具有飞行时间监视的激光冲击喷丸系统

摘要

一种用于监视激光冲击喷丸过程的系统(10)和方法，包括与控制器(16)连接的传感器(14)。该控制器(16)包括输入(36，40)和处理器(38)。该输入(36，40)与该传感器(14)连接，以便接收表示工件(20)处的激光冲击事件的信号。该处理器(38)与输入(36，40)连接，并配置成确定与该激光冲击事件相关的残余能量从工件(20)到传感器(14)的飞行时间(48)，并根据该残余能量的飞行时间确定喷丸质量。

权利要求

1.一种激光冲击喷丸系统(10)，包括：

激光源(12)，构造成向工件(20)发射激光束；

传感器(14)，朝向所述工件(20)以检测与激光冲击事件生成的冲击波的生成相关的残余能量；以及控制器(16)，与所述激光源(12)和所述传感器(14)连接，所述控制器(16)配置成：(A)从所述激光源(12)接收第一信号(40)并从所述传感器(14)接收第二信号(36)；

(B)根据所述第一信号(40)和所述第二信号(36)确定与所述激光冲击事件相关的能量从所述工件到转换器的传播时间(48)；以及(C)根据所述传播时间确定喷丸的质量(72)。

2.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，还包括设在所述传感器(14)和所述控制器(16)之间并配置成调节从所述传感器(14)接收的信号的放大器(18)。

3.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，还包括设在所述传感器(14)和所述控制器(16)之间并配置成调节从所述传感器(14)接收的信号的滤波器。

4.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，其特征在于，在所述系统(10)的实时操作过程中确定喷丸的质量。

5.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，其特征在于，所述控制器(16)构造成当确定的喷丸质量超过阈值时生成警告(56)。

6.如权利要求5所述的激光冲击喷丸系统(10)，其特征在于，所述控制器(16)配置成在生成警告(56)时暂停所述激光源(12)用于激光束(28)的后续发射的操作。

7.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，其特征在于，所述控制器(16)配置成控制定位系统(30，32)的操作，所述定位系统(30，32)构造成将所述激光源(12)和所述工件(20)定向，以使所述激光束(28)在期望的位置处并以期望的倾角撞击所述工件(20)。

8.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，其特征在于，所述传感器(14)位于距离所述工件(20)至少30mm处。

9.如权利要求1所述的激光冲击喷丸系统(10)，还包括配置成监视不可接受的喷丸事件的数目的计数器(54)。

说明书

具有飞行时间监视的激光冲击喷丸系统

技术领域

[0001] 本发明通常涉及激光冲击喷丸，并且更具体来说涉及一种通过监视冲击波的飞行时间来监视冲击喷丸过程的系统和方法。

背景技术

[0002] 激光冲击喷丸或者激光冲击处理(LSP)是冲击波撞击在部件的表面上、并在该部件的外层产生压缩残余应力区域的过程。人们已经十分熟悉，在周期性的疲劳破坏方面，处理部件外层的压缩残余应力增加了被处理部件的使用寿命。可以理解，该部件抵抗疲劳破坏的能力部分依赖于冲击波与该部件的耦合质量。即，如果冲击波没有适当地耦合到该部件的表面，结果喷丸过程中喷丸的质量就会受到不利影响。

[0003] 在激光冲击喷丸过程中，激光发生器产生直接朝向所要处理的部件的激光束。优选地，为了改善该激光束能量与所处理部件的耦合，在该部件和该激光发生器之间布置有吸收层和约束层。通常，该吸收层和该约束层位于该部件的附近。激光束能够穿过通常为水的约束层，并撞击在该吸收层上。吸收层通常由薄涂层带、涂料、墨水或者金属薄片组成，并通常直接施加于所处理的部件上或者保持在与之非常接近的附近位置。该约束层通常位于该吸收层附近，在该吸收层和该激光发生器之间。激光束与该吸收层的相互作用产生该吸收层的熔化(ablation)，最终产生从吸收层/约束层介面延伸的冲击波。该约束层保证初始的冲击波的大部分直接朝向所处理的部件，并因此加强由激光能量产生的冲击波与该部件的耦合。

[0004] 激光冲击喷丸的当前做法要求大量的破坏性试验来确保所处理的部件达到希望的处理效果。即，当要处理几个部件时，所处理过的全部部件中的少数测试失败，才确保剩余部件的质量。这种类型的破坏性测试常常耗时，并且实施和执行起来的花费也很大。此外，这种失败检测并未提供所处理部件的实时的、个体单独(peen quality)的指示。在任何测试之前，测试失败的部件都被完全处理。后续部件的处理则必须延缓，以使时间允许对该部件进行失败测试，否则可能继续产生不满足质量标准的部件。延缓该处理过程和/或产生不满足质量标准的后续部件对整个过程的效率都有不利影响。

[0005] 其他的系统和过程试图通过实时的样品部件处理来提高处理的效率。即，这些系统处理远远较少的部件或者样板，并通过该样板的测试来确定耦合的质量。虽然这些方法改善了质量控制的实时性方面，但是，它们也必须将测试样板的质量耦合与所处理的实际部件的耦合关联起来。当获得的数据与所处理的实际部件无关联时，这种测试可能引起失实的数据特性和关联。还有其他系统通过测量被处理部件的特性、例如表面硬度值、喷丸深度和形状数据来非破坏性地测试耦合质量。这些方法不能解决耦合质量中的实时变化的问题，并且仅分析许多喷丸点的很少一部分。再有其他系统，监视部件处理过程中获得的参数和数据，选择一组部件进行破坏性的测试，并将在处理过程中获得的大量数据与破坏性地测试部件的数据进行比较。虽然这种方法允许对一组被处理部件中的每个部件进行质量比较，但是这种过程仍需要对一组选定的部件进行破坏性测试以获得该控制质量的数据。

[0006] 因此，需要设计一种能够对喷丸过程执行实时、非 破坏性的质量监视的激光冲击喷丸系统和方法。

发明内容

[0007] 本发明提供解决前面所述的问题的一种能够实时监视激光冲击喷丸过程的系统和方法。该系统包括配置成将激光束朝向待处理部件的激光发生器。控制器与激光发生器连接，并控制其操作。传感器与该控制器连接，并且配置成检测工件附近激光冲击事件的发生。该控制器确定由该激光冲击事件产生的残余能量从工件到传感器的飞行时间，并利用该残余能量的飞行时间来确定喷丸质量。

[0008] 因此，根据本发明的一个方面，控制器包括输入和处理器。该输入配置成从转换器接收指示工件上的激光冲击事件的信号。该处理器与该输入连接，并配置成确定与该激光冲击事件相关的能量从该工件到该转换器的传播时间，并根据该传播时间输出喷丸质量的确定结果。

[0009] 根据本发明的另一方面，激光冲击喷丸系统包括激光源、传感器和控制器。该激光源构造成将激光束发射到工件，该传感器朝向该工件以检测此处冲击事件的发生。该控制器与该激光源和该传感器相连，并配置成从该激光源接收第一信号并从该传感器接收第二信号，根据第一信号和第二信号确定飞行时间值，并根据飞行时间值确定喷丸质量。

[0010] 根据本发明的再一方面，公开一种监视激光冲击喷丸过程的方法，该方法包括：检测从激光源到工件用于启动喷丸事件的激光束的发射，检测与冲击波的生成相关的残余能量，该冲击波由该激光束在吸收层上撞击而生成，以及确定残余能量的生成和残余能量的检测之间的持续时间。然后可根据确定的持续时间得到喷丸质量。

[0011] 通过下面的详细描述和附图，本发明的其他许多特征、目的和优点会很明显。

附图说明

[0012] 附图所示的是目前构想的用于实现本发明的一个优选实施方式。

[0013] 附图中：

[0014] 图1是根据本发明的激光喷丸系统。

[0015] 图2所示的是图1的激光喷丸系统的控制过程。

[0016] 图3是各种具有不同能级的激光束的几个残余能量幅度和飞行时间的图形比较。

具体实施方式

[0017] 图1所示的是根据本发明的激光冲击喷丸系统10。系统10包括与控制器16连接的激光源12和传感器14、例如机载声信号传感器。激光源12优选为高峰值功率Q-开关激光源；但是，也可使用满足本发明的其他激光源。信号调节器18布置在传感器14和控制器16之间，并配置成从传感器14接收输入信号，以及将输出信号(优选为放大的输出信号)传送到控制器16。

[0018] 激光源12和传感器14朝向工件20，比如风扇、压缩机或者涡轮机部件或者任一要执行激光冲击处理的部件。约束层22和吸收层24保持相对贴近于工件20。约束层22优选地为水流，由箭头23指示，其通过管嘴26对准工件20，从而在激光源12和吸收层24之间保持有相对薄的水层。吸收层24(优选为薄的涂料、带、墨水或者金属薄片层)保持在约束层22和工件20之间。

[0019] 在系统10操作的过程中，激光源12发射朝向工件20的激光束，由箭头28指示。优选地，激光束28具有1-50焦耳、脉冲持续时间大约为20纳秒的能量信号。可以理解，设想其他的激光束能量信号并可将其应用于本发明，以从该激光冲击过程中实现期望的喷丸。激光源12附接于激光固定装置30，工件20附接于工件固定装置32。固定装置30、32的操作通常由机器人控制来执行，这允许激光源12和工件20的精确移动，以使激光束28精确地撞击在吸收层24上。

[0020] 当需要喷丸时，激光束28穿过约束层22并撞击在吸收层24上。激光束28在吸收层24上的撞击生成冲击波(未示出)，该冲击波基本上从激光束28在吸收层24上的撞击位置向外辐射状地传播。约束层22将最初离开工件20的部分冲击波的方向重新引导到工件20。这种约束改善了激光束28的能量与工件20的耦合。激光束28的能量与工件20的有效耦合保证了激光束28的大部分能量被用于工件20的喷丸处理。

[0021] 一旦对与激光束28的撞击相关的位置执行喷丸处理后，由箭头34指示的部分残余能量从工件20辐射开。传感器14相对于工件20布置，以检测残余能量34。可以理解，传感器14可以配置成检测任何不同类型的残余能量，包括声音/冲击波和/或光信号。优选地，传感器14配置成监视与残余能量34相关的机载声信号。通过信号调节器18，传感器14将表示残余能量34的检测的电信号传送给由箭头36指示的控制器16的第一输入。

[0022] 控制器16包括处理器38，处理器38从传感器14接收第一输入36和从激光源12接收由箭头40指示的第二输入。如图2中所示，当系统10初始化41时，将工件和激光源对齐42，以使激光源生成的激光束撞击在工件上的期望的喷丸位置。生成44激光脉冲，该激光脉冲撞击在该工件上，并产生冲击波和与之相关的残余能量。处理器获得46与特定喷丸相关的冲击事件数据，然后确定残余能量从工件传播到传感器所需要的飞行时间(T.O.F)。根据从第一和第二信号得出的从工件到激光源的距离值、从工件到传感器的距离值以及由激光源产生的激光束的能量值来计算给定的飞行时间值。

[0023] 现在将对本发明背后的原理进行简单的说明。与残余能量相关的冲击波的速度远比相对接近激光到工件上的入射点的空气中的环境声波速度高。而且，激光源的初始能级越高，由于喷丸事件而引起的初始冲击波速度与空气中的环境声波速度之间的差就越大。因此，由喷丸事件而引起的从工件到传感器上已知位置的冲击波传播时间，将随着传递给喷丸过程的能量的增加而降低。传递给喷丸过程的能量、或者用于生成等离子(它是生成产生冲击波的喷丸所必需的)的能量提供激光冲击过程执行得好坏的指示。确定残余能量冲击波的飞行时间提供激光冲击过程和由此产生的喷丸质量的实时指示。后面将结合图3进一步论述，残余能量波的飞行时间提供激光能量与部件的接合质量的指示，并且可以用于确定部件的实时处理过程中各个喷丸的质量。

[0024] 回过来参考图2，将在48所确定的飞行时间与针对给定系统的期望飞行时间数据在50进行比较，以确定该飞行时间是否可接受。即，可接受的飞行时间值将基于该喷丸系统的物理配置来确定，该喷丸系统的物理配置包括激光源提供的能量、激光源和工件之间的距离、以及工件与传感器之间的距离。然后对于给定系统，在49执行的比较是与固定值进行的或者最少是与时间飞行值范围进行的。

[0025] 如果在52确定的是不可接受的飞行时间，则启动可选的计数器54，以对该不可接受的飞行时间数据的出现次数进行计数。除了对不可接受的飞行时间事件出现的次数进行计数外，还可以提供可选的警告56，以允许有机会查找该不可接受的飞行时间事件的可修正原因。如果在58、60该部件已经超过了不可接受的飞行时间事件的最大次数，其中60表示该部件已经超过不可接受的喷丸事件的可承受标准，则在62拒绝该部件。拒绝该部件后，在64，允许操作员验证该拒绝的原因与喷丸过程无关，例如部件缺陷，或者纠正硬件配置/操作，比如修复部件/组件，以避免后续的不成功处理。一旦在62拒绝该部件，则还在66将它归类为完成，从而避免进一步处理已经不可接受的部件。

[0026] 如果在52得出不可接受的飞行时间，并且在58、60该计数器没有超过最大计数58，则提供系统调整70，以试图避免不可接受的飞行时间事件的重复。系统调整可包括，例如调整该激光的发射能量，将部件与该激光源对齐和/或约束层的方向和厚度。无论调整激光能量参数或者喷丸事件参数，参数的自动调整均能使喷丸过程基于对不可接受的喷丸事件的可能原因的自动纠正来继续。

[0027] 当清除系统调整70时，在42重新对齐部件和激光源，以用于后续喷丸位置的处理。如果在50、72得到的飞行时间是可接受的，则在74检查部件是否完成，以验证部件已经过期望次数的喷丸事件。如果在74、66该部件经过期望次数的喷丸事件，并且计数58没有超过68，则该部件的质量是可接受的，并且该部件的处理完成76。如果在74、78该部件未经过期望次数的喷丸事件，则为后续的喷丸事件将该部件和激光源重新对齐，直到在66该部件的处理完成。这种系统提供对喷丸过程和与其相关部件的可重复的、正在进行的实时监视、调整和处理。此外，通过监视激光冲击事件残余能量的飞行时间，传感器及其控制可以位于某种程度地远离激光冲击事件的点的位置。传感器14设在距离激光冲击位置大约50mm的位置，优选地设在距离该激光冲击位置至少30mm的位置。这种方位减少由于传感器与激光冲击事件接近而引起的传感器的应力。此外，由于该飞行时间值的确定能够基本上与该传感器相对于该工件的始发距离和该传感器相对于该激光冲击位置的方位无关，于是能够快速而有效率地使与残余能量飞行时间成函数关系的喷丸质量的确定适于特定生产环境。

[0028] 如图3所示，当调整激光束的能级时，可以将残余能量冲击波的飞行时间值与激光产生的冲击波的能量与工件的期望耦合相关的统计值比较。这种关联提供如残余能量信号的飞行时间值确定的已经产生可接受的喷丸的指示。图3中的曲线A表示撞击在工件上的每个脉冲激光束的能量为1.27焦耳。激光束撞击在工件上后，确定大约为658.5微秒的飞行时间，且具有大约-112毫伏的特征幅度。当激光源的能级增加到每个脉冲2.03焦耳时，如曲线B所示，从激光冲击事件中可感受到更快并且更高幅度的信号。即，大约641微秒的激光冲击事件的飞行时间与大约-180毫伏的幅度相关。如曲线C所示，当激光束的能量增加到每个脉冲3.15焦耳时，识别出623.1微秒的飞行时间值，且具有-280毫伏的幅度。可以理解，这些能级仅仅是一种示例，并且可利用其他的激光源能级来产生喷丸事件。

[0029] 如前面结合附图2所论述的，当激光束的能量与该部件耦合的质量增加时，残余能量或者冲击波从冲击位置传播到传感器14所需要的时间减小。即，更多的激光脉冲能量已耦合到用于在部件中产生喷丸的冲击波中。有几个事件在不改变脉冲能量的情况下可能将激光脉冲能量与冲击波的耦合效率降低。这些事件包括，例如，损坏的光束传输光学元件、光束传输路径的阻挡物、和/或约束层的间断/中断。再参考图3，与曲线A-C指示的可比较受驱动激光脉冲相比具有向右偏移的检测幅度的特定喷丸脉冲，表示与那个特定脉冲的残余能量到达该传感器的优选时间相比，它需要花费更多的时间。即，该残余能量比期望的飞行时间传播得更慢，表示出现了不充分的耦合，并且因此产生了不满意的喷丸。可以理解，存在与相应激光能级上处理的相应部件相关的飞行时间容许范围，其中在该控制范围内的任一飞行时间值都表示产生了可接受的喷丸。同样地，对于包括许多喷丸的部件，可以有一个控制容限来限定容许的不满意的喷丸事件的数量。这种控制容限允许处理该部件，直到产生不可接受的喷丸数，并且此时可以拒绝该部件。这种系统允许多个部件的反复处理、喷丸系统的即时控制和调整、实时个体喷丸的质量监视和被处理部件的非破坏性质量控制。

[0030] 因此，根据本发明的一个实施例，控制器包括输入和处理器。该输入配置成从转换器接收信号，该信号表示工件处的激光冲击事件。该处理器与该输入连接，并配置成确定与激光冲击事件相关的能量从工件到转换器的传播时间，以及根据传播时间输出喷丸质量的确定结果。

[0031] 本发明的另一个实施例包括激光冲击喷丸系统，该系统具有激光源、传感器和控制器。该激光源构造成将激光束发射到工件处，该传感器朝向工件以检测此处的冲击事件的生成。该控制器与激光源和传感器连接，并配置成从激光源接收第一信号和从传感器接收第二信号。该控制器还配置成根据第一和第二信号确定飞行时间值，并根据该飞行时间值确定喷丸质量。

[0032] 本发明的再一个实施例包括监视激光喷丸处理的方法，该方法检测从激光源到工件用于启动喷丸事件的激光束的发射，检测与冲击波的生成相关的残余能量，该冲击波由该激光束在吸收层上撞击而生成，以及确定残余能量的生成和残余能量的检测之间的持续时间，然后可根据确定的持续时间得到喷丸质量。

[0033] 本发明是根据优选实施例来描述的，并认识到除了明确声明的那些外，等效物、备选和修改均是可能的且属于所附的权利要求的范围之内。

[0034] 激光源(12)构造成向将激光束发射到工件(20)处。