用於監視雷射衝擊處理的系統和方法
2023-04-25 01:44:01 3
專利名稱：用於監視雷射衝擊處理的系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及在對金屬表面進行雷射處理期間的工藝監視，並且更具體地，涉及通過分析雷射等離子體發射對雷射衝擊噴射工藝的實時監視。
背景技術：
雷射衝擊噴射(LSP)，也稱作雷射衝擊處理，是改進金屬工件疲勞壽命的有效方法。目前，作為用於改進各種金屬部件(例如鋁合金、鋼合金、鈦合金和鎳合金及其它)的疲勞特性的方法，LSP在航空和汽車工業中獲得廣泛的應用。
通常，在LSP中，工件的表面由不透明層和透明覆層覆蓋。不透明層可以包括塗在工件表面上的黑色塗料或黑色塑料帶。透明覆層通常包括與不透明層相鄰設置的水層。在工藝期間，大功率脈衝雷射光束聚焦於工件的表面上。雷射脈衝穿過透明覆層並且被不透明層吸收，引起對不透明層的快速燒蝕，產生等離子體。從工件表面噴出等離子體生成高振幅壓力衝擊波。壓力衝擊波在兩個方向上行進第一，壓縮波穿過不透明層進入工件。第二，衝擊波從帶反射並反向行進穿過透明層。由於衝擊阻抗不匹配，該反向行波被透明層發射向工件。衝擊波最終結合來使工件發生塑性應變。這導致工件變形並產生壓縮剩餘應力，其繼續下面的處理。正是工件中的這些壓縮剩餘應力有效地降低了工件中的裂紋擴展率，從而改進工件的疲勞特性。
如果雷射產生的壓力不夠，將達不到所希望的在工件機械特性中的變化。因此，希望在LSP工藝期間具有監視壓力和衝擊波強度的能力。一種在現有技術中已知的方法涉及使用用於在雷射衝擊處理期間壓力測量的石英壓力計。石英壓力計是基於石英晶體的壓電特性。在該技術中，石英晶體設置在待處理的工件的一個表面上。當雷射脈衝施加壓力衝擊波到石英晶體的表面時，與感光表面和對面之間的應力差成比例的電流由石英晶體產生。電流流過電阻並且電阻兩端的測量電壓和壓力響應成比例。通過分析石英晶體的壓力響應，在實際工藝期間確定工件上產生的衝擊波壓力是可能的。但是，該方法是不利的，因為，它是間接的並且是離線進行的，即不是實時的。而且，這種方法是昂貴的，因為在每次雷射發射之後都需要替換石英晶體。
另一確定LSP工藝的質量的技術包括在處理工件之後在工件上進行加速的疲勞測試。但是，因為LSP工藝和工件材料是昂貴的，為加速的疲勞測試只採樣有限數量的零件是可能的。
因此，需要一種用於監視雷射衝擊噴射工藝的系統和方法，其價格便宜且基本上是實時操作。
發明內容
本技術的一方面，提供了監視雷射衝擊噴射工藝的方法。根據該方法，產生從雷射衝擊噴射系統產生的等離子體發射的輻射的線譜。線譜被轉換成表示線譜的信號。表示線譜的信號又轉換成線譜的圖形表示，並對該圖形表示進行曲線擬合。然後，將在線譜的圖形表示的曲線擬合中的譜線展寬和線譜的圖形表示中的譜線展寬進行比較，以確定線譜是否對應於希望的線譜。
另一方面，提供了監視雷射衝擊噴射工藝的方法。根據該方法，產生從雷射衝擊噴射工藝產生的等離子體發射的輻射的線譜。然後，將從等離子體發射的輻射的線譜中的發射峰的波長或頻率中的至少一個與從工件的材料發射的輻射的期望線譜中的發射峰的波長或頻率中的至少一個進行比較，以驗證至少一部分雷射感生等離子體是從工件材料產生的。
又另一方面，提供了雷射衝擊噴射系統。該系統包括脈衝雷射器、分光計和光譜分析儀。脈衝雷射器可用於引導脈衝雷射束朝向設置在工件表面的不透明層。分光計可用於產生等離子體(它是在脈衝雷射射到不透明層時產生的)發射的輻射的線譜。光譜分析儀可用於比較在發射峰周圍的線譜的譜線展寬和在限定線形的峰周圍的譜線展寬。
當參考附圖閱讀下面的詳細說明時，將更好地理解本發明的這些和其它特點、方面及優點，在全部附圖中，相似的符號表示相似的零件，其中圖1是根據本技術各方面的雷射衝擊噴射系統的示意圖；圖2是在LSP工藝中產生的等離子體輻射的特定波長λ0周圍的表示線譜的圖形說明；圖3是在工件上具有透明層限制的LSP工藝的特定波長λ0周圍的線譜及其洛倫茲曲線擬合的比較圖形說明；圖4是在工件上具有透明層限制的LSP工藝的特定波長λ0周圍的線譜及其高斯曲線擬合的比較圖形說明；圖5是在工件上沒有透明層限制的LSP工藝的特定波長λ0周圍的線譜及其洛倫茲曲線擬合的比較圖形說明；圖6是在工件上沒有透明層限制的LSP工藝的線譜及其高斯曲線擬合的比較圖形說明；以及圖7是在萬一燒穿不透明層的情況下雷射感生等離子體產生的輻射的線譜的圖形說明。
圖8示出僅來自工件材料的等離子體光譜發射的線譜。
圖9說明由不透明層燒穿產生的線譜。
具體實施例方式
如以下相當詳細討論的，本技術提供了對雷射衝擊噴射工藝非插入的、實時的監視，其基本上不受環境影響。所述技術是基於對在LSP工藝期間的等離子體發射的譜線展寬的分析，從而實時控制每次雷射發射的質量。
現在參考圖1，說明了雷射衝擊噴射系統10。所示雷射衝擊噴射系統10包括雷射衝擊噴射單元12和監視系統14。雷射衝擊噴射單元12由與監視系統14通信的過程控制系統16控制。過程控制系統16適用於基於從監視系統14接收的信號對雷射衝擊噴射單元12的工藝參數進行調整。
如圖中所示，雷射衝擊噴射單元12包括工件18，裝在固定器20中的位置。不透明覆層22和透明覆層24施加到工件18的一個表面上。不透明覆層22可以包括，例如，塗在工件18的一個表面上的黑色塗料或黑色帶。在該實施例中，透明覆層24包括一層例如流循環裝置25(例如，泵)流出的流動水。透明覆層24是與不透明覆層22相鄰設置。但是，透明覆層24可以包括另一材料，例如透明帶。上述的布置可以垂直取向，或者關於垂直取向成任何希望的角度。
在工藝期間，脈衝雷射束26從脈衝雷射器28引導到工件18上。雷射器28可以包括，例如，脈衝Nd:YAG雷射器或者Nd:Glass雷射器。但是，可以理解的是，其它脈衝雷射器可以用於進行雷射衝擊噴射。透鏡30可以用於聚焦雷射束26到工件18上。雷射束26穿過透明層24並被不透明層22吸收。聚焦的雷射束的強度使得不透明層22蒸發，產生等離子體32。不透明層22蒸發的溫度可以是近10,000K。等離子體膨脹基本上受透明覆層24的限制，導致壓力脈衝，其從透明層24反射回來朝向工件18。該反射波引起的壓力脈衝與不透明層22的初始燒蝕產生的前向行進衝擊波疊合併使得工件18變形，這在工件18內部產生強壓縮應力。觀察到，當等離子體膨脹被透明覆層(例如上述的水層)限制時，壓力脈衝的幅度高於沒有透明覆層的。
不透明層22蒸發產生的等離子體32產生光發射34。根據本技術，來自這些光譜發射34(也稱作等離子體發射)的光被透鏡36聚焦進入分光計38的入口隙縫。分光計38是用於測量預定波長範圍的光的光譜強度的儀器。光譜發射34被分光計分散成它們的組分波長。在分光計38中產生的光譜的圖像被照相機40拍攝。照相機40可以包括選通增強型電荷耦合裝置(CCD)或者互補金屬氧化物半導體(CMOS)照相機以及其它圖像記錄裝置。來自照相機40的圖像饋送到光譜分析儀42用於對圖像捕獲的光譜發射分析。在一個實施例中，配置光譜分析儀42以基於照相機40拍攝的圖像中捕獲的光強數據生成等離子體發射34的線譜。光譜分析儀42可以包括，例如實現可執行的軟體代碼的處理單元。光譜分析儀42可以包括用於視覺顯示結果的監視器。在一個實施例中，光譜分析儀是帶有專門數據處理軟體的計算機，該軟體使能計算機對來自照相機40的圖像捕獲的光譜發射進行分析。
圖2說明了從雷射衝擊噴射工藝產生的等離子體接收的光的線譜(由參考標記44表示)的示例。該線譜44在特定波長(λ0)具有發射峰46。但是，線譜44在特定波長(λ0)並不簡單是直線，而是具有通常的鐘形。發射峰46周圍的鐘形線譜44被稱作譜線展寬。在等離子體發射中有若干效應使得譜線在譜峰周圍展寬，例如自然展寬、熱展寬、碰撞展寬和斯塔克展寬。
自然譜線展寬產生於這樣的事實原子的受激能級具有一定的平均壽命，並且通過海森堡測不準原理，這些平均壽命包含能量值的擴展。受激原子能量值的擴展使得發射具有不同波長的光。自然譜線展寬通常導致具有洛倫茲線形的光譜發射。因為LSP工藝通常產生具有數以百計的納秒的壽命的線譜，自然譜線展寬近一兆赫茲。因此，在LSP工藝中，自然譜線展寬的效應通常是不顯著的。熱展寬是由在高溫的移動粒子的都卜勒頻移引起的，並且產生具有高斯線形的光譜發射。由於離子和中子的高壓發生光譜發射的碰撞展寬，並且碰撞展寬具有洛倫茲線形。斯塔克展寬是由帶有強的永久電偶極矩的電子或粒子之間的互作用引起的，並且表示區域中電子數密度。斯塔克展寬還是洛倫茲線形。
雷射衝擊噴射工藝的操作條件將確定這些譜線展寬因素中哪個在LSP系統10產生的發射線中佔優勢。例如，如果LSP系統10操作適當，透明覆層24限制等離子體32並且在受限的體積中產生的壓力高。這樣，碰撞展寬和斯塔克展寬在譜線展寬因素中佔優勢。因此，譜線發射具有基本上是洛倫茲的線形。相反，如果系統操作不適當，例如在工件上缺乏水限制的情況下，高溫的等離子體不受限制。這樣，譜線展寬既受溫度也受壓力影響，這樣，熱展寬是因素並且譜線展寬具有沃伊特線形或者具有高斯和洛倫茲線形之間的卷積。
因此，可能的是，通過比較LSP系統10產生的發射線的形狀與發射線的洛倫茲曲線擬合來確定系統是否操作適當。另外，如下面將要討論的，可以通過確定LSP工藝中的譜線展寬與洛倫茲線形的接近程度來確定施加在工件上的壓力脈衝的幅度。洛倫茲線形符合下面的等式y=a01+(x-a1a2)2----(1)]]>其中，a0是峰在波長λ0的振幅；a1是峰的中心波長λ0；以及a2是在波長λ0周圍的光譜發射的寬度。
高斯線形對應於下面的等式y=a0exp[-12(x-a1a2)2]----(2)]]>其中，a0是在峰波長λ0的振幅；a1是峰的中心波長λ0；以及a2是在波長λ0周圍的光譜發射的寬度。
通常參考圖3-6，所示實施例中的光譜分析儀42適用於確定在LSP工藝期間的譜線展寬與洛倫茲線形和高斯線形的接近程度。與具有洛倫茲線形的發射光譜一致表示LSP工藝的適當操作，而與洛倫茲線形不一致而與高斯線形一致表明在LSP工藝中的不適當操作的狀況。光譜分析儀42適用於計算表示發射光譜與發射光譜的洛倫茲曲線擬合或者高斯曲線擬合的接近程度的參數，並且發送信號給過程控制系統16。這種參數可以包括，例如多重確定係數或R2值。但是，對於曲線擬合與發射光譜的接近程度的其它統計計算可以用於比較。另外，光譜分析儀可以比較來自洛倫茲曲線擬合的多重確定係數與高斯曲線擬合的多重確定係數。如果洛倫茲曲線擬合的多重確定係數大於高斯曲線擬合的多重確定係數，那麼譜線展寬更接近於洛倫茲形而非高斯形。基於對數據的分析，過程控制系統16可以停止對LSP系統10的操作或者修改LSP系統10中的一個或多個部件的操作。
通常參考圖3和4，說明了正確操作的LSP系統產生的發射光譜48的示例。發射光譜48在波長(λ0)具有峰50。圖3說明了發射光譜線48的洛倫茲曲線擬合52，而圖4說明了發射光譜線48的高斯曲線擬合54。在該實施例中，雷射束26的強度和水層24的限制足夠產生等離子體32，其具有足夠的壓力以使能碰撞展寬和斯塔克展寬在譜線展寬因素中佔優勢。因此，圖3中所示洛倫茲曲線52呈現與發射光譜48相當高度的一致性。相反地，發射光譜48並不呈現與圖4的高斯曲線擬合54的高度一致性。因為發射光譜48呈現與洛倫茲曲線擬合52的高度一致性而不呈現與高斯曲線擬合54的高度一致性，所以發射光譜48表明LSP系統10操作適當，例如，帶有等離子體的適當水限制。
通常參考圖5和6，說明了不具有適當水下限制的LSP系統產生的發射光譜56的示例。發射光譜56在波長(λ0)具有峰58。圖5說明發射譜線48的洛倫茲曲線擬合60而圖6說明發射譜線48的高斯曲線擬合62。在該實施例中，雷射束26的強度或水層24的限制並不使能等離子體32獲得足夠的壓力以使能碰撞展寬和斯塔克展寬在譜線展寬因素中佔優勢。代替地，熱展寬也影響譜線展寬因素。因此，圖5所示的洛倫茲曲線60並不呈現與發射光譜56相當高度的一致性。相反，發射光譜56確實呈現與圖6的高斯曲線擬合54相當程度的一致性。因為發射光譜48並不呈現與洛倫茲曲線擬合52的高度一致性而確實呈現與高斯曲線擬合54的一致性，所以發射光譜48表明LSP系統10操作不適當，例如，LSP系統不具有等離子體的適當水限制。
依賴於譜線展寬與洛倫茲線形接近或一致的程度，過程控制系統16可以停止LSP系統10的操作、生成告警或修改LSP系統10的一個或多個部件的操作。例如，控制系統16可以用於增加或減少雷射能量、工件上的雷射束直徑、上升時間、雷射束26的脈衝寬度或透明層24的厚度以提供與洛倫茲線形所希望程度的一致性。
通常參考圖7-9，本技術還可以用於檢測LSP工藝的故障。尤其，本技術可用於檢測不透明層的燒穿。這樣，使不透明層22蒸發到一定程度，這樣雷射束26的一部分直接入射在工件18上，導致還來自工件材料的等離子體發射。例如，圖7示出僅來自不透明層的等離子體光譜發射的線譜64，其在波長λ0具有譜峰66，但是在波長λB沒有譜峰。圖8示出僅來自工件材料的等離子體光譜發射的線譜68，其在波長λB具有特徵峰70。圖9說明由不透明層燒穿產生的線譜72。如圖所示，燒穿情況的線譜72包括顯著的光譜譜峰76和74，其分別出現在波長λB(它是工件材料的特徵)和波長λ0(它是不透明材料的特徵)。因此，通過在工件材料的波長λB特徵的發射峰76及一道出現在波長λ0的不透明層的發射峰74的存在性可以檢測燒穿狀況。一檢測到燒穿，控制系統16可以關閉系統10以使能引起燒穿的問題被改正或者可以修改LSP系統的操作以改正該狀況。
正如可以理解的，本技術可以用於直接並實時分析工件上的每一雷射發射。因此，可以保證每次雷射發射的質量。另外，所述方法是非插入的，因為它涉及對雷射感生等離子體發射的分析，其是LSP工藝的副產品。而且，因為方法使用的是在發射峰周圍的等離子體發射的譜線展寬而不是在確切波長的絕對信號強度，所以它基本上免受環境的影響，例如，比方說，室光或雷射閃光燈的波動、分光計絕對波長的變化或者由於系統振動或其它原因導致的監視系統的失調及其它。
儘管在此只說明和描述了本發明的某些特點，本領域的技術人員將可以想到許多修改和變化。因此，即將理解的是，所附權利要求意在覆蓋所有的凡是落在本發明的根本精神範圍內的修改和變化。
單元列表10 雷射衝擊噴射(LSP)系統12 LSP單元14 監視系統16 過程控制系統18 工件20 工件固定器22 不透明層(黑塗料/帶)24 透明層(水膜)26 雷射束28 脈衝雷射器30 用於將雷射束聚焦進入工件的透鏡32 雷射產生的等離子體34 等離子體發射36 用於引導等離子體發射進入分光計的透鏡38 分光計40 照相機42 光譜分析儀44 LSP工藝中等離子體發射的線譜曲線46 線譜的發射峰48 帶有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線50 帶有透明覆層限制的LSP工藝的發射峰52 帶有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線的洛倫茲曲線擬合54 帶有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線的高斯曲線擬合56 沒有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線58 沒有透明覆層限制的LSP工藝的發射峰
60 沒有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線的洛倫茲曲線擬合62 沒有透明覆層限制的LSP工藝的線譜曲線的高斯曲線擬合64 僅來自不透明層的等離子體發射的線譜66 僅來自不透明層的等離子體發射的發射峰68 僅來自工件材料的等離子體發射的線譜70 來自工件材料的等離子體發射的發射峰72 燒穿情況的線譜74 來自工件材料的等離子體發射的發射峰76 來自不透明層的等離子體發射的發射峰
權利要求
1.一種雷射衝擊噴射工藝監視方法，包括產生從雷射衝擊噴射系統(10)產生的等離子體(32)發射的輻射的線譜；將所述線譜轉換成表示所述線譜的信號；將表示所述線譜的信號轉換成表示所述線譜的圖形；產生所述線譜的圖形表示的曲線擬合；以及比較線譜的圖形表示中的譜線展寬和所述線譜的圖形表示的曲線擬合中的譜線展寬以確定所述線譜是否對應於希望的線譜。
2.如權利要求1中所述的方法，其中，產生所述線譜的圖形表示的曲線擬合包括產生所述線譜的洛倫茲曲線擬合。
3.如權利要求2中所述的方法，其中，比較線譜的圖形表示中的譜線展寬和所述線譜的圖形表示的曲線擬合中的譜線展寬包括確定所述線譜的洛倫茲曲線擬合的多重確定的係數。
4.如權利要求3中所述的方法，包括當對應於所述洛倫茲曲線擬合的多重確定的係數下降到門限量以下時提供控制信號給所述雷射衝擊噴射系統。
5.如權利要求4中所述的方法，包括基於所述控制信號的接收來調整雷射衝擊噴射系統操作參數。
6.如權利要求1中所述的方法，其中，產生所述線譜的圖形表示的曲線擬合包括產生所述線譜的高斯曲線擬合。
7.如權利要求6中所述的方法，其中，比較線譜的圖形表示中的譜線展寬和所述線譜的圖形表示的曲線擬合中的譜線展寬包括確定所述線譜的高斯曲線擬合的多重確定的係數。
8.如權利要求7中所述的方法，包括當對應於所述高斯曲線擬合的多重確定的係數超出門限量時提供控制信號給所述雷射衝擊噴射系統。
9.一種雷射衝擊噴射監視方法，包括產生從雷射衝擊噴射系統(10)產生的雷射感生等離子體發射的輻射的線譜；比較在從所述等離子體(32)發射的輻射的線譜中的發射峰的波長或頻率中的至少一個和作為從所述工件(18)的材料發射的輻射的特徵的、期望的線譜中的發射峰的波長或頻率中的至少一個，以證實至少一部分所述雷射感生等離子體(32)是從所述工件(18)的材料產生的。
10.如權利要求9中所述的方法，還包括當所述等離子體從所述工件材料產生時調整或停止所述雷射衝擊噴射系統(10)的操作。
全文摘要
一種用於監視工件(18)的雷射衝擊噴射的方法和系統(14)。線譜從雷射衝擊噴射工藝產生的等離子體發射的輻射得到。將線譜在其發射峰周圍的形狀與限定的線形比較以驗證雷射衝擊噴射工藝的適當操作。線形可以是對應於所希望線形的洛倫茲線形。線形可以是對應於不希望線形的高斯線形。通過檢測工件材料產生的等離子體光譜分量並一道檢測不透明層產生的等離子體，系統(14)還可以檢測出現在不透明層(22)被燒穿時的故障模式。
文檔編號H01S3/00GK1754967SQ200510104148
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月15日 優先權日2004年9月15日
發明者P·P·吳, P·K·貝尼策維茨, M·N·阿澤爾 申請人:通用電氣公司