[发明专利]基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法

说明书

本发明公开了一种基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，本发明结合金属材料在冲击波作用下引发的内部弹性波的产生机理及其在材料中的非线性传播方式，利用基波在非线性介质中传播时产生的高次谐波，计算非线性系数特征，一方面降低了环境噪声的干扰，提高了信息的利用率，其次，利用材料内部弹性波的非线性系数作为特征参数，能更加揭示材料内部的非线性结构，提高弹性波的物理意义，并提高特征的表征能力及鲁棒性，有助于提高实际生产应用的稳定性及准确度。本发明计算方法简单快速，非线性系数特征的状态响应良好，实时性好，环境适应能力强，鲁棒性强，工程实用性高，为实现激光冲击强化的在线监测提供有效的技术实现途径。

技术领域

本发明属于激光冲击强化技术领域，具体涉及一种基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，利用声发射传感器及声弹性理论，计算材料内部弹性波的非线性特征，实现激光冲击强化残余应力的实时监测。

背景技术

激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)技术，是利用极高功率密度、极短脉冲的激光束通过约束层，与金属加工表面所涂覆的吸收层发生相互耦合作用，产生高温高压的等离子体，利用等离子体爆炸产生的高强度冲击波使得金属工件材料表面获得一定深度的残余压应力层。激光冲击强化作为一种高新技术，能够有效的提升金属材料表面的应力分布，使其具有较高的抗疲劳、抗腐蚀和耐磨损性能。

衡量LSP加工质量的主要标准是残余压应力的大小及影响深度。现有的激光冲击强化残余压应力检测手段多为离线无损或破损检测，常用方法有钻孔法、X-射线衍射法等。受设备精度限制及内部应力宏-微观耦合等问题，残余应力的检测一直存在检测周期长，效率低及测不准等瓶颈难题。实现LSP加工过程残余应力的实时测量和评估对提高LSP加工制造的稳定性和可靠性具有重要意义，同时也为残余应力的测量难题提供了一条可借鉴的新思路。

针对激光冲击强化的在线监测方法，中国专利号CN110715981A发明了一种利用声压因子判定激光冲击强化质量的监测方法，将冲击波特征信号代入标准声压因子模型中得到声压因子特征，从而实现残余应力的在线监测。中国专利号CN101482542A发明了一种基于冲击波波形特征的在线检测方法和装置，利用检测空气中传播的冲击波振幅和脉冲宽度，从而实验激光冲击强化过程的在线监测。

针对激光冲击强化在线监测，已公开和授权的专利方法没有结合金属材料受LSP冲击过程中内部弹性波的产生机理和传播方式进行有效的实时监测，同时空气声波信号更多地反应了冲击波中所释放出去的一部分能量，较材料内部弹性波信号而言噪声更多，检测结果的精度容易受到外部环境的影响。相应地，金属工件的冲击区域在不同的工艺参数下会产生不同深度的残余应力层，同时会导致内部显微晶粒发生位错、细化等现象，而金属零件内部由于存在不均匀性，如应力梯度分布、位错或其他的微观缺陷，材料本身局部存在一定的非线性。声发射弹性波获取的是LSP动态过程中冲击波在材料内部传播、折射、反射及衰减的动态信息，与材料内部的塑性变形和残余压应力直接相关。

发明内容

本发明的目的在于提供基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，针对上述激光冲击强化在线监测方法的不足，充分利用LSP自身所激发的内部弹性波动态信息，借鉴残余应力超声无损检测方法和声弹性理论，基于实时声发射数据进行非线性特征的快速提取和残余应力表征，提供一种加工环境适应能力强、稳定可靠、鲁棒性强且工程实用性高的在线监测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，包括以下步骤：

步骤一，在待冲击金属工件的正面安装声发射压电式传感器探头，声发射压电式传感器与前置放大器连接，前置放大器与A/D数据采集卡连接，A/D数据采集卡与工控机连接；在激光冲击过程中的每一个激光脉冲下，利用声发射传感器采集材料内部动态的弹性波信号数据，并保存至工控机；