本發(fā)明涉及無損檢測和激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

激光沖擊強化技術(shù)是最先進金屬表面強化手段，它是利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，可在深度大于1mm的工件表面產(chǎn)生壓縮表面殘余應(yīng)力，提高工件的抗損傷強度及疲勞性能，與冷擠壓、噴丸等金屬材料表面強化手段相比，具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點。例如對用于核反應(yīng)堆中型芯零件和焊接構(gòu)件的強化，可以減小應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性以提高零件的疲勞強度；對飛機渦輪發(fā)動機的渦輪風(fēng)扇葉片的激光沖擊強化，可以使它的服役時間成倍增長，從而降低飛行成本和提高飛行安全性。此技術(shù)是一項軍民兩用技術(shù)，在航空航天、汽車工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、海洋船舶、醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，在某些場合其作用不可替代。

目前，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)擁有的激光沖擊強化設(shè)備都處于實驗應(yīng)用階段，離激光沖擊強化工程化應(yīng)用有著相當(dāng)?shù)木嚯x。其主要原因之一是：沒有實時的在線質(zhì)量監(jiān)測方法和系統(tǒng)。在激光沖擊強化的過程中，影響激光沖擊強化效果因素較多，如脈沖激光的能量大小及脈寬、光斑形狀及大小、保護層材質(zhì)及厚度、約束層均勻性和厚度等因素。在實驗室階段，可以通過一系列的離線、破壞性的檢測方法檢測激光沖擊強化的效果，但在工程化階段，從加工環(huán)境、加工效率和工件成本考慮，這些方法均不可取。要把激光沖擊強化技術(shù)推廣到工業(yè)應(yīng)用中，就必須實現(xiàn)加工過程的在線檢測，實時檢測激光沖擊強化的效果，作為控制加工質(zhì)量的依據(jù)。

綜上所述，實現(xiàn)激光沖擊強化加工過程在線質(zhì)量監(jiān)測，控制加工質(zhì)量是實現(xiàn)其工程化應(yīng)用不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服激光沖擊強化過程中沒有實時的在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的缺點，為提高關(guān)鍵零部件抗損傷及抗疲勞性能的激光沖擊強化工藝的可控性，提供一種基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和方法，本發(fā)明是對加工環(huán)境適應(yīng)性強、穩(wěn)定可靠、成本較低的在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明提供了一種基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，包括：激光控制器(1)、控制裝置(3)、聲波接收采樣電路(4)、激光器本體(7)和聲壓檢測變送傳感裝置(10)；

所述激光控制器(1)，用于控制激光器本體(7)向激光沖擊強化部件位置(8)發(fā)射激光，使材料表面產(chǎn)生聲發(fā)射信號(9)；

所述聲壓檢測變送傳感裝置(10)，用于接收聲發(fā)射信號(9)產(chǎn)生的機械振動，得到聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；

所述聲波接收采樣電路(4)，用于接收聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)傳送至控制裝置(3)；

所述控制裝置(3)，用于根據(jù)聲波采樣數(shù)據(jù)得到聲壓水平因子，根據(jù)聲壓水平因子判斷激光沖擊強化的效果；并根據(jù)激光沖擊強化的效果，控制激光控制器(1)發(fā)送調(diào)Q觸發(fā)信號(6)；其中，判斷激光沖擊強化的效果的方式：將聲壓水平因子與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍進行比對，如果檢測信號處于標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍內(nèi)則表示激光沖擊強化效果很好；如果檢測信號超出標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍則表示激光沖擊強化效果不好，發(fā)出警告并記錄。

進一步的，所述聲壓檢測變送傳感裝置(10)包括依次數(shù)據(jù)連接的聲壓檢測傳感器(102)、聲波接收元件(103)、信號轉(zhuǎn)換模塊(104)及信號發(fā)送模塊(105)。

進一步的，所述聲壓檢測變送傳感裝置(10)的響應(yīng)頻率為10-50KHz，諧振頻率為35-39KHz。

進一步的，所述聲壓檢測變送傳感裝置(10)與激光沖擊點的距離為80-100cm。

進一步的，所述聲波接收采樣電路(4)采用高速數(shù)據(jù)采集卡。

本發(fā)明還提供了一種基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟S100：激光控制器(1)控制激光器本體(7)向激光沖擊強化部件位置(8)發(fā)射激光，在材料表面產(chǎn)生聲發(fā)射信號(9)；

步驟S200：聲壓檢測變送傳感裝置(10)接收聲發(fā)射信號(9)產(chǎn)生機械振動，得到聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；

步驟S300：聲波接收采樣電路(4)接收聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)傳送至控制裝置(3)；

步驟S400：控制裝置(3)根據(jù)聲波采樣數(shù)據(jù)得到聲壓水平因子，根據(jù)聲壓水平因子判斷激光沖擊強化的效果；其中，判斷激光沖擊強化的效果的方式：將聲壓水平因子與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍進行比對，如果檢測信號處于標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍內(nèi)則表示激光沖擊強化效果很好；如果檢測信號超出標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍則表示激光沖擊強化效果不好，發(fā)出警告并記錄；

步驟S500：控制裝置(3)根據(jù)激光沖擊強化的效果，控制激光控制器(1)發(fā)送調(diào)Q觸發(fā)信號(6)。

有益效果：本發(fā)明以激光沖擊產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的聲壓波形特征為檢測對象，由聲壓水平因子判斷激光沖擊強化的加工效果，可以實時的在線檢測沖擊強化效果，控制強化質(zhì)量，提高強化加工的自動化程度，受外界影響小，實用性強，判斷準(zhǔn)確，成本較低。因此，本發(fā)明是一種對加工環(huán)境適應(yīng)性強、穩(wěn)定可靠、成本較低的在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是聲壓檢測變送傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明監(jiān)測的聲壓波形圖。

附圖標(biāo)識：1.激光控制器；2.觸發(fā)控制信號；3.控制裝置；4.聲波接收采樣電路；5.同軸電纜；6.調(diào)Q觸發(fā)信號；7.激光器本體；8.激光沖擊強化部件位置；9.聲發(fā)射信號；10.聲壓檢測變送傳感裝置；101.檢測傳感器安裝座；102.聲壓檢測傳感器；103.聲波接收元件；104.信號轉(zhuǎn)換模塊；105.信號發(fā)送模塊。

具體實施方式

為使本發(fā)明解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。

圖1是本發(fā)明基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1，本發(fā)明實施例提供的基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，包括：激光控制器1、控制裝置3、聲波接收采樣電路4、激光器本體7和聲壓檢測變送傳感裝置10。

所述激光控制器1，用于控制激光器本體7向激光沖擊強化部件位置8發(fā)射激光，使材料表面產(chǎn)生聲發(fā)射信號9；其中，激光控制器1能夠接收控制裝置3的觸發(fā)信號，控制激光器本體7；激光器本體7是激光沖擊強化執(zhí)行機構(gòu)。

所述聲壓檢測變送傳感裝置10，用于接收空氣中傳播的聲發(fā)射信號9產(chǎn)生的機械振動，得到聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(聲電轉(zhuǎn)換)；并把模擬電壓信號通過同軸電纜5傳送至聲波接收采樣電路4。圖2是聲壓檢測變送傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖2，在本實施例中，聲壓檢測變送傳感裝置10，包括依次數(shù)據(jù)連接的聲壓檢測傳感器102、聲波接收元件103、信號轉(zhuǎn)換模塊104和信號發(fā)送模塊105，其中，檢測傳感器安裝座101和聲壓檢測傳感器102設(shè)置在聲波接收元件103上，信號轉(zhuǎn)換模塊104和信號發(fā)送模塊105通過數(shù)據(jù)線與聲壓檢測傳感器102連接。聲壓檢測變送傳感裝置10中，聲壓檢測傳感器102用于接收空氣中傳播的聲發(fā)射信號，聲波接收元件103增強信號傳感器接收的聲波信號，信號轉(zhuǎn)換模塊104用于將聲波采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，信號發(fā)送模塊105用于把模擬電壓信號通過同軸電纜5傳送至聲波接收采樣電路4，聲波接收采樣電路4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濾波算法去除噪聲干擾；聲壓檢測變送傳感裝置10要求響應(yīng)頻率為10-50KHz，諧振頻率為35-39KHz。聲壓檢測變送傳感裝置10設(shè)置在距離激光沖擊點80-100cm的位置。

所述聲波接收采樣電路4，用于接收并存儲聲壓檢測變送傳感裝置10傳送的聲波采樣數(shù)據(jù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濾波算法去除噪聲干擾，并將除燥后的聲波采樣數(shù)據(jù)傳送至控制裝置3進行分析。在本實施例中，聲波接收采樣電路4，選用高速數(shù)據(jù)采集卡，品牌：TDEC，型號：PCI-50612，是4通道同步并行高速數(shù)據(jù)采集卡，采用12Bit高精度A/D，每通道最高采樣率可同時達到50MSps；其工作步驟如下：高速數(shù)據(jù)采集卡實時采集并存儲由聲壓檢測變送傳感裝置10傳送的模擬電壓信號；控制裝置3接收到聲波接收采樣電路4傳送來的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好命令后，調(diào)用PCI-50612卡提供的API接口讀取數(shù)據(jù)到控制裝置3的軟件部分中，同時清空聲波接收采樣電路4的暫存器中數(shù)據(jù)，為下一次數(shù)據(jù)采樣做準(zhǔn)備。

所述控制裝置3，用于接收來自聲波接收采樣電路4的聲波采樣數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)除噪后的聲波采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過控制程序的分段函數(shù)公式運算得到聲壓水平因子，其中，聲壓水平因子為一個常數(shù)數(shù)值，激光沖擊強化正常工作時聲壓水平分子在一個規(guī)定的范圍內(nèi)，數(shù)值低于這個范圍說明工作質(zhì)量下降，數(shù)值高于這個范圍則說明工作狀態(tài)出現(xiàn)問題。因此，根據(jù)聲壓水平因子判斷激光沖擊強化的效果；并根據(jù)激光沖擊強化的效果控制激光發(fā)生器的功率開關(guān)，當(dāng)聲壓水平因子超出規(guī)定范圍，控制激光控制器1發(fā)送調(diào)Q觸發(fā)信號6，即控制激光發(fā)生器功率開關(guān)進行調(diào)整；具體的，聲波采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過聲波接收采樣電路4的處理，去除了噪聲干擾等環(huán)境因素，剩余主要信號經(jīng)過控制裝置3再次處理轉(zhuǎn)換成聲壓水平因子，控制裝置3將檢測的聲壓水平因子與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍進行比對，如果檢測信號處于標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍內(nèi)則表示激光沖擊強化效果很好，系統(tǒng)提示加工質(zhì)量正常；如果檢測信號超出標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍則表示激光沖擊強化效果不好，系統(tǒng)提示加工質(zhì)量不合格，并發(fā)出警告并記錄。另外，控制裝置3，還用于控制在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的全部設(shè)備，并利用觸發(fā)控制信號2控制激光控制器1輸出信號。

在本實施例中，控制裝置3，包括計算機部分和軟件部分，其軟件部分的主要功能包括：讀取聲波采樣數(shù)據(jù)到控制裝置內(nèi)存，分析聲波采樣數(shù)據(jù)并計算出聲壓水平因子，圖形化顯示聲壓波形圖，聲壓波形圖以圖3為例，圖3中聲壓水平因子是在實驗室加工環(huán)境下，加工TiC₄材料，激光功率密度為4.5Gw/cm²的條件下得出的。根據(jù)設(shè)置的聲壓水平因子合理閾值范圍，分析出激光沖擊強化的效果；通過串口RS232協(xié)議控制觸發(fā)激光控制器1的調(diào)Q觸發(fā)信號6。

本發(fā)明的原理是，在激光沖擊強化過程中產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，激光的能量直接決定沖擊材料表面發(fā)出的聲發(fā)射信號特征。因此，通過檢測激光沖擊材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的特征判斷沖擊強化的處理效果，本發(fā)明就是利用聲發(fā)射信號的聲壓水平因子預(yù)測沖擊強化后材料表面的殘余應(yīng)力。

對應(yīng)的，本實施例還提供一種基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測方法，包括以下步驟：

步驟S100：激光控制器1控制激光器本體7向激光沖擊強化部件位置8發(fā)射激光，在材料表面產(chǎn)生聲發(fā)射信號9；

步驟S200：聲壓檢測變送傳感裝置10接收聲發(fā)射信號9產(chǎn)生的機械振動，得到聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；

步驟S300：聲波接收采樣電路4接收聲波采樣數(shù)據(jù)，并將聲波采樣數(shù)據(jù)傳送至控制裝置3；

步驟S400：控制裝置3根據(jù)聲波采樣數(shù)據(jù)得到聲壓水平因子，根據(jù)聲壓水平因子判斷激光沖擊強化的效果；其中，判斷激光沖擊強化的效果的方式：將聲壓水平因子與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍進行比對，如果檢測信號處于標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍內(nèi)則表示激光沖擊強化效果很好；如果檢測信號超出標(biāo)準(zhǔn)聲壓水平因子范圍則表示激光沖擊強化效果不好，發(fā)出警告并記錄；

步驟S500：控制裝置3根據(jù)激光沖擊強化的效果，控制激光控制器1發(fā)送調(diào)Q觸發(fā)信號6。

本實施例的基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測方法，當(dāng)激光沖擊材料表面時產(chǎn)生聲波發(fā)射現(xiàn)象，聲波發(fā)射源發(fā)出的彈性波經(jīng)介質(zhì)傳播到聲壓檢測變送傳感裝置10的聲波接收元件103表面。聲波接收元件103接收傳播過來的彈性波產(chǎn)生機械振動，信號轉(zhuǎn)換模塊104將聲壓檢測傳感器102表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，信號發(fā)送模塊105把聲波采樣數(shù)據(jù)的模擬電壓信號傳送至聲波接收采樣電路4(PCI50612高速數(shù)據(jù)采集卡)。計算機控制裝置3分析聲波采樣數(shù)據(jù)的聲壓水平因子，判斷激光沖擊強化的效果，控制激光控制器1向激光器本體7發(fā)送調(diào)Q觸發(fā)信號6。

本發(fā)明基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測方法可由本發(fā)明任意實施例提供的基于聲壓特征的激光沖擊強化在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)。

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。