[发明专利]一种激光冲击强化效果的在线检测方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特指强激光束在冲击强化金属工件形成的等离子体冲击波，根据冲击波声波信号和等离子体羽图像信息对激光冲击强化进行质量评估。

背景技术

激光冲击强化(LSP：又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，具有常规加工方法无可比拟的优点，具有显著的技术优势，能大幅延长金属工件的使用寿命降低维修成本。

激光冲击强化效果的在线检测对于激光冲击强化的工程应用至关重要，目前国内科研单位采用的主要有压电薄膜法和X 射线衍射法；压电薄膜法是在工件背面放置PVDF压电薄膜，将工件内冲击波力信号转换成电信号，通过对电信号的分析来反应这次冲击的质量，其最大的缺点在于压电薄膜法设备使用寿命短，在实际生产应用中经济性差，另外在相同的加工参数下，测量结果受工件的材料及厚度影响；X射线衍射法是一种离线的测量方法，其测量的残余应力本身存在误差，是一种损坏性的方法，并且测量的材料有限制。

激光冲击过程中，每一个脉冲激光束和金属工件间都会有一个声波信号和等离子体爆炸形成的等离子羽，可以通过检测冲击过程中的声波信号和等离子羽图像，判断激光冲击效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光冲击强化效果的在线检测方法，即通过激光冲击强化每一脉冲的声波信号和冲击波在金属工件表面形成的等离子体羽图像，将声波信号和等离子体羽作为特征参量共同判别激光冲击强化效果。

同时，本发明提供一种实现激光冲击强化效果的在线检测方法的装置，包括激光器、激光束、金属工件、水约束层、吸收层、设有工件夹具的六轴工作台和控制系统，控制系统与六轴工作台连接，用于控制六轴工作台的转动与移动，控制系统与激光器连接，金属工件安装在六轴工作台的工件夹具内，金属工件的待处理区域表面设有吸收层，吸收层上设有约束层，激光器发出的激光束的聚焦焦点应与金属工件待加工点重合，其特征在于：在六轴工作台上，金属工件的一侧设有声压式传感器，声压式传感器与声耦合器连接，声耦合器与数据采集卡连接，将声压式传感器采集激光冲击每个脉冲的声波信号，通过声耦合器转换成电信号传输给数据采集卡；图像采集平台上设有探测头Ⅰ和探测头Ⅱ，位于六轴工作台的一侧，图像采集平台与激光束的聚焦焦点的距离通过图像采集平台上的探测头Ⅰ和探测头Ⅱ采用双目视觉算法确定；图像采集平台与数据采集卡连接，将图像处理平台对激光冲击覆盖在金属工件表面的吸收层形成的等离子羽进行拍摄形成的图像信息传输给数据采集卡；数据采集卡与集成数据处理系统连接，将所收集的声波信号转换的电信号和等离子羽图像传输给集成数据处理系统；集成数据处理系统、图像采集平台分别与控制系统连接。

激光器、激光束、金属工件、水约束层、吸收层、六轴工作台组成激光冲击单元，能够实现金属工件的激光冲击强化处理；声压式传感器响应频率为5Hz-100KHz，谐振频率为20KHz-50KHz。

控制系统控制激光冲击单元、图像处理平台和集成数据处理系统，同时根据集成数据处理系统反馈回来信息，如果电信号和等离子羽图像与标准信号一致，则进行下一个脉冲的激光冲击，如果电信号和等离子羽图像与标准信号出现较大的差别，集成数据处理系统记录该点位置，待整个金属工件处理完毕再根据记录情况进行再加工。

使用该装置的具体步骤为：

(1) 进行金属工件激光冲击前准备工作：在六轴工作台上装夹金属工件，通过六轴工作台的移动使金属工件待加工点位于激光束的聚焦焦点上，将吸收层黏贴在金属工件待处理区域表面，调整水约束层，调节图像采集平台，放置声压传感器在六轴工作台上位于金属工件一侧；

(2) 图像采集平台上探测头Ⅰ和探测头Ⅱ采用双目视觉算法确定激光束的聚焦焦点与图像采集平台的距离和方位，其定位信息反馈给集成数据处理系统；

(3) 首先激光器发出激光束穿过水约束层和吸收层冲击金属工件若干次，采集每次激光冲击脉冲的电信号和等离子羽图像信号，每次冲击后测量冲击区域的金属工件的残余应力，选择呈现高幅残余压应力的激光冲击脉冲的电信号和等离子羽图像信号作为标准信号；

(4) 根据金属工件形状，确定激光冲击的工作轨迹，按照正常程序进行激光冲击处理金属工件，数据采集卡采集电信号和等离子羽图像信号传输给集成数据处理系统，与标准信号进行对比，如果电信号和等离子羽图像与标准电信号和等离子羽图像信号一致，则进行下一个脉冲的激光冲击，如果电信号和等离子羽图像与标准信号不同，集成数据处理系统记录该加工点位置，待整个金属工件处理完毕再根据记录情况进行再加工。