專利名稱：通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及機械激光沖擊強化評估技術領域，特指激光在沖擊工件時，形成的等 離子體沖擊波會引起工件周圍空氣的光折射率產生梯度，平行于工件的探測光束穿過上述 折射率不均勻區域時會發生偏轉，通過探測光束的偏轉對激光沖擊強化進行質量評估。
背景技術：
激光沖擊強化技術是利用高功率密度、短脈沖激光對金屬材料進行輻射，產生等 離子體沖擊波，使金屬材料表層發生塑性變形，在材料表層產生高深度的殘余壓應力，從而 改善金屬性能的一項新技術。激光沖擊強化技術能有效改善材料的機械性能，特別是能顯 著地延長材料的疲勞壽命并提高抗應力腐蝕性能。例如對用于核反應堆中型芯零件和焊接 構件的強化，可以減小應力腐蝕裂紋的敏感性以提高零件的疲勞強度；對飛機渦輪發動機 的渦輪風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。激光沖擊強化現在面臨的關鍵問題之一是怎樣來評估每次沖擊處理的質量，現在 國內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，強激光沖擊鎂合金改性處理研究.光 學學報，2005，25 (10) 1352-1355)是在工件背面放置PVDF壓電薄膜，將工件內沖擊波力信 號轉換成電信號，通過對電信號的分析來反應這次沖擊的質量。它最大的缺點在于壓電薄 膜法設備使用壽命短，在實際生產應用中經濟性差，另外在相同的加工參數下，測量結果受 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化研究，中國激 光，2008，35 (7) 1065-1072)是把一束X射線照射在工件表面來測量表面的殘余應力，通過 殘余應力的大小來判斷沖擊的質量。測量時需將工件從激光沖擊強化工作臺移到X射線衍 射應力測定設備中，且測量工件上一點的殘余壓應力需要1-2個小時，是一種離線的測量 方法。如果工件進行了初加工，為了去除原有加工帶來的應力，獲得沖擊強化帶來的應力變 化，需測量深度上的應力，通過電解從表面移去一系列的薄層，然后在每個電解步驟之間測 量表面的殘余應力，是一種損壞性的方法。另外它測量的材料有限制，只適合結晶材料，對 廣泛使用的合金類材料，如鈦合金，很難獲得其殘余壓應力。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種無損、可重復使用、不受工件材料及厚度 限制的激光沖擊強化在線質量評估方法。本發明解決上述問題的技術方案是，在現有激光沖擊強化裝置中加入一套無損質 量評估裝置。無損質量評估裝置包含，在激光沖擊強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 電二極管通過信號線連接到示波器；在激光器輸出光路的一側放置探測激光器，探測激光 器輸出的探測激光束和激光器輸出光路在同一平面內且相互垂直，其中探測激光束距離工 件的距離為lcm-5cm ；在探測激光器相對激光器輸出光路對稱的位置上放置另一光電二極 管，其中探測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作為 觸發信號，它與另一光電二極管采集的探測光束偏轉信號在示波器內形成一個時間差，通 過時間差來反應探測光束的偏轉程度。在相同的加工參數(相同的激光能量，相同的約束 層和吸收層)下，探測光束的偏轉程度(即時間差)是相同的。在實際操作中，工作人員從 示波器讀出的時間差與標準時間差進行比較，即能判別出這次沖擊強化的效果，其中標準 時間差是在正常工作條件下示波器采集到的時間差。
本發明技術方案的原理是當激光與工件相互作用時，形成的等離子體沖擊波會 引起周圍空氣的光折射率發生變化，當平行于工件的探測光束穿過上述折射率不均勻區域 時會發生偏轉。不同激光能量對工件進行強化時，形成的等離子體沖擊波強度不同，會引起 周圍空氣的折射率發生不同的變化，進而在示波器上會顯示出不同的時間差，因此不同的 時間差能反映等離子體沖擊波的強度，在一定的范圍內，等離子體沖擊波強度越大，工件內 的殘余壓應力值越大，進而對激光沖擊波強化進行質量評估。本發明提供了實現光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置，包含分光鏡、光 電二極管、探測激光器和示波器。其中光電二極管分別用來檢測分光鏡分出的激光束和探 測激光器發出的探測激光束；示波器用來記錄上述兩個信號并顯示信號間的時間差。本發明操作的步驟如下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 信號線連接到示波器。3)在激光器輸出光路的一側放置探測激光器，探測激光器輸出的探測激光束和激 光器輸出光路在同一平面內且相互垂直，其中探測激光束距離工件的距離為lcm-5cm。4)在探測激光器相對激光器輸出光路對稱的位置上放置另一光電二極管，其中探 測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 通過信號線連接到示波器上。5)裝夾工件、吸收層和約束層，開啟探測激光器和示波器，從激光器發射激光束對 工件沖擊強化。6)操作人員從示波器上讀出時間差，并和標準時間差進行比較，來對該次激光沖 擊強化進行評估。本發明的優點如下(1)本方法使用時不會破壞進行強化的工件，是一種無損的方法。(2)本方法檢測結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。
(3)本方法檢測時使用次數不受限制，不需定期更換，在實際應用中經濟效益明顯。(4)本方法所使用裝置結構簡單，體積小，能很容易的布置在工作臺周圍，且裝卸 方便。
圖1是光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置示意圖。圖2是激光輸出能量為300mJ時示波器采集到的信號。圖3是激光輸出能量為500mJ時示波器采集到的信號。圖中，10-激光器，11-五軸工作臺，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-探測激光器。
具體實施例方式下面結合圖1對本發明的方法和裝置進行詳細說明。實現本發明的裝置包含激 光器10、五軸工作臺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通過信號線連接到示波器20 ；在激光器10輸出光路的一側放 置探測激光器24，探測激光器24輸出的探測激光束和激光器10輸出光路在同一平面內且 相互垂直，其中探測激光器24輸出的探測激光束距離工件14的距離為lcm-5cm ；在探測激 光器24相對激光器10輸出光路對稱的位置上放置另一光電二極管B23，其中探測激光器 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通過信號線連接到示波器20 ；工件14裝夾于五軸工作臺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，實現該方法的步驟、以及各部分具體作用和參數如下3)把探測激光器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。其中探測激光器24為HeNe激光器，輸出波長為632. 8nm,它用來發射探測激光束，其中探測光束距離工件的垂直距離為1cm ；分光鏡21分出激光器10發射的一部 分激光束到光電二極管A22上，作為示波器20的觸發信號；光電二極管A22、光電二極管 B23分別用來檢測分光鏡21和探測激光器24的光信號，上升時間為lOOps ；示波器20用來 記錄光電二極管A22、光電二極管B23的信號，示波器20的觸發方式選為沖上升，觸發通道 為光電二極管A22所連接的通道，并顯示兩個信號間的時間差。4)裝夾工件14、吸收層13和約束層12，開啟探測激光器24和示波器20，從激光 器10發射激光束對工件14沖擊強化。5)在激光沖擊強化后，工作人員從示波器20上讀出這次沖擊的時間差，將它和標 準時間差進行比較，能反應出等離子體沖擊波的強度，在相同的等離子體沖擊波強度下，在工件內形成的殘余壓應力值是相同的，即能判定這次沖擊強化的效果，其中標準時間差是 在正常工作條件下示波器采集到的時間差。光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估實例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通過信號線連接到示波器20。3)在激光器10輸出光路的一側放置探測激光器24，探測激光器24輸出的探測激 光束和激光器10輸出光路在同一平面內且相互垂直，其中探測激光束距離工件14的距離 為 lcm_5cm04)在探測激光器24相對激光器10輸出光路對稱的位置上放置另一光電二極管 B23，其中探測激光器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，開啟探測激光器24和示波器20，從激光 器10發射激光束對工件14沖擊強化。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間差與上述 標準時間差相比，相同時沖擊效果理想；不同時則說明該次沖擊中出現了失效的形式，如沖 擊過程中錯誤的放置鋁箔和K9玻璃。
權利要求
通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置，其特征是，包括激光器(10)、五軸工作臺(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)通過信號線連接到示波器(20)；在激光器(10)輸出光路的一側放置探測激光器(24)，所述探測激光器(24)輸出的探測激光束和激光器(10)輸出光路在同一平面內且相互垂直；在所述探測激光器(24)相對激光器(10)輸出光路對稱的位置上放置光電二極管B(23)，所述探測激光器(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)通過信號線連接到示波器(20)。
2.根據權利要求1所述的通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置，其特征 是，所述探測激光器(24)輸出的探測激光束距離工件(14)的距離為lcm-5cm。
3.根據權利要求1所述的通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置，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.根據權利要求1、2或3所述的通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置，其 特征是，所述工件(14)裝夾于五軸工作臺(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.實施權利要求1所述的通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置的方法，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)，開啟探測激光器(24)和示波器(20)， 從激光器0 10發射激光束對工件(14)沖擊強化；2)在激光沖擊強化后，工作人員從示波器(20)上讀出這次沖擊的時間差，將其和標準 時間差進行比較，反應出等離子體沖擊波的強度，判定沖擊強化的效果。
6.根據權利要求5所述的通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的方法，其特征 是，所述標準時間差是在正常工作條件下示波器采集到的時間差。
全文摘要
本發明涉及機械激光沖擊強化評估技術領域，公開了通過光偏轉對激光沖擊強化進行質量評估的裝置和方法。本發明包括激光器(10)、五軸工作臺(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)和探測激光器(24)。本發明提供了一種無損、可重復使用、不受工件材料及厚度影響、結構簡單、方便快捷、穩定可靠的在線質量評估裝置和方法。
文檔編號G01N21/00GK101852718SQ20101017610
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者姚紅兵, 孟春梅, 張朝陽, 張永康, 王飛, 程麗娟, 魯金忠 申請人:江蘇大學