控制系統(tǒng)控制激光沖擊單元、圖像處理平臺和集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時根據(jù)集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋信息，如果電信號和等離子羽圖像與標(biāo)準(zhǔn)信號一致，則進(jìn)行下一個脈沖的激光沖擊，如果出現(xiàn)較大的差別，集成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄該點位置，待整個金屬工件處理完畢再根據(jù)記錄情況進(jìn)行再加工。
文檔編號C21D11/00GK103207178SQ20131004085
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者鞏水利, 張永康, 魯金忠, 戴峰澤, 鄒世坤 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所, 東南大學(xué), 江蘇大學(xué)