專利名稱：通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械激光沖擊強(qiáng)化評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，特指激光在沖擊工件時(shí)，形成的等 離子體沖擊波會(huì)引起工件周圍空氣的光折射率產(chǎn)生梯度，平行于工件的探測(cè)光束穿過上述 折射率不均勻區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過探測(cè)光束的偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用高功率密度、短脈沖激光對(duì)金屬材料進(jìn)行輻射，產(chǎn)生等 離子體沖擊波，使金屬材料表層發(fā)生塑性變形，在材料表層產(chǎn)生高深度的殘余壓應(yīng)力，從而 改善金屬性能的一項(xiàng)新技術(shù)。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能有效改善材料的機(jī)械性能，特別是能顯 著地延長(zhǎng)材料的疲勞壽命并提高抗應(yīng)力腐蝕性能。例如對(duì)用于核反應(yīng)堆中型芯零件和焊接 構(gòu)件的強(qiáng)化，可以減小應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性以提高零件的疲勞強(qiáng)度；對(duì)飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī) 的渦輪風(fēng)扇葉片的激光沖擊強(qiáng)化，可以使它的服役時(shí)間成倍增長(zhǎng)，從而降低飛行成本和提 高飛行安全性。激光沖擊強(qiáng)化現(xiàn)在面臨的關(guān)鍵問題之一是怎樣來評(píng)估每次沖擊處理的質(zhì)量，現(xiàn)在 國(guó)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(吳邊，王聲波，郭大浩，吳鴻興，強(qiáng)激光沖擊鎂合金改性處理研究.光 學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25 (10) 1352-1355)是在工件背面放置PVDF壓電薄膜，將工件內(nèi)沖擊波力信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的分析來反應(yīng)這次沖擊的質(zhì)量。它最大的缺點(diǎn)在于壓電薄 膜法設(shè)備使用壽命短，在實(shí)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(cè)量結(jié)果受 工件的材料及厚度影響。X射線衍射法(張永康，陳菊芳，許仁軍，AM50鎂合金激光沖擊波強(qiáng)化研究，中國(guó)激 光，2008，35 (7) 1065-1072)是把一束X射線照射在工件表面來測(cè)量表面的殘余應(yīng)力，通過 殘余應(yīng)力的大小來判斷沖擊的質(zhì)量。測(cè)量時(shí)需將工件從激光沖擊強(qiáng)化工作臺(tái)移到X射線衍 射應(yīng)力測(cè)定設(shè)備中，且測(cè)量工件上一點(diǎn)的殘余壓應(yīng)力需要1-2個(gè)小時(shí)，是一種離線的測(cè)量 方法。如果工件進(jìn)行了初加工，為了去除原有加工帶來的應(yīng)力，獲得沖擊強(qiáng)化帶來的應(yīng)力變 化，需測(cè)量深度上的應(yīng)力，通過電解從表面移去一系列的薄層，然后在每個(gè)電解步驟之間測(cè) 量表面的殘余應(yīng)力，是一種損壞性的方法。另外它測(cè)量的材料有限制，只適合結(jié)晶材料，對(duì) 廣泛使用的合金類材料，如鈦合金，很難獲得其殘余壓應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種無損、可重復(fù)使用、不受工件材料及厚度 限制的激光沖擊強(qiáng)化在線質(zhì)量評(píng)估方法。本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是，在現(xiàn)有激光沖擊強(qiáng)化裝置中加入一套無損質(zhì) 量評(píng)估裝置。無損質(zhì)量評(píng)估裝置包含，在激光沖擊強(qiáng)化裝置的激光器輸出光路上放置分光 鏡，分光鏡于激光器輸出光路的夾角為45度，其中分光鏡透射94% -98%的激光能量，反 射2%-6%的激光能量；在分光鏡分出的觸發(fā)光路上放置光電二極管，其中光電二極管和分光鏡的連線與光路垂直，且分光鏡和工件的距離與分光鏡和光電二極管的距離相等，光 電二極管通過信號(hào)線連接到示波器；在激光器輸出光路的一側(cè)放置探測(cè)激光器，探測(cè)激光 器輸出的探測(cè)激光束和激光器輸出光路在同一平面內(nèi)且相互垂直，其中探測(cè)激光束距離工 件的距離為lcm-5cm ；在探測(cè)激光器相對(duì)激光器輸出光路對(duì)稱的位置上放置另一光電二極 管，其中探測(cè)激光器和激光器輸出光路的距離與光電二極管和激光器輸出光路的距離相 等，光電二極管通過信號(hào)線連接到示波器。上述裝置中，光電二極管采集的分光鏡信號(hào)作為 觸發(fā)信號(hào)，它與另一光電二極管采集的探測(cè)光束偏轉(zhuǎn)信號(hào)在示波器內(nèi)形成一個(gè)時(shí)間差，通 過時(shí)間差來反應(yīng)探測(cè)光束的偏轉(zhuǎn)程度。在相同的加工參數(shù)(相同的激光能量，相同的約束 層和吸收層)下，探測(cè)光束的偏轉(zhuǎn)程度(即時(shí)間差)是相同的。在實(shí)際操作中，工作人員從 示波器讀出的時(shí)間差與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差進(jìn)行比較，即能判別出這次沖擊強(qiáng)化的效果，其中標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間差是在正常工作條件下示波器采集到的時(shí)間差。
本發(fā)明技術(shù)方案的原理是當(dāng)激光與工件相互作用時(shí)，形成的等離子體沖擊波會(huì) 引起周圍空氣的光折射率發(fā)生變化，當(dāng)平行于工件的探測(cè)光束穿過上述折射率不均勻區(qū)域 時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。不同激光能量對(duì)工件進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，形成的等離子體沖擊波強(qiáng)度不同，會(huì)引起 周圍空氣的折射率發(fā)生不同的變化，進(jìn)而在示波器上會(huì)顯示出不同的時(shí)間差，因此不同的 時(shí)間差能反映等離子體沖擊波的強(qiáng)度，在一定的范圍內(nèi)，等離子體沖擊波強(qiáng)度越大，工件內(nèi) 的殘余壓應(yīng)力值越大，進(jìn)而對(duì)激光沖擊波強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。本發(fā)明提供了實(shí)現(xiàn)光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置，包含分光鏡、光 電二極管、探測(cè)激光器和示波器。其中光電二極管分別用來檢測(cè)分光鏡分出的激光束和探 測(cè)激光器發(fā)出的探測(cè)激光束；示波器用來記錄上述兩個(gè)信號(hào)并顯示信號(hào)間的時(shí)間差。本發(fā)明操作的步驟如下1)在激光器輸出光路上放置分光鏡，分光鏡于激光器輸出光路的夾角為45度，其 中分光鏡透射94% -98%的激光能量，反射2% -6%的激光能量。2)在分光鏡分出的觸發(fā)光路上放置光電二極管，其中光電二極管和分光鏡的連線 與光路垂直，且分光鏡和工件的距離與分光鏡和光電二極管的距離相等，光電二極管通過 信號(hào)線連接到示波器。3)在激光器輸出光路的一側(cè)放置探測(cè)激光器，探測(cè)激光器輸出的探測(cè)激光束和激 光器輸出光路在同一平面內(nèi)且相互垂直，其中探測(cè)激光束距離工件的距離為lcm-5cm。4)在探測(cè)激光器相對(duì)激光器輸出光路對(duì)稱的位置上放置另一光電二極管，其中探 測(cè)激光器和激光器輸出光路的距離等于光電二極管和激光器輸出光路的距離，光電二極管 通過信號(hào)線連接到示波器上。5)裝夾工件、吸收層和約束層，開啟探測(cè)激光器和示波器，從激光器發(fā)射激光束對(duì) 工件沖擊強(qiáng)化。6)操作人員從示波器上讀出時(shí)間差，并和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差進(jìn)行比較，來對(duì)該次激光沖 擊強(qiáng)化進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)本方法使用時(shí)不會(huì)破壞進(jìn)行強(qiáng)化的工件，是一種無損的方法。(2)本方法檢測(cè)結(jié)果不受工件材料及尺寸影響，克服了壓電薄膜法和X射線衍射 法的共同缺點(diǎn)。
(3)本方法檢測(cè)時(shí)使用次數(shù)不受限制，不需定期更換，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益明顯。(4)本方法所使用裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，能很容易的布置在工作臺(tái)周圍，且裝卸 方便。


圖1是光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置示意圖。圖2是激光輸出能量為300mJ時(shí)示波器采集到的信號(hào)。圖3是激光輸出能量為500mJ時(shí)示波器采集到的信號(hào)。圖中，10-激光器，11-五軸工作臺(tái)，12-約束層，13-吸收層，14-工件，20-示波器， 21-分光鏡，22-光電二極管A，23-光電二極管B，24-探測(cè)激光器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的方法和裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置包含激 光器10、五軸工作臺(tái)11、約束層12、吸收層13、工件14、示波器20、分光鏡21、光電二極管 A22、光電二極管B23和探測(cè)激光器24。在激光器10輸出光路上放置分光鏡21，分光鏡21 于激光器10輸出光路的夾角為45度，其中分光鏡透射94% — 98%的激光能量，反射2% — 6%的激光能量；在分光鏡21分出的觸發(fā)光路上放置光電二極管A22，其中光電二極管A22 和分光鏡21的連線與路垂直，且分光鏡21和工件14的距離與分光鏡21和光電二極管A22 的距離相等，光電二極管A22通過信號(hào)線連接到示波器20 ；在激光器10輸出光路的一側(cè)放 置探測(cè)激光器24，探測(cè)激光器24輸出的探測(cè)激光束和激光器10輸出光路在同一平面內(nèi)且 相互垂直，其中探測(cè)激光器24輸出的探測(cè)激光束距離工件14的距離為lcm-5cm ；在探測(cè)激 光器24相對(duì)激光器10輸出光路對(duì)稱的位置上放置另一光電二極管B23，其中探測(cè)激光器 24和激光器10輸出光路的距離與光電二極管B23和激光器10輸出光路的距離相等，光電 二極管B23通過信號(hào)線連接到示波器20 ；工件14裝夾于五軸工作臺(tái)11，工件14上覆蓋有 吸收層13，吸收層13上覆蓋有約束層12。在操作過程中，實(shí)現(xiàn)該方法的步驟、以及各部分具體作用和參數(shù)如下3)把探測(cè)激光器24、分光鏡21、光電二極管A22、光電二極管B23按照上述方式搭建。其中探測(cè)激光器24為HeNe激光器，輸出波長(zhǎng)為632. 8nm,它用來發(fā)射探測(cè)激光束，其中探測(cè)光束距離工件的垂直距離為1cm ；分光鏡21分出激光器10發(fā)射的一部 分激光束到光電二極管A22上，作為示波器20的觸發(fā)信號(hào)；光電二極管A22、光電二極管 B23分別用來檢測(cè)分光鏡21和探測(cè)激光器24的光信號(hào)，上升時(shí)間為lOOps ；示波器20用來 記錄光電二極管A22、光電二極管B23的信號(hào)，示波器20的觸發(fā)方式選為沖上升，觸發(fā)通道 為光電二極管A22所連接的通道，并顯示兩個(gè)信號(hào)間的時(shí)間差。4)裝夾工件14、吸收層13和約束層12，開啟探測(cè)激光器24和示波器20，從激光 器10發(fā)射激光束對(duì)工件14沖擊強(qiáng)化。5)在激光沖擊強(qiáng)化后，工作人員從示波器20上讀出這次沖擊的時(shí)間差，將它和標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)間差進(jìn)行比較，能反應(yīng)出等離子體沖擊波的強(qiáng)度，在相同的等離子體沖擊波強(qiáng)度下，在工件內(nèi)形成的殘余壓應(yīng)力值是相同的，即能判定這次沖擊強(qiáng)化的效果，其中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差是 在正常工作條件下示波器采集到的時(shí)間差。光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估實(shí)例1)在激光器10輸出光路上放置分光鏡21，分光鏡21于激光器10輸出光路的夾 角為45度，其中分光鏡21透射94% -98%的激光能量，反射2% 的激光能量。2)在分光鏡21分出的觸發(fā)光路上放置光電二極管A22，其中光電二極管A22和分 光鏡21的連線與光路垂直，且分光鏡21和工件14的距離與分光鏡21和光電二極管A22 的距離相等，光電二極管A22通過信號(hào)線連接到示波器20。3)在激光器10輸出光路的一側(cè)放置探測(cè)激光器24，探測(cè)激光器24輸出的探測(cè)激 光束和激光器10輸出光路在同一平面內(nèi)且相互垂直，其中探測(cè)激光束距離工件14的距離 為 lcm_5cm04)在探測(cè)激光器24相對(duì)激光器10輸出光路對(duì)稱的位置上放置另一光電二極管 B23，其中探測(cè)激光器24和激光器10輸出光路的距離等于光電二極管B23和激光器10輸 出光路的距離，光電二極管B23通過信號(hào)線連接到示波器10上。5)裝夾工件14、吸收層13和約束層12，開啟探測(cè)激光器24和示波器20，從激光 器10發(fā)射激光束對(duì)工件14沖擊強(qiáng)化。其中工件14為不銹鋼，吸收層13為鋁箔，約束層12 為K9玻璃，激光器10發(fā)出的激光能量分別為300mJ和500mJ。6)在正常工作條件下，示波器20采集到的信號(hào)如圖2、3所示，圖中上面的曲線 是光電二極管A22采集的，下面的曲線是光電二極管B23采集的，時(shí)間差[Xi-X2]分別為 24. 68ns和19. 68ns。在同樣的入射激光能量下，工作人員從示波器上獲得的時(shí)間差與上述 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差相比，相同時(shí)沖擊效果理想；不同時(shí)則說明該次沖擊中出現(xiàn)了失效的形式，如沖 擊過程中錯(cuò)誤的放置鋁箔和K9玻璃。
權(quán)利要求
通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置，其特征是，包括激光器(10)、五軸工作臺(tái)(11)、約束層(12)、吸收層(13)、工件(14)、示波器(20)、分光鏡(21)、光電二極管A(22)、光電二極管B(23)和探測(cè)激光器(24)；在激光器(10)輸出光路上放置所述分光鏡(21)，所述分光鏡(21)于激光器(10)輸出光路的夾角為(45)度；在所述分光鏡(21)反射的觸發(fā)光路上放置光電二極管(22)，所述光電二極管(22)和分光鏡(21)的連線與激光器(10)輸出光路垂直，所述分光鏡(21)和工件(14)的距離與所述分光鏡(21)和光電二極管A(22)的距離相等，所述光電二極管(22)通過信號(hào)線連接到示波器(20)；在激光器(10)輸出光路的一側(cè)放置探測(cè)激光器(24)，所述探測(cè)激光器(24)輸出的探測(cè)激光束和激光器(10)輸出光路在同一平面內(nèi)且相互垂直；在所述探測(cè)激光器(24)相對(duì)激光器(10)輸出光路對(duì)稱的位置上放置光電二極管B(23)，所述探測(cè)激光器(24)和激光器(10)輸出光路的距離與所述光電二極管B(23)和激光器(10)輸出光路的距離相等，所述光電二極管B(23)通過信號(hào)線連接到示波器(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置，其特征 是，所述探測(cè)激光器(24)輸出的探測(cè)激光束距離工件(14)的距離為lcm-5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置，其特征 是，所述分光鏡(21)透射94% -98%的激光能量，反射2% -6%的激光能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置，其 特征是，所述工件(14)裝夾于五軸工作臺(tái)(11)，工件(14)上覆蓋有吸收層(13)，吸收層 (13)上覆蓋有約束層(12)。
5.實(shí)施權(quán)利要求1所述的通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置的方法，其 特征是，具體步驟如下1)裝夾工件(14)、吸收層(13)和約束層(12)，開啟探測(cè)激光器(24)和示波器(20)， 從激光器0 10發(fā)射激光束對(duì)工件(14)沖擊強(qiáng)化；2)在激光沖擊強(qiáng)化后，工作人員從示波器(20)上讀出這次沖擊的時(shí)間差，將其和標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)間差進(jìn)行比較，反應(yīng)出等離子體沖擊波的強(qiáng)度，判定沖擊強(qiáng)化的效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的方法，其特征 是，所述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差是在正常工作條件下示波器采集到的時(shí)間差。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械激光沖擊強(qiáng)化評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，公開了通過光偏轉(zhuǎn)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的裝置和方法。本發(fā)明包括激光器(10)、五軸工作臺(tái)(11)、約束層(12)、吸收層(13)、工件(14)、示波器(20)、分光鏡(21)、光電二極管A(22)、光電二極管B(23)和探測(cè)激光器(24)。本發(fā)明提供了一種無損、可重復(fù)使用、不受工件材料及厚度影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便快捷、穩(wěn)定可靠的在線質(zhì)量評(píng)估裝置和方法。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101852718SQ20101017610
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者姚紅兵, 孟春梅, 張朝陽, 張永康, 王飛, 程麗娟, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)