專利名稱：一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，主要適用于特定參數(shù)下的激光沖擊波壓力分布，優(yōu)化激光沖擊強化工藝。
發(fā)明背景隨著綠色能源、航空航天、海洋工程等技術(shù)的發(fā)展，激光沖擊強化得到了廣泛的研究和應(yīng)用。因為激光脈寬很窄，作用時間短(飛秒級、皮秒級)，其產(chǎn)生的沖擊波有效作用時間也很短，因而在沖擊強化中采用約束層技術(shù)。用短脈沖高峰值的激光照射金屬表面吸收層，吸收層吸收激光能量后發(fā)生瞬時的氣化蒸發(fā)、電離，產(chǎn)生高溫高壓的等離子氣體。由于受到約束層的限制，等離子體會產(chǎn)生高壓沖擊波作用于基材表面，使之瞬時屈服，并產(chǎn)生應(yīng)變硬化。
美國通用公司在2007 年申報了專利Laser Shock peening System With Tiome-of-flight Monitoring :Patent Number:US20070119824A1 (飛行時間監(jiān)控的激光沖擊強化系統(tǒng))，以及2009年，江蘇大學申報的專利基于激光沖擊波波形特征的激光沖擊強化在線檢測方法和裝置。上述兩種方法依賴環(huán)境，當環(huán)境濕度和溫度發(fā)生變化時，會影響波的傳播，進而影響測量結(jié)果。
與本發(fā)明最接近的是水下激光沖擊成形中有關(guān)參數(shù)的測定方法和裝置。激光沖擊成形水膜厚度對沖擊波參數(shù)影響的測定裝置，包括激光發(fā)生器、激光發(fā)生器控制系統(tǒng)、水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力檢測系統(tǒng)、約束層及吸收層材料。由控制系統(tǒng)控制激光發(fā)生器按預定參數(shù)產(chǎn)生激光脈沖，激光束通過約束層照射到涂布在傳感器保護膜上的吸收層上，吸收層材料汽化、電離產(chǎn)生沖擊波，經(jīng)保護膜傳遞到傳感器表面，傳感器在壓力作用下發(fā)生變形產(chǎn)生電信號，檢測裝置檢測到這一信號經(jīng)放大、量值轉(zhuǎn)換后在示波器上顯示出沖擊波的壓力曲線，上述方法，激光加載后吸收層不能全部氣化脫落，若能量過大還會損傷傳感器等原因， 對測試結(jié)果的可信度產(chǎn)生了影響。
激光光斑內(nèi)能量分布不均勻，對激光沖擊強化有著顯著的影響，但目前還沒有關(guān)于激光輻射光斑內(nèi)沖擊波壓力分布檢測相關(guān)的研究報道及發(fā)明專利。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于檢測沖擊波壓力的分布，分別以水、水-透明薄膜以及玻璃-水為約束層，提供一種對加工環(huán)境適應(yīng)性強、穩(wěn)定可靠、成本較低的檢測沖擊波壓力分布的方法和裝置。
一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，包括位于激光器工作臺之上的激光器、激光器電源和工控機，其特征在于所述裝置還設(shè)有激光束放大裝置、分光工作裝置、水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和測速系統(tǒng)；激光束放大裝置用于將激光束放大，分光裝置用于將放大的激光束分塊，測速系統(tǒng)用于檢測沖擊波壓力，工控機用于控制激光器電源、工作臺控制系統(tǒng)和測速系統(tǒng)。
所述激光束放大裝置由燕尾滑軌、大透鏡和小透鏡組成，燕尾滑軌固定在激光器3安裝工作臺的靠近激光器出光口的一端，小透鏡安裝在燕尾滑軌上靠近激光器的一端并能在燕尾滑軌內(nèi)移動，大透鏡安裝燕尾滑軌上遠離激光器的一端并能在燕尾滑軌內(nèi)移動，通過調(diào)節(jié)小透鏡和大透鏡間的距離，進而調(diào)節(jié)光束的大小。
所述測速系統(tǒng)由試件、測速裝置、電磁鐵、電磁鐵限位開關(guān)和工作臺組成，該系統(tǒng)用于測量沖擊波作用后試件的速度，由于激光的脈寬已知，試件的質(zhì)量與速度可測出，由動量定理試件的質(zhì)量乘上試件的初始速度再除以3倍的激光脈寬，便可計算得出沖擊波壓力，試件放置在工作臺的凹槽中，涂有吸收層的一端正對分光工作裝置中的分光人字齒輪， 測速裝置固定在工作臺上，位于試件未涂約束層的一端，用于測量沖擊波作用后試件的速度，電磁鐵固定在工作臺的遠離激光器的一端，電磁鐵限位開關(guān)安裝在工作臺的凹槽中，位于試件和電磁鐵之間且緊靠電磁鐵，沖擊波作用后試件獲得一定的速度在工作臺的凹槽中運動，觸動電磁鐵限位開關(guān)時，電磁鐵通電用于吸附試件，防止試件撞擊后反彈。
所述分光工作裝置由分光系統(tǒng)、2個人字齒輪、伺服電機、水平方向?qū)к墶⒇Q直方向?qū)к?、齒輪箱和電器柜組成，分光系統(tǒng)由分光人字齒輪和2個人字齒輪組成，分光人字齒輪位于2個人字齒輪中間并相互嚙合固定，分光齒輪中間設(shè)有扇形通孔，在扇形通孔上設(shè)有調(diào)節(jié)通孔透光位置的滑塊，分光系統(tǒng)安裝在齒輪箱中，分光系統(tǒng)的左側(cè)人字齒輪通過齒輪箱內(nèi)的聯(lián)軸器和齒輪由第一伺服電機驅(qū)動，第一伺服電機和齒輪箱固定在水平方向?qū)к壣喜⒛苎厮椒较驅(qū)к壱苿?，水平方向?qū)к壈惭b在豎直方向?qū)к壣喜⒛苎刎Q直方向?qū)к壱苿樱覀?cè)人字齒輪則通過齒輪軸和軸承固定在齒輪箱上，通過伺服電機精確的旋轉(zhuǎn)角度，可將扇形通孔沿分光人字齒輪圓心旋轉(zhuǎn)，因此可以精確的分光；電器柜通過控制水平方向?qū)к壣系牡诙欧姍C帶動齒輪箱和第一伺服電機在水平方向?qū)к墐?nèi)移動，通過控制豎直方向?qū)к壣系牡谌欧姍C帶動水平方向?qū)к壴谪Q直方向?qū)к墐?nèi)移動，實現(xiàn)工作臺的二維平面運動。
所述水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由排水龍頭、排水孔與水管和水槽組成，排水龍頭安裝在工作臺的靠近分光工作裝置的一端，排水孔與水管固定在工作臺上，位于排水龍頭下方，用于排放約束層的水，水槽位于排水孔與水管的正下方，用于儲存排水孔與水管排放的水，水膜厚度由排水龍頭控制，水從排水龍頭流出在試件涂有吸收層的端面上形成水膜，而后經(jīng)排水孔與水管進入水槽。
所述測速裝置為速度傳感器。
所述試樣為鐵、鈷或鎳的合金。
所述工控機用于控制激光器電源、測速系統(tǒng)中的測速裝置及電氣柜。
由工控機控制激光器電源，使激光器按預定參數(shù)產(chǎn)生脈沖激光，激光束通過水膜照射在涂有吸收層的試件表面上，吸收層材料氣化、電離產(chǎn)生沖擊波，沖擊波壓力作用后試件開始運動，測速系統(tǒng)測量出起始速度，并將數(shù)據(jù)采集到工控機，通過程序處理顯示出沖擊波壓力。
本發(fā)明的實施過程如下1、在光滑的圓柱形試件的端面涂布吸收層材料；2、將試件安裝在工作臺上；3、打開激光電源、工控機、測速裝置、電器柜，在工控機操作系統(tǒng)平臺打開處理軟件，并檢測工控機與激光電源、工控機與測速裝置和工控機與電器柜的通信狀況，確定通信狀況良好；4、由工控機控制激光器電源，使激光器按要求的能量和一定范圍內(nèi)的光斑直徑，發(fā)出激光脈沖，激光束通過透鏡將激光束直徑放大；5、直徑放大的激光束通過分光裝置，其中一小束激光從分光裝置射出；6、激光束約束層照射在吸收層上，吸收層材料氣化、電離產(chǎn)生沖擊波，沖擊波壓力作用后試件開始運動，測速系統(tǒng)測量出起始速度，并將數(shù)據(jù)采集到工控機；7、信息處理軟件根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示出沖擊波壓力；8、調(diào)節(jié)分光裝置分光人字輪通孔透光位置的滑塊，使通光孔換一個位置，并重復步驟4-7得出第2個位置的沖擊波壓力，再次重復，直至將扇形孔位置的激光沖擊波壓力測出。
9、分光人字齒輪轉(zhuǎn)一個角度，重復步驟4-8直至將激光束所有位置的沖擊波壓力測出，即可得出激光沖擊波壓力分布。
本發(fā)明的優(yōu)點1、在以液體作為約束層的激光沖擊檢測中，水膜的厚度不易控制，本裝置采用標準系列、固定液體出口厚度的龍頭罩，進而精確控制水膜厚度，對沖擊波參數(shù)的影響，進而優(yōu)化工藝；2、采用透鏡將激光束放大，并將放大后的激光分塊，進而可以精確的確定激光沖擊波壓力的分布，對于沖擊工藝的優(yōu)化具有重要意義；3、利用動量定理。測量原理以及使用的測量裝置簡單，在激光器能量穩(wěn)定的前提下，測量過程穩(wěn)定、可重復性高，易于實現(xiàn)。


本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)

如下圖1是激光沖擊波壓力分布檢測裝置示意圖； 圖2是水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是激光束分光裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是分光人字齒輪結(jié)構(gòu)示意圖；1、激光器；2、激光器電源；3、燕尾滑軌；4、小透鏡；5、大透鏡；6、豎直方向?qū)к墸?、第三伺服電機；8、分光人字齒輪；9、排水孔與水管；10、試件；11、排水龍頭；12、測速裝置； 13、工作臺；14、電磁鐵限位開關(guān)；15、電磁鐵；16、第二伺服電機；17、水平方向?qū)к墸?8、電器柜；19、水槽；20、人字齒輪；21、人字齒輪；22、第一伺服電機；23、聯(lián)軸器；24、滑塊；25、 工控機；26、激光器安裝工作臺；27、軸承；28、齒輪箱；29、齒輪軸。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不是用來限制本發(fā)明。
一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置包括激光器1、激光器電源2、工控機25，其特征在于所述裝置還設(shè)有激光束放大裝置、分光工作裝置、水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和測速系統(tǒng)，激光束放大裝置用于將激光束放大，分光裝置用于將放大的激光束分塊，測速系統(tǒng)用于檢測激光沖擊壓力。
激光束放大裝置由燕尾滑軌3、大透鏡5和小透鏡4組成；燕尾滑軌3固定在激光器安裝工作臺26的靠近激光器1出光口的一端；小透鏡4安裝燕尾滑軌3上并靠近激光器 1部分，并能在燕尾滑軌3內(nèi)移動；大透鏡5安裝燕尾滑軌3上遠離激光器1部分，并能在燕尾滑軌3內(nèi)移動；通過調(diào)節(jié)小透鏡4和大透鏡5間的距離，調(diào)節(jié)光束至適合的大小。
分光工作裝置由分光人字齒輪8、人字齒輪20、人字齒輪21、第一伺服電機22、水平方向?qū)к?7、豎直方向?qū)к?、齒輪箱28和電器柜18組成，分光人字齒輪8由在同一條直線上的人字齒輪20、人字齒輪21嚙合固定，位于分光裝置的中間，其兩側(cè)為人字齒輪20 和人字齒輪21，左側(cè)人字齒輪21通過齒輪箱觀內(nèi)的聯(lián)軸器23和齒輪軸四由第一伺服電機22驅(qū)動，右側(cè)人字齒輪則通過齒輪軸四和軸承27固定在齒輪箱28上，第一伺服電機22 和齒輪箱觀安裝在水平方向?qū)к?7上，分光人字齒輪8中間有一塊扇形通孔，在該分光人字齒輪8的扇形通孔傷有調(diào)節(jié)通孔透光位置的的滑塊M，第一伺服電機22和齒輪箱觀安裝在水平方向?qū)к?7上并能沿水平方向?qū)к?7移動，水平方向?qū)к?7安裝在豎直方向?qū)к?上并能沿豎直方向?qū)к?移動，電器柜18通過控制第二伺服電機16帶動第一伺服電機22和齒輪箱觀在水平方向?qū)к?7內(nèi)移動，通過控制第三伺服電機7帶動水平方向?qū)к?17在豎直方向?qū)к?6內(nèi)移動，實現(xiàn)工作臺的二維平面運動。
分光工作裝置是本裝置的關(guān)鍵之一，直徑放大的激光束輻射在分光裝置中的分光人字齒輪8上，由于分光人字齒輪只有一個扇形孔且在孔上還安裝了用于調(diào)節(jié)孔大小的滑塊24，因此只有激光束中的一小束激光從分光裝置射出，每輸出一個激光脈沖，第一伺服電機22通過聯(lián)軸器23帶動齒輪軸四轉(zhuǎn)動人字齒輪21，由于人字齒輪21與分光人字齒輪8 嚙合固定，從而帶動分光人字齒輪8旋轉(zhuǎn)得到不同的扇形通孔的位置，還可調(diào)節(jié)分光人字輪8通孔透光位置的滑塊M，改變扇形通孔的透光位置，也可得到不同的沖擊位置，并得到每一個新位置的沖擊波壓力，直至將扇形孔位置的激光沖擊波壓力測出，當該位置的激光沖擊波壓力測出后，工控機25通過安裝在工控機和電器柜18里的運動控制卡控制第一伺服電機22轉(zhuǎn)一個角度，使分光人字齒輪8的扇形孔隨之轉(zhuǎn)一個角度到達新的位置，重復先前辦法，直至將激光束所有位置的沖擊波壓力測出，即可得出激光沖擊波壓力分布。
水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由排水龍頭11、排水孔與水管9和水槽19組成，排水龍頭11安裝在工作臺13的靠近激光器1的一端，排水孔與水管9固定工作臺13上，位于排水龍頭11 下方，用于排放約束層的水，水槽19位于排水孔與水管9的正下方，用于儲存排水孔與水管 9排放的水，水膜厚度由排水龍頭11控制，水從排水龍頭11流出在試件10涂有吸收層的端面上形成水膜，而后由排水孔與水管9進入水槽19。
測速系統(tǒng)由試件10、測速裝置12、電磁鐵15、電磁鐵限位開關(guān)14和工作臺13組成，該系統(tǒng)用于測量沖擊波作用后試件的速度，由于激光的脈寬已知，試件的質(zhì)量與速度可測出，由動量定理試件10的質(zhì)量乘上試件的初始速度再除以3倍的激光脈寬，便可計算得出沖擊波壓力，試件10放置在工作臺13的凹槽中，涂有吸收層的一端正對激光器1，測速裝置12固定在工作臺13上，位于試件10未涂約束層的一端，用于測量沖擊波作用后試件的速度，電磁鐵15固定在工作臺13的遠離激光器1的一端，電磁鐵限位開關(guān)14安裝在工作臺13的凹槽中，位于試件10和電磁鐵15之間并緊靠電磁鐵15，沖擊波作用后試件10獲得一定的速度在工作臺13的凹槽中運動，觸動電磁鐵限位開關(guān)14時，電磁鐵15通電，有一定的吸附力，用于吸附試件10，防止試件10撞擊后反彈。
工控機25控制激光器電源2，使激光器1按預定參數(shù)產(chǎn)生脈沖激光，激光束經(jīng)過放大、分光，通過水膜照射在涂有吸收層的試件10端面上，吸收層材料氣化、電離產(chǎn)生沖擊波，沖擊波壓力作用后試件10開始運動，測速裝置12測量出起始速度，并將數(shù)據(jù)采集到工控機25，通過程序處理顯示出沖擊波壓力。
具體操作過程打開激光電源2、工控機25、測速裝置12，并檢測工控機25與激光電源2、工控機25與測速裝置12通信狀況，確定通信狀況良好，將端面涂布吸收層的光滑試件10安裝在工作臺 13上，由工控機25控制激光器電源2，使激光器1按要求的能量和一定范圍內(nèi)的光斑直徑， 發(fā)出脈沖激光束，激光束通過大透鏡5、小透鏡4將激光束放大，直徑放大的激光束通過分光人字齒輪8，其中一小束激光從分光人字齒8輪射出，通過水膜照射在吸收層上，吸收層材料氣化、電離產(chǎn)生沖擊波，沖擊波作用后試件10開始運動，測速裝置12測量出起始速度， 并將數(shù)據(jù)采集到工控機25，通過程序處理顯示出沖擊波壓力，調(diào)節(jié)分光人字輪8通孔透光位置的滑塊對，將通光孔換一個位置，并得到每一個新位置的沖擊波壓力，直至將扇形孔位置的激光沖擊波壓力測出，當該位置的激光沖擊波壓力測出后，工控機25通過安裝在工控機和電器柜18里的運動控制卡控制伺服電機22轉(zhuǎn)一個角度，使分光人字齒輪8的扇形孔隨之轉(zhuǎn)一個角度到達新的位置，重復先前辦法，直至將激光束所有位置的沖擊波壓力測出， 即可得出激光沖擊波壓力分布。實施例
采用本發(fā)明的原理及裝置對7075-T651鋁合金進行單點，分別測量激光光斑中心、光斑半徑中部、光斑邊緣的能量作用時試樣的初始速度，計算出激光沖擊波在各個位置的沖擊波壓力，如表1所示；具體實驗條件為試樣的總質(zhì)量(試樣和鋁箔)為40克，Gaia-R 系列高能量脈沖燈泵浦YAG激光器，激光脈沖能量分別為10JU1 J、12 J，沖擊光斑直徑 3mm，激光波長1064nm，脈寬10ns，根據(jù)激光能量與功率密度的關(guān)系計算得對應(yīng)激光功率密度分別為 14X109 W/cm2、16X109 W/cm2、17X109 W/cm2，激光沖擊時采用 0. Imm 的美國 3M 公司專用鋁箔(其中一面為粘貼劑，與試樣表面粘貼)作為激光能量吸收層，水作為約束層。
表 權(quán)利要求
1. 一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，包括位于激光器工作臺之上的激光器、激光器電源和工控機，其特征在于所述裝置還設(shè)有激光束放大裝置、分光工作裝置、水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和測速系統(tǒng)；所述激光束放大裝置由燕尾滑軌、大透鏡和小透鏡組成，燕尾滑軌固定在激光器安裝工作臺的靠近激光器出光口的一端，小透鏡安裝在燕尾滑軌上靠近激光器的一端并能在燕尾滑軌內(nèi)移動，大透鏡安裝燕尾滑軌上遠離激光器的一端并能在燕尾滑軌內(nèi)移動，通過調(diào)節(jié)小透鏡和大透鏡間的距離，進而調(diào)節(jié)光束的大??；所述測速系統(tǒng)由試件、 測速裝置、電磁鐵、電磁鐵限位開關(guān)和工作臺組成，試件放置在工作臺的凹槽中，涂有吸收層的一端正對分光工作裝置中的分光人字齒輪，測速裝置固定在工作臺上，位于試件未涂約束層的一端，用于測量沖擊波作用后試件的速度，電磁鐵固定在工作臺的遠離激光器的一端，電磁鐵限位開關(guān)安裝在工作臺的凹槽中，位于試件和電磁鐵之間且緊靠電磁鐵，沖擊波作用后試件獲得一定的速度在工作臺的凹槽中運動，觸動電磁鐵限位開關(guān)時，電磁鐵通電用于吸附試件，防止試件撞擊后反彈；所述分光工作裝置由分光系統(tǒng)、2個人字齒輪、伺服電機、水平方向?qū)к?、豎直方向?qū)к?、齒輪箱和電器柜組成，分光系統(tǒng)由分光人字齒輪和2 個人字齒輪組成，分光人字齒輪位于2個人字齒輪中間并相互嚙合固定，分光齒輪中間設(shè)有扇形通孔，在扇形通孔上設(shè)有調(diào)節(jié)通孔透光位置的滑塊，分光系統(tǒng)安裝在齒輪箱中，分光系統(tǒng)的左側(cè)人字齒輪通過齒輪箱內(nèi)的聯(lián)軸器和齒輪由第一伺服電機驅(qū)動，第一伺服電機和齒輪箱固定在水平方向?qū)к壣喜⒛苎厮椒较驅(qū)к壱苿?，水平方向?qū)к壈惭b在豎直方向?qū)к壣喜⒛苎刎Q直方向?qū)к壱苿樱覀?cè)人字齒輪則通過齒輪軸和軸承固定在齒輪箱上，通過伺服電機精確的旋轉(zhuǎn)角度，可將扇形通孔沿分光人字齒輪圓心旋轉(zhuǎn)，因此可以精確的分光； 電器柜通過控制水平方向?qū)к壣系牡诙欧姍C帶動齒輪箱和第一伺服電機在水平方向?qū)к墐?nèi)移動，通過控制豎直方向?qū)к壣系牡谌欧姍C帶動水平方向?qū)к壴谪Q直方向?qū)к墐?nèi)移動；所述水膜厚度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由排水龍頭、排水孔與水管和水槽組成，排水龍頭安裝在工作臺的靠近分光工作裝置的一端，排水孔與水管固定在工作臺上，位于排水龍頭下方，用于排放約束層的水，水槽位于排水孔與水管的正下方，用于儲存排水孔與水管排放的水，水膜厚度由排水龍頭控制，水從排水龍頭流出在試件涂有吸收層的端面上形成水膜，而后經(jīng)排水孔與水管進入水槽。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，其特征在于所述測速裝置為速度傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，其特征在于所述試樣為鐵、鈷或鎳的合金。
4.如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，其特征在于所述工控機用于控制激光器電源、測速系統(tǒng)中的測速裝置及電氣柜。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種激光沖擊波壓力分布的檢測裝置，主要適用于特定參數(shù)下的激光沖擊波壓力分布，優(yōu)化激光沖擊強化工藝。本發(fā)明由工控機控制激光器電源，使激光器按預定參數(shù)產(chǎn)生脈沖激光，激光束通過水膜照射在涂有吸收層的試件表面上，吸收層材料氣化、電離產(chǎn)生沖擊波，沖擊波壓力作用后試件開始運動，測速系統(tǒng)測量出起始速度，并將數(shù)據(jù)采集到工控機，通過程序處理顯示出沖擊波壓力。本發(fā)明利用動量定理。測量原理以及使用的測量裝置簡單，在激光器能量穩(wěn)定的前提下，測量過程穩(wěn)定、可重復性高，易于實現(xiàn)。
文檔編號G01L5/00GK102507064SQ20111038107
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者馮愛新, 盧軼, 周鵬程, 張敏, 曹宇鵬, 李彬, 聶貴鋒 申請人:江蘇大學