一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法

专利名称：一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法
技术领域：
本发明涉及一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法。
背景技术：
激光冲击强化技术是一种新型的材料表面处理工艺，它利用强激光束产生的等离子冲击波，在材料表面产生一定厚度的残余应力层，并改变表面材料组织结构，从而提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力。与以往喷丸等强化工艺相比，激光冲击强化具有非接触、无热影响区、可控性强、残余应力层深及强化效果显著等突出优点。一束高能量密度激光照射在靶体材料表面附着 的吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速生成高压等离子体，等离子体产生的高压受到约束层的作用不会很快衰减，受到高压作用，材料表面会产生冲击波并向内部传播，由于压力超过材料的屈服强度，冲击波作用的部分材料会产生塑性变形，在材料表层形成具有一定分布状态的残余应力，这些残余应力分布能有效的阻止表面裂纹的生成。同时材料受高压作用会产生一定的相变从而形成硬化层，提高表面抗腐蚀能力。在激光冲击强化技术中，脉冲激光能量参数和脉宽参数直接决定了作用在材料表面的压力特征，从而决定了最终冲击强化的效果。以往的冲击强化参数的确定及强化效果的评估都是利用激光器出厂时所给的参数，而不是实时监测的结果。对于激光器来说，每发脉冲激光束所承载的能量和脉冲宽度与出厂值都是有所差异的，为了能精确的评估激光冲击强化参数与强化效果之间的关系，必须对光束能量及脉宽波形进行实时监测。另外，激光器单发能量和的调节是通过调节激光器多级泵浦能量以及延时时间来调节的，一般不具有线性调节关系。这就使得研究特定能量下强化效果的研究很难实现，必须通过一定的装置实时监测激光冲击强化过程中激光单发能量及脉冲宽度两个参数，从而建立起多级泵浦能量、延时时间与激光输出工艺参数之间的定量关系。

发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法和系统，能够实现激光冲击强化过程中单发光束能量及脉冲宽度的实时监测，为评估强化工艺参数与激光冲击强化效果之间的关系提供有利的检测手段及方法。本发明的一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法包括如下步骤I)在激光器的激光输出光路上设置一个与该激光器输出光路的夹角为75 85°的第一玻璃板，所述激光器输出的激光透过所述第一玻璃板对靶体进行冲击强化；2)在所述激光器输出的激光经过所述第一玻璃板反射的光路上设置一个与该光路的夹角为7515°的第二玻璃板，在经过该第二玻璃板透射的光路上设置能量计，用于采集透射的激光能量，在该第二玻璃板反射的光路上设置光电探头，用于采集反射的激光脉宽；
3)所述能量计采集的激光能量信息和所述光电探头采集的激光脉宽信息传送给处理系统，经过换算得到作用在靶体上激光能量及脉冲宽度。优选地，所述第一玻璃板和第二玻璃板为厚度f 3mm的平板石英玻璃。本发明通过在线检测经过反射的激光能量和激光脉宽，经过换算，得到相应作用在靶体上激光能量及脉冲宽度，从而实现了激光冲击强化过程工艺参数的实时监测。


图I为本发明实施例示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明的激光冲击强化过程参数实时监测方法包括如下步骤 I)在激光器I的激光输出光路上设置一个与该激光器I输出光路的夹角为80°的第一玻璃板2，激光器I输出的激光透过第一玻璃板2对靶体7进行冲击强化；2)在激光器I输出的激光经过第一玻璃板2反射的光路上设置一个与该光路的夹角为80°的第二玻璃板3，在经过该第二玻璃板3透射的光路上设置高频响能量计5，用于采集透射的激光能量，在该第二玻璃板3反射的光路上设置纳秒级光电探头4，用于采集反射的激光脉宽；3)高频响能量计5采集的激光能量信息和纳秒级光电探头4采集的激光脉宽信息传送给处理系统6，经过换算得到作用在靶体7上激光能量及脉冲宽度，从而实现在线实时监测。在本发明实施例中，第一玻璃板2和第二玻璃板3为平板石英玻璃。高能量短脉冲激光器I发射出的激光首先经过第一玻璃板2，第一玻璃板2的厚度为2mm，第一玻璃板2的法线方向与激光呈10°角，当第一玻璃板2的法线与激光夹角小于15°时，平板玻璃的单面发射率为4%，设激光输入的能量为E，发射率为a，则通过第一玻璃板2两个面后透射的能量为Et=E (1-a)2，反射的能量为Ef = E-E(l-a)2=aE(2_a)，这些能量又经过第二玻璃板3，最终的透射能量为En=Ea(l-a)2(2_a)，最终反射的能量Em =a2E(2_a)2。f = aCl^3)'(2^a)3"麵
E,fl-a) =— = --^—-r----冬 12J6
Ea(l-a):(2-a)En被高频响能量计5所采集到，数据直接上传到处理系统6，通过乘以转换系数，就可以得到激光输出的能量以及作用在激光冲击强化靶体7上的能量。E111被纳秒级光电探头4所接收，可捕获激光脉冲宽度，由于脉冲宽度不会由于能量的衰减及传播的距离而改变，所以采集到的脉宽就是激光输出的脉宽和作用在靶体7上的脉宽，测得的脉冲宽度数据同样上传到处理系统6。这样，就可以在激光冲击过程中实时监测作用在靶体7上激光能量及脉冲宽度，从而为获得激光参数对强化效果的影响规律提供最有效的试验工具。
权利要求
1.一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤1)在激光器的激光输出光路上设置一个与该激光器输出光路的夹角为75 85°的第一玻璃板，所述激光器输出的激光透过所述第一玻璃板对靶体进行冲击强化；2)在所述激光器输出的激光经过所述第一玻璃板反射的光路上设置一个与该光路的夹角为7515°的第二玻璃板，在经过该第二玻璃板透射的光路上设置能量计，用于采集透射的激光能量，在该第二玻璃板反射的光路上设置光电探头，用于采集反射的激光脉宽；3)所述能量计采集的激光能量信息和所述光电探头采集的激光脉宽信息传送给处理系统，经过换算得到作用在靶体上激光能量及脉冲宽度。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一玻璃板和第二玻璃板为厚度f3mm的平板石英玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种激光冲击强化过程工艺参数实时监测方法，包括如下步骤1)在激光器的激光输出光路上设置一个与该激光器输出光路的夹角为75~85°的第一玻璃板，激光器输出的激光透过第一玻璃板对靶体进行冲击强化；2)在激光器输出的激光经过第一玻璃板反射的光路上设置一个与该光路的夹角为75~85°的第二玻璃板，在经过该第二玻璃板透射的光路上设置能量计，在该第二玻璃板反射的光路上设置光电探头；3)能量计采集的激光能量信息和光电探头采集的激光脉宽信息传送给处理系统。本发明通过在线检测经过反射的激光能量和激光脉宽，得到相应作用在靶体上激光能量及脉冲宽度，从而实现了激光冲击强化过程工艺参数的实时监测。
文档编号C21D1/09GK102747197SQ20121022511
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者吴先前, 宋宏伟, 魏延鹏, 黄晨光 申请人:中国科学院力学研究所