专利名称：一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光冲击波测量技术领域，特指一种基于应变片技术的激光冲击波加载过程及衰减规律的检测方法与装置，它利用应变片检测激光冲击的不同厚度靶材背面的动态应变曲线，根据采集的动态应变曲线分析激光冲击波的加载过程及衰减规律。
背景技术：
20世纪六十年代初期，Askaryon与Morez首次发现激光诱导等离子体冲击波现象，随后各国学者进行了大量的理论建模与实验研究，并逐步在工业中应用，发展为最热门的激光冲击强化技术，它具有应变影响层深、冲击区域和压力可控、很好地保持强化位置的表面粗糙度和尺寸精度、易于自动化等特点；激光冲击强化过程实质上是等离子体冲击波压力脉冲在材料内产生复杂的应力波传播与相互作用过程，该过程中瞬态弹塑性加载与弹塑性卸载共存，同时还伴随着复杂的应变率效应和边界效应的影响；因此，激光冲击波作用下材料动态响应携带着激光冲击波的加载过程及衰减规律的信息，可以通过检测激光冲击波诱导的材料动态应变曲线研究激光冲击波的加载机理及衰减规律。
激光诱导等离子体冲击波压力的显著特点是压力高(GI^a量级)、作用时间短(ns 量级)、衰减快，给实验测量冲击波衰减规律带来了很大的困难，目前测量激光等离子体冲击波衰减规律的方法可分为接触式探测法和非接触式探测法；接触式探测法包括宽带扩音器、PVDF或者PZT换能器、石英传感器、蓝宝石传感器、锰铜丝压阻传感器以及基于双折射理论的光纤传感器等，这些测量方法的缺点是冲击波压力范围和温度场变化对测量结果有很大影响、设备频率响应有限、测量数据不稳定、随机性大；非接触式探测法包括光束偏转法、光束探测法、高速摄影法、相位测量法、光学散射法、超快显微成像干涉计、超快时间分辨的成像干涉计、超快时间分辨力的频域干涉计等，这些测量方法的缺点是设备昂贵、操作复杂、调节困难及测量结果受环境影响比较大。
本发明提出一种基于应变片技术的激光冲击波加载机理及衰减规律的检测方法与装置，它利用冲击波的强弱及传播速度与不同厚度靶材背面动态应变曲线的关系，分析激光冲击波的加载机理及衰减规律，其特点在于测量原理明确，设备结构简单、成本低，测量结果受环境影响比较小。发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种基于应变片技术的激光冲击波加载机理及衰减规律的检测方法与装置。
一种基于应变片技术的激光冲击波加载机理及衰减规律的检测方法，利用激光冲击波的强弱及传播速度与不同厚度靶材背面动态应变曲线的关系，将激光冲击波加载过程及衰减规律的检测转换为冲击波作用下材料动态应变的检测，利用应变片技术采集激光冲击波作用下材料的动态应变曲线，分析激光冲击波的加载过程及衰减规律，其特征在于激光冲击处理前，在不同厚度靶材背面粘贴应变片或者应变花，用动态应力应变仪实时采集激光冲击处理过程中应变片或者应变花的动态应变数据传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图，根据应变一时间或者应力一时间曲线图，得到激光冲击波的加载过程及衰减规律，为激光冲击强化工艺参数优化、定量精确控制零件表面残余应力及其分布提供依据。
—种基于应变片技术的激光冲击波加载机理及衰减规律的检测装置，包括工控机、激光器、激光器工作台、运动控制卡、工件夹具系统和多螺纹孔工作台底座，其特征在于还设有对准定位系统、光路系统、动态应力应变仪；对准定位系统和激光器工作台并列放置在多螺纹孔工作台底座的一端，激光器位于激光器工作台上，对准定位系统的出光口和激光器的出光口平行，两者公用一个光路系统，对准定位系统的作用是激光冲击处理前将对准定位光斑和激光冲击光斑调节重合，用于记录激光冲击光斑的位置，将不同厚度靶材的欲冲击光斑中心位置与对准定位光斑中心位置调节至重合，确保试样正确的冲击位置，光路系统放置在激光器出光口前面多螺纹孔工作台底座上，动态应力应变仪放置在多螺纹孔工作台底座，用于采集激光冲击过程中应变片或者应变花的应变数据，并传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图。
所述工件夹具系统包括工件、夹具、升降平台、X-Y工作台组成，夹具安装在升降平台上，升降平台安装在X-Y工作台上，工件安装在夹具上，工件面向激光的一面设有吸收层和约束层，工件的背向激光的一面设有应变片或者应变花。
所述对准定位系统由升降杆、滑动装置、对准光源组成，升降杆位于多螺纹孔工作台底座上，用于调节对准光源的高度，滑动装置安装在升降杆上并能够在升降杆上沿垂直于激光发射方向左右滑动，用于调节对准光源的左右位置，对准光源安装在滑动装置上，对准光源用于标定激光光斑位置，与激光器发出的激光经第二反光镜和第三反光镜后的光路重合。
所述光路系统包括三块反光镜、一块聚光镜，激光器发出的激光先后经第二反光镜、第三反光镜、第一反光镜和聚光镜冲击工件表面，第二反光镜安装在高度可调的第二支杆上并位于激光器出光口前面，反光镜中心高度须与激光器出光口的中心位置平齐，第三反光镜安装在高度可调的第三支杆上并位于对准光源出光口前面，反光镜中心高度须与对准光源出光口的中心位置平齐，第一反光镜安装在高度可调的并位于固定块上的第一支杆上，位于聚光镜正上方，聚光镜固定在固定块上并位于工件夹具系统的工件正上方，三块反光镜的镜面相互平行，镜面中心位于同一高度，固定块安装在支撑框架上。
所述工控机通过控制运动控制卡控制X-Y工作台、工控机还控制动态应力应变仪和激光器，动态应力应变仪通过导线连接应变片或者应变花。
其实施过程如下(1)激光冲击处理前，手动调节升降平台的高度获得所需直径的光斑，调节对准定位系统的升降杆和滑动装置使对准光源的光斑与激光冲击光斑重合，用于记录激光冲击光斑的位置；(2)将工件固定在夹具上，工件上欲冲击光斑表面涂有吸收层，光斑周围或者背面粘贴有应变片或者应变花，工控机通过运动控制卡控制工作台带动升降平台、夹具、工件在二维平面内运动使欲冲击光斑与对准光源光斑重合，为了确保对准定位的精度，手动调节X-Y 工作台使欲冲击光斑与对准光源光斑完全重合；4(3)将约束层放在欲冲击光斑的吸收层上面，打开动态应力应变仪的控制程序，开始进行激光冲击处理，动态应力应变仪记录应变片或者应变花的应变数据，并传递给控制设备， 通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图，根据采集的不同厚度靶材背面的动态应变曲线，通过动态应变曲线的不同变化趋势得到激光冲击波的加载机理及衰减规律。
本发明的优点在于(1)利用激光冲击波的强弱及传播速度与不同厚度靶材背面动态应变曲线的关系，将激光冲击波加载过程及衰减规律的检测转换为冲击波作用下材料动态应变的检测，降低了测量设备的响应频率；(2)目前测量技术仅仅是为了测量冲击波的速度及衰减情况，本发明通过应变片技术采集不同厚度靶材背面的动态应变曲线，可以同时获得激光冲击波的加载过程及衰减规律的相关信息，为激光冲击强化研究提供第一手的资料；(3)测量原理明确，设备结构简单、操作方便、成本低，测量结果不受环境影响。


图1是本发明检测方法与装置的原理图； 图2是本发明检测装置的主视图；图3本发明检测装置的俯视图；图4是三种不同厚度靶材背面的动态应变曲线；a) 1. 3mm厚度靶材背面的动态应变曲线；b) 1.7mm厚度靶材背面的动态应变曲线；c) 2. Imm厚度靶材背面的动态应变曲线；1、光路系统；2、对准定位系统；3、工控机；4、动态应力应变仪；5、运动控制卡；6、工件夹具系统；7、光束；8、支撑框架；9、约束层；10、固定块；11、第一支杆；12、第一反光镜；13、 聚光镜；14、吸收层；15、出光口 ；16、激光器；17、激光器工作台；18、多螺纹孔工作台底座； 19、升降杆；20第三支杆；21、第二支杆；22、夹具；23、升降平台；24、应变片或者应变花； 25、工件；26、第二反光镜；27、滑动装置；28、对准光源；29、第三反光镜；30、X-Y工作台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以下实施例用于说明本发明，但不是用来限制本发明，下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。
本发明的原理图如图1所示，本发明的装置结构图如图2、图3所示，本发明装置包括工控机3、激光器16、激光器工作台17、运动控制卡5、工件夹具系统6和多螺纹孔工作台底座18，其特征在于还设有对准定位系统2、光路系统1、动态应力应变仪4，对准定位系统 2和激光器工作台17并列放置在多螺纹孔工作台底座18的一端，激光器16位于激光器工作台17上，对准定位系统2的出光口 15和激光器16的出光口 15平行，两者公用一个光路系统1，对准定位系统2的作用是激光冲击处理前将对准定位光斑和激光冲击光斑调节重合，用于记录激光冲击光斑的位置，将不同厚度靶材的欲冲击光斑中心位置与对准定位光斑中心位置调节至重合，确保试样正确的冲击位置，光路系统1放置在激光器16出光口 15 前面多螺纹孔工作台底座18上，动态应力应变仪4放置在多螺纹孔工作台底座18，用于采5集激光冲击过程中应变片或者应变花M的应变数据，并传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图。
所述工件夹具系统6包括工件25、夹具22、升降平台23、X_Y工作台30组成，夹具 22安装在升降平台23上，升降平台23安装在X-Y工作台30上，工件25安装在夹具22上， 工件25面向激光的一面设有吸收层14和约束层9，工件25的背向激光的一面设有应变片或者应变花24。
所述对准定位系统2由升降杆19、滑动装置27、对准光源观组成，升降杆19位于多螺纹孔工作台底座18上，用于调节对准光源观的高度，滑动装置27安装在升降杆19上并能够在升降杆19上沿垂直于激光发射方向左右滑动，用于调节对准光源观的左右位置， 对准光源观安装在滑动装置27上。对准光源观用于标定激光光斑位置，与激光器16发出的激光经第二反光镜沈和第三反光镜四后的光路重合。
所述光路系统1包括三块反光镜、一块聚光镜13，激光器16发出的激光先后经第二反光镜26、第三反光镜四、第一反光镜12和聚光镜13冲击工件25表面，第二反光镜沈安装在高度可调的第二支杆21上并位于激光器16的出光口 15前面，第二反光镜沈中心高度须与激光器16的出光口 15的中心位置平齐，第三反光镜四安装在高度可调的第三支杆20上并位于对准光源观出光口前面，第三反光镜四反光镜中心高度须与对准光源观出光口的中心位置平齐，第一反光镜12安装在高度可调的并位于固定块10上的第一支杆11 上，位于聚光镜13正上方，聚光镜13固定在固定块10上并位于工件夹具系统6的工件25 正上方，三块反光镜的镜面相互平行，镜面中心位于同一高度，固定块10安装在支撑框架8 上。
所述工控机3通过控制运动控制卡5控制X-Y工作台30、工控机3还控制动态应力应变仪4和激光器16，动态应力应变仪4通过导线连接应变片或者应变花24。
其实施过程如下(1)激光冲击处理前，手动调节升降平台23的高度获得所需直径的光斑，调节对准定位系统2的升降杆19和滑动装置27使对准光源观的光斑与激光冲击光斑重合，用于记录激光冲击光斑的位置；(2)将工件25固定在夹具22上，工件25上欲冲击光斑表面涂有吸收层14，光斑周围或者背面粘贴有应变片或者应变花对，工控机3通过运动控制卡5控制X-Y工作台30带动升降平台23、夹具22、工件25在二维平面内运动使欲冲击光斑与对准光源观光斑重合，为了确保对准定位的精度，手动调节X-Y工作台30使欲冲击光斑与对准光源观光斑完全重I=I O
(3)将约束层9放在欲冲击光斑的吸收层14上面，打开动态应力应变仪4的控制程序，开始进行激光冲击处理，动态应力应变仪4记录应变片或者应变花M的应变数据，并传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图，根据采集的不同厚度靶材背面的动态应变曲线，通过动态应变曲线的不同变化趋势得到激光冲击波的加载机理及衰减规律。具体实施例
采用本发明的原理及装置对三种不同厚度(1. 3mm、1. 7mm,2. 1mm)的20 铝合金进行单次冲击测得的动态应变曲线如图4所示。
实验条件为feia-R系列高能量脉冲灯泵浦YAG激光器，激光脉冲能量10J，冲击光斑直径6mm，激光波长1064nm，脉宽10ns，根据激光能量与功率密度的关系计算得激光功率密度为3. 5 X 109 W/cm2。激光冲击时采用0. Imm的美国3M公司专用铝箔(其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴)作为激光能量吸收层，K9玻璃作为约束层。
图4中，a)为1. 3mm厚度靶材背面的动态应变曲线；b)为1. 7mm厚度靶材背面的动态应变曲线；c)为2. Imm厚度靶材背面的动态应变曲线。
a)中的d段曲线表明激光冲击波在此处产生弹性拉伸应变波，e段曲线表明激光冲击波在此处产生弹性压缩应变波，其应变波有一个共同特征第一个应变波峰值大于第二个应变波峰值，随后均出现多个递减的应变波峰值，f段曲线表明激光冲击波未到达靶材背面时应力波强度已经为零。
b)中的g段曲线表明激光冲击波在此处产生弹性拉伸应变波，i段曲线表明激光冲击波在此处产生弹性压缩应变波，其应变波有一个共同特征第一个应变波峰值大于第二个应变波峰值，随后均出现多个递减的应变波峰值，h段曲线表明激光冲击波未到达靶材背面时应力波强度已经为零。
c)中的三条应变曲线表明激光冲击波未到达靶材背面时应力波强度已经为零，在其背面没有检测到弹性应变波，j、k、1三段应变曲线均为材料之间相互挤压产生的弹性压缩变形。
权利要求
1.一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的方法，其特征在于利用激光冲击波的强弱及传播速度与不同厚度靶材背面动态应变曲线的关系，将激光冲击波加载过程及衰减规律的检测转换为冲击波作用下材料动态应变的检测，利用应变片技术采集激光冲击波作用下材料的动态应变曲线，分析激光冲击波的加载过程及衰减规律，具体为激光冲击处理前，在不同厚度靶材背面粘贴应变片或者应变花，用动态应力应变仪实时采集激光冲击处理过程中应变片或者应变花的动态应变数据传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变--时间或者应力一时间曲线图，根据应变--时间或者应力--时间曲线图，得到激光冲击波的加载过程及衰减规律，为激光冲击强化工艺参数优化、定量精确控制零件表面残余应力及其分布提供依据。
2.一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的装置，包括工控机、激光器、激光器工作台、运动控制卡、工件夹具系统和多螺纹孔工作台底座，其特征在于还设有对准定位系统、 光路系统、动态应力应变仪；对准定位系统和激光器工作台并列放置在多螺纹孔工作台底座的一端，激光器位于激光器工作台上，对准定位系统的出光口和激光器的出光口平行，两者公用一个光路系统，对准定位系统的作用是激光冲击处理前将对准定位光斑和激光冲击光斑调节重合，用于记录激光冲击光斑的位置，将不同厚度靶材的欲冲击光斑中心位置与对准定位光斑中心位置调节至重合，确保试样正确的冲击位置，光路系统放置在激光器出光口前面多螺纹孔工作台底座上，动态应力应变仪放置在多螺纹孔工作台底座，用于采集激光冲击过程中应变片或者应变花的应变数据，并传递给控制设备，通过程序控制绘制出应变一时间或者应力一时间曲线图。
3.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的装置，其特征在于所述工件夹具系统包括工件、夹具、升降平台、X-Y工作台组成，夹具安装在升降平台上，升降平台安装在X-Y工作台上，工件安装在夹具上，工件面向激光的一面设有吸收层和约束层，工件的背向激光的一面设有应变片或者应变花。
4.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的装置，其特征在于所述对准定位系统由升降杆、滑动装置、对准光源组成，升降杆位于多螺纹孔工作台底座上，用于调节对准光源的高度，滑动装置安装在升降杆上并能够在升降杆上沿垂直于激光发射方向左右滑动，用于调节对准光源的左右位置，对准光源安装在滑动装置上，对准光源用于标定激光光斑位置，与激光器发出的激光经第二反光镜和第三反光镜后的光路重合。
5.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的装置，其特征在于所述光路系统包括三块反光镜、一块聚光镜，激光器发出的激光先后经第二反光镜、第三反光镜、第一反光镜和聚光镜冲击工件表面，第二反光镜安装在高度可调的第二支杆上并位于激光器出光口前面，反光镜中心高度须与激光器出光口的中心位置平齐，第三反光镜安装在高度可调的第三支杆上并位于对准光源出光口前面，反光镜中心高度须与对准光源出光口的中心位置平齐，第一反光镜安装在高度可调的并位于固定块上的第一支杆上， 位于聚光镜正上方，聚光镜固定在固定块上并位于工件夹具系统的工件正上方，三块反光镜的镜面相互平行，镜面中心位于同一高度，固定块安装在支撑框架上。
6.如权利要求2所述的一种检测激光冲击波加载过程及衰减规律的装置，其特征在于所述工控机通过控制运动控制卡控制X-Y工作台、工控机还控制动态应力应变仪和激光器，动态应力应变仪通过导线连接应变片或者应变花。
全文摘要
本发明涉及激光冲击波测量技术领域，特指一种基于应变片技术的激光冲击波加载过程及衰减规律的检测方法与装置，它利用应变片检测激光冲击的不同厚度靶材背面的动态应变曲线，根据采集的动态应变曲线分析激光冲击波的加载过程及衰减规律。本发明测量原理明确，设备结构简单、操作方便、成本低，测量结果不受环境影响。
文档编号G01D21/00GK102494712SQ201110381078
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者冯爱新, 卢轶, 周鹏程, 曹宇鹏, 王俊伟, 聂贵锋 申请人:江苏大学