基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统和方法与流程

本发明涉及无损检测和激光加工领域，尤其涉及一种基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统和方法。

背景技术：

激光冲击强化技术是最先进金属表面强化手段，它是利用强激光束产生的等离子冲击波，可在深度大于1mm的工件表面产生压缩表面残余应力，提高工件的抗损伤强度及疲劳性能，与冷挤压、喷丸等金属材料表面强化手段相比，具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。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。此技术是一项军民两用技术，在航空航天、汽车工业、石油化工、核工业、海洋船舶、医疗工业等领域具有巨大的应用前景，在某些场合其作用不可替代。

目前，国内相关研究机构拥有的激光冲击强化设备都处于实验应用阶段，离激光冲击强化工程化应用有着相当的距离。其主要原因之一是：没有实时的在线质量监测方法和系统。在激光冲击强化的过程中，影响激光冲击强化效果因素较多，如脉冲激光的能量大小及脉宽、光斑形状及大小、保护层材质及厚度、约束层均匀性和厚度等因素。在实验室阶段，可以通过一系列的离线、破坏性的检测方法检测激光冲击强化的效果，但在工程化阶段，从加工环境、加工效率和工件成本考虑，这些方法均不可取。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的在线检测，实时检测激光冲击强化的效果，作为控制加工质量的依据。

综上所述，实现激光冲击强化加工过程在线质量监测，控制加工质量是实现其工程化应用不可或缺的一项关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服激光冲击强化过程中没有实时的在线质量监测系统的缺点，为提高关键零部件抗损伤及抗疲劳性能的激光冲击强化工艺的可控性，提供一种基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统和方法，本发明是对加工环境适应性强、稳定可靠、成本较低的在线质量检测系统和方法。

本发明提供了一种基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统，包括：激光控制器(1)、控制装置(3)、声波接收采样电路(4)、激光器本体(7)和声压检测变送传感装置(10)；

所述激光控制器(1)，用于控制激光器本体(7)向激光冲击强化部件位置(8)发射激光，使材料表面产生声发射信号(9)；

所述声压检测变送传感装置(10)，用于接收声发射信号(9)产生的机械振动，得到声波采样数据，并将声波采样数据转换成模拟电压信号；

所述声波接收采样电路(4)，用于接收声波采样数据，并将声波采样数据传送至控制装置(3)；

所述控制装置(3)，用于根据声波采样数据得到声压水平因子，根据声压水平因子判断激光冲击强化的效果；并根据激光冲击强化的效果，控制激光控制器(1)发送调Q触发信号(6)；其中，判断激光冲击强化的效果的方式：将声压水平因子与设定的标准声压水平因子范围进行比对，如果检测信号处于标准声压水平因子范围内则表示激光冲击强化效果很好；如果检测信号超出标准声压水平因子范围则表示激光冲击强化效果不好，发出警告并记录。

进一步的，所述声压检测变送传感装置(10)包括依次数据连接的声压检测传感器(102)、声波接收元件(103)、信号转换模块(104)及信号发送模块(105)。

进一步的，所述声压检测变送传感装置(10)的响应频率为10-50KHz，谐振频率为35-39KHz。

进一步的，所述声压检测变送传感装置(10)与激光冲击点的距离为80-100cm。

进一步的，所述声波接收采样电路(4)采用高速数据采集卡。

本发明还提供了一种基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测方法，包括以下步骤：

步骤S100：激光控制器(1)控制激光器本体(7)向激光冲击强化部件位置(8)发射激光，在材料表面产生声发射信号(9)；

步骤S200：声压检测变送传感装置(10)接收声发射信号(9)产生机械振动，得到声波采样数据，并将声波采样数据转换成模拟电压信号；

步骤S300：声波接收采样电路(4)接收声波采样数据，并将声波采样数据传送至控制装置(3)；

步骤S400：控制装置(3)根据声波采样数据得到声压水平因子，根据声压水平因子判断激光冲击强化的效果；其中，判断激光冲击强化的效果的方式：将声压水平因子与设定的标准声压水平因子范围进行比对，如果检测信号处于标准声压水平因子范围内则表示激光冲击强化效果很好；如果检测信号超出标准声压水平因子范围则表示激光冲击强化效果不好，发出警告并记录；

步骤S500：控制装置(3)根据激光冲击强化的效果，控制激光控制器(1)发送调Q触发信号(6)。

有益效果：本发明以激光冲击产生的声发射信号的声压波形特征为检测对象，由声压水平因子判断激光冲击强化的加工效果，可以实时的在线检测冲击强化效果，控制强化质量，提高强化加工的自动化程度，受外界影响小，实用性强，判断准确，成本较低。因此，本发明是一种对加工环境适应性强、稳定可靠、成本较低的在线质量监测系统。

附图说明

图1是本发明基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统的结构示意图；

图2是声压检测变送传感装置的结构示意图；

图3是本发明监测的声压波形图。

附图标识：1.激光控制器；2.触发控制信号；3.控制装置；4.声波接收采样电路；5.同轴电缆；6.调Q触发信号；7.激光器本体；8.激光冲击强化部件位置；9.声发射信号；10.声压检测变送传感装置；101.检测传感器安装座；102.声压检测传感器；103.声波接收元件；104.信号转换模块；105.信号发送模块。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统的结构示意图。参照图1，本发明实施例提供的基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统，包括：激光控制器1、控制装置3、声波接收采样电路4、激光器本体7和声压检测变送传感装置10。

所述激光控制器1，用于控制激光器本体7向激光冲击强化部件位置8发射激光，使材料表面产生声发射信号9；其中，激光控制器1能够接收控制装置3的触发信号，控制激光器本体7；激光器本体7是激光冲击强化执行机构。

所述声压检测变送传感装置10，用于接收空气中传播的声发射信号9产生的机械振动，得到声波采样数据，并将声波采样数据转换成模拟电压信号(声电转换)；并把模拟电压信号通过同轴电缆5传送至声波接收采样电路4。图2是声压检测变送传感装置的结构示意图。参照图2，在本实施例中，声压检测变送传感装置10，包括依次数据连接的声压检测传感器102、声波接收元件103、信号转换模块104和信号发送模块105，其中，检测传感器安装座101和声压检测传感器102设置在声波接收元件103上，信号转换模块104和信号发送模块105通过数据线与声压检测传感器102连接。声压检测变送传感装置10中，声压检测传感器102用于接收空气中传播的声发射信号，声波接收元件103增强信号传感器接收的声波信号，信号转换模块104用于将声波采样数据转换成模拟电压信号，信号发送模块105用于把模拟电压信号通过同轴电缆5传送至声波接收采样电路4，声波接收采样电路4基于神经网络的滤波算法去除噪声干扰；声压检测变送传感装置10要求响应频率为10-50KHz，谐振频率为35-39KHz。声压检测变送传感装置10设置在距离激光冲击点80-100cm的位置。

所述声波接收采样电路4，用于接收并存储声压检测变送传感装置10传送的声波采样数据，基于神经网络的滤波算法去除噪声干扰，并将除燥后的声波采样数据传送至控制装置3进行分析。在本实施例中，声波接收采样电路4，选用高速数据采集卡，品牌：TDEC，型号：PCI-50612，是4通道同步并行高速数据采集卡，采用12Bit高精度A/D，每通道最高采样率可同时达到50MSps；其工作步骤如下：高速数据采集卡实时采集并存储由声压检测变送传感装置10传送的模拟电压信号；控制装置3接收到声波接收采样电路4传送来的数据准备好命令后，调用PCI-50612卡提供的API接口读取数据到控制装置3的软件部分中，同时清空声波接收采样电路4的暂存器中数据，为下一次数据采样做准备。

所述控制装置3，用于接收来自声波接收采样电路4的声波采样数据并进行数据分析，根据除噪后的声波采样数据经过控制程序的分段函数公式运算得到声压水平因子，其中，声压水平因子为一个常数数值，激光冲击强化正常工作时声压水平分子在一个规定的范围内，数值低于这个范围说明工作质量下降，数值高于这个范围则说明工作状态出现问题。因此，根据声压水平因子判断激光冲击强化的效果；并根据激光冲击强化的效果控制激光发生器的功率开关，当声压水平因子超出规定范围，控制激光控制器1发送调Q触发信号6，即控制激光发生器功率开关进行调整；具体的，声波采样数据经过声波接收采样电路4的处理，去除了噪声干扰等环境因素，剩余主要信号经过控制装置3再次处理转换成声压水平因子，控制装置3将检测的声压水平因子与设定的标准声压水平因子范围进行比对，如果检测信号处于标准声压水平因子范围内则表示激光冲击强化效果很好，系统提示加工质量正常；如果检测信号超出标准声压水平因子范围则表示激光冲击强化效果不好，系统提示加工质量不合格，并发出警告并记录。另外，控制装置3，还用于控制在线质量监测系统的全部设备，并利用触发控制信号2控制激光控制器1输出信号。

在本实施例中，控制装置3，包括计算机部分和软件部分，其软件部分的主要功能包括：读取声波采样数据到控制装置内存，分析声波采样数据并计算出声压水平因子，图形化显示声压波形图，声压波形图以图3为例，图3中声压水平因子是在实验室加工环境下，加工TiC₄材料，激光功率密度为4.5Gw/cm²的条件下得出的。根据设置的声压水平因子合理阈值范围，分析出激光冲击强化的效果；通过串口RS232协议控制触发激光控制器1的调Q触发信号6。

本发明的原理是，在激光冲击强化过程中产生声发射现象，激光的能量直接决定冲击材料表面发出的声发射信号特征。因此，通过检测激光冲击材料产生的声发射信号的特征判断冲击强化的处理效果，本发明就是利用声发射信号的声压水平因子预测冲击强化后材料表面的残余应力。

对应的，本实施例还提供一种基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测方法，包括以下步骤：

步骤S100：激光控制器1控制激光器本体7向激光冲击强化部件位置8发射激光，在材料表面产生声发射信号9；

步骤S200：声压检测变送传感装置10接收声发射信号9产生的机械振动，得到声波采样数据，并将声波采样数据转换成模拟电压信号；

步骤S300：声波接收采样电路4接收声波采样数据，并将声波采样数据传送至控制装置3；

步骤S400：控制装置3根据声波采样数据得到声压水平因子，根据声压水平因子判断激光冲击强化的效果；其中，判断激光冲击强化的效果的方式：将声压水平因子与设定的标准声压水平因子范围进行比对，如果检测信号处于标准声压水平因子范围内则表示激光冲击强化效果很好；如果检测信号超出标准声压水平因子范围则表示激光冲击强化效果不好，发出警告并记录；

步骤S500：控制装置3根据激光冲击强化的效果，控制激光控制器1发送调Q触发信号6。

本实施例的基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测方法，当激光冲击材料表面时产生声波发射现象，声波发射源发出的弹性波经介质传播到声压检测变送传感装置10的声波接收元件103表面。声波接收元件103接收传播过来的弹性波产生机械振动，信号转换模块104将声压检测传感器102表面的瞬态位移转换成模拟电压信号，信号发送模块105把声波采样数据的模拟电压信号传送至声波接收采样电路4(PCI50612高速数据采集卡)。计算机控制装置3分析声波采样数据的声压水平因子，判断激光冲击强化的效果，控制激光控制器1向激光器本体7发送调Q触发信号6。

本发明基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测方法可由本发明任意实施例提供的基于声压特征的激光冲击强化在线质量监测系统来实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。