[发明专利]基于冲击波波形特征的激光冲击强化在线检测方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种基于冲击波波形特征的激光 冲击强化在线检测方法和装置，主要适用于为提高关键零部件机械性能的激光冲 击强化工艺。

背景技术

随着航空、航天、汽车、能源、医药等技术的发展，激光冲击强化技术得 到了广泛的研究和应用。激光冲击强化，就是用短脉冲高峰值功率的激光照射金 属表面吸收层，吸收层吸收激光能量发生瞬时的汽化蒸发、电离，产生高温高压 的等离子体。由于受到约束层的限制，等离子体会产生高压冲击波作用于金属表 面，使金属表面材料瞬时屈服，产生应变硬化并形成残留的压应力。同时，高温、 膨胀的等离子体会通过约束层形成冲击波向空气中传播。在激光冲击强化的过程 中，对于不同的材料，在一定的激光功率密度范围内，激光功率密度越高，提高 材料性能的效果越明显。即激光辐照的能量不同，对材料的冲击强化效果也不相 同，同时在空气中传播的冲击波的声学特征，如冲击波的传播速度(飞行时间) 和波形特征(如振幅和脉冲宽度)等也不相同。

激光冲击强化技术能有效的改善材料的机械性能，特别是能显著地延长材 料的疲劳寿命并提高抗应力腐蚀性能。例如对用于核反应堆中型芯零件和焊接构 件的强化，可以减小应力腐蚀裂纹的敏感性以提高零件的疲劳强度；对飞机涡轮 发动机的涡轮风扇叶片的激光冲击强化，可以使它的服役时间成倍增长，从而降 低飞行成本和提高飞行安全性。然而，目前仅有美国把激光冲击强化应用于军用 和民用飞机的生产线，我国对于相关方面的研究虽然取得了一定的成果，但是并 没有将它应用与生产实践。其原因主要有以下两点：

第一，激光器输出激光能量不稳定。由于西方国家在高能激光器领域对我 国的封锁，我们买不到国外用于激光冲击强化的高性能激光器，而目前国产的用 于激光冲击强化的高功率高能量短脉冲的激光器性能不稳定。当激光器发出激光 能量不稳定时，会造成被加工的工件表面的强化效果不确定。而对于可靠性要求 极高的航空航天工业，这种不确定的加工效果影响了它的推广应用。

第二，没有实时的在线检测方法和设备。在激光冲击强化的过程中除了激 光能量会影响冲击强化效果外，还有其他的一些因素，如吸收层和约束层的状态 等，也会影响冲击效果。在早期的实验室阶段，可以把刚经过冲击强化的试样取 下来，检测冲击的效果。但在工业化阶段，由于冲击强化是在密闭的工作间中完 成的，所以每次冲击后现场检测是不可能的，另外考虑到生产效率的提高，这检 测方式已经不再适用。要把激光冲击强化技术推广到工业应用中，就必须实现加 工过程在线检测，实时检测冲击强化的效果，作为控制加工质量的依据。

综上所述，激光冲击强化在线检测方法是其实际工业应用中不可或缺的一 项关键技术。

经过检索，美国通用公司的John Broddus Deaton JR.和Farzin Homayoun Azad在2007年申报了专利：飞行时间监控的激光冲击强化系统(Laser Shock peening System With Tiome-of-flight Monitoring；Patent Number：US20070119824A1)。这种 检测方法是利用激光冲击过程中冲击波的飞行时间特征(即冲击波的传播速度)， 对冲击结果进行预测，实现了激光冲击的实时在线检测。但是该方法检测结果的 精确度对环境的依赖程度比较高，当环境的湿度和温度有较大变化时，会引起冲 击波的传播速度发生变化，最终可能会导致错误的检测结果。

发明内容

本发明的目的是为克服激光冲击强化过程中现有检测方法的缺点，提供一种 对加工环境适应性强、稳定可靠、成本较低的在线检测方法和装置。