專利名稱：用于激光照射在激光噴丸期間的沖擊力的評估方法和評估系統(tǒng)以及激光噴丸方法和激光 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光照射在激光噴丸期間的沖擊力的評估方法和評估系統(tǒng) 以及一種激光噴丸方法和激光噴丸系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明涉及一種使用通過使用聲發(fā) 射(AE)傳感器而獲得的結(jié)果來評估在激光噴丸期間向工件構(gòu)件(材料)輸入的沖擊力的方 法，以及一種用于基于通過該評估方法和評估系統(tǒng)獲得的知識來照射激光的激光噴丸方法 和激光噴丸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，已使用通過使用阿爾門試片(almen strip)而獲得的弧高值來評估射擊 噴丸強度。然而，在當前狀態(tài)的質(zhì)量管理中，在一些情況下，使用殘留應(yīng)力的峰值和深度而 不是弧高值來管理射擊噴丸強度。通過X射線衍射方法可以測量這種殘留應(yīng)力(例如參見 專利文獻I)。然而，雖然通過X射線衍射方法可以用非破壞的方式測量材料表面上的殘留 應(yīng)力，但是由于當希望獲得內(nèi)側(cè)的殘留應(yīng)力分布時必須刮削工件構(gòu)件的測量區(qū)域，所以不 打破產(chǎn)品就不能測量實際產(chǎn)品的殘留應(yīng)力分布。X射線衍射方法是在便于使用X射線的屏 蔽空間中進行的測量，并且工件構(gòu)件的尺寸存在限制。在評估方法中存在許多限制，因為難 以使X射線在形狀復(fù)雜的對象如齒輪上入射。
當使用阿爾門試片來評估射擊噴丸強度時，不可能評估在射擊噴丸處理期間向工 件構(gòu)件的表面施加何種程度的力。因此，考察一種使用AE傳感器在射擊噴丸處理期間檢測 射擊噴丸強度的設(shè)備(例如參見專利文獻2)。專利文獻2中描述的設(shè)備包括布置在射擊(射 擊介質(zhì))噴丸區(qū)域中的AE傳感器。AE傳感器將射擊投射所產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)換成高頻電信 號(AE波形)。這種設(shè)備使用通過轉(zhuǎn)換AE波形而獲得的電壓波形的波形生成的峰值和次數(shù) 來檢測射擊的介質(zhì)流速和噴丸強度。
引用文獻列表
專利文獻
專利文獻1:日本專利申請公開公布第2003-315171號
專利文獻2 :日本專利申請公開公布第04-19071號發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
然而，例如在射擊噴丸中，好幾萬次射擊在一個過程(數(shù)十秒)中與工件構(gòu)件碰撞。 射擊碰撞的地方相對于加工表面是隨機的。進一步，在射擊介質(zhì)的粒徑方面存在波動。因 此，很可能測量的AE波形每次不同。
另一方面，存在作為一類噴丸的激光噴丸。激光噴丸的特性是輸出能量的可再現(xiàn) 性。處理被認為是確定地執(zhí)行，因為激光噴丸具有可再現(xiàn)性。激光噴丸是高度可靠的處理。 在激光噴丸中，預(yù)先已知待照射的地方并且存在可再現(xiàn)性。因此，預(yù)計測量的AE波形中的波動小。
然而，雖然激光噴丸的系列現(xiàn)象在IOOns內(nèi)結(jié)束，但是AE傳感器的時間分辨率是若干微秒。因此，難以簡單地使用AE傳感器在激光噴丸期間評估激光照射。
因此，在這個技術(shù)領(lǐng)域中，需要一種用于適當評估在激光噴丸期間向工件構(gòu)件的表面施加的力的評估方法和評估系統(tǒng)。也需要一種用于基于通過這些評估方法獲得的知識來照射激光的激光噴丸方法和激光噴丸系統(tǒng)。針對問題的解決方案
作為認真考察AE傳感器與激光噴丸之間的關(guān)系的結(jié)果，發(fā)明人獲得了可以根據(jù)材料的變化而不是通過測量激光照射和快激波來評估沖擊波這樣的知識，并且成功地使用 AE傳感器在激光噴丸期間評估了激光照射。
根據(jù)本發(fā)明一個方面的一種評估方法是一種評估利用在激光噴丸處理中照射的激光向工件構(gòu)件輸入的沖擊力的方法。這種評估方法包括信號獲取步驟、輸入函數(shù)計算步驟和評估步驟。在信號獲取步驟中，獲取檢測波形。檢測工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出檢測波形。在輸入函數(shù)計算步驟中，計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。當檢測波形表示為V (t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S(t)、工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G(t)并且卷積積分表示為*時獲得
V (t) =S (t) *G (t) *1 (t) · · · (I) O
基于這個第一關(guān)系表達式、預(yù)先獲取的AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和在信號獲取步驟中獲取的檢測波形V(t)來計算激光照射的輸入函數(shù)I(t)。在評估步驟中，使用激光照射的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。
由于激光照射的系列現(xiàn)象在IOOns內(nèi)結(jié)束，所以激光照射對材料具有什么種類的效果是未知的。AE傳感器的時間分辨率是幾微秒，這與激光照射相比相當緩慢。然而，激光噴丸的效果是材料的變化。因此，AE傳感器測量可以從中讀取材料的變化的彈性波?？梢愿鶕?jù)彈性波估計輸入能量。因而，可以適當評估在激光噴丸期間向工件構(gòu)件的表面施加的力。
在實施例中，在輸入函數(shù)計算步驟中，可以至少使用用于一個波長的AE波形來計算輸入函數(shù)I (t)，AC波形包括第一峰值振幅值，第一峰值振幅值是在信號獲取步驟中獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。這是因為第一峰值振幅值直接表示了現(xiàn)象。
在實施例中，在輸入函數(shù)計算步驟中，可以在信號獲取步驟中獲取的檢測波形中使用具有從被設(shè)置為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅 值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形的振幅值來計算輸入函數(shù)I (t)。檢測波形的第二檢測波形指示由于在消融之后生成的空化氣泡的破裂所致的沖擊。因此，可以通過使用第二檢測波形的振幅值來評估由于空化氣泡的破裂所致的沖擊。
在實施例中，可以在從檢測到第一檢測波形開始的至少100 μ s之后檢測第二檢測波形。
在實施例中，輸入函數(shù)計算步驟可以包括估計步驟。在估計步驟中，可以估計或者指定表示在信號獲取步驟中獲取的檢測波形的峰值振幅值的衰減的函數(shù)。在輸入函數(shù)計算步驟中，可以使用由估計步驟估計或者指定的函數(shù)和峰值振幅值來計算激光照射的輸入函數(shù)I(t)。利用這樣的配置，可以使用除了第一峰值振幅值之外的峰值振幅值來計算輸入函數(shù)I⑴。
在實施例中，可以通過使用有限元方法執(zhí)行的仿真和校準來獲取AE傳感器的響 應(yīng)函數(shù)S(t)和工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)。可以通過校準和仿真來預(yù)先獲取AE傳感器的響 應(yīng)函數(shù)S (t)和工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
在實施例中，可以使用通過斷裂機械鉛筆的筆芯而獲得的數(shù)據(jù)來執(zhí)行校準。在實 施例中，在使用有限元方法來執(zhí)行的仿真中，可以使用關(guān)于工件構(gòu)件的形狀和材料的數(shù)據(jù) 以及仿真沖擊力來獲得工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
在實施例中，當用于計算目的的檢測波形表示為Vtest (t)、AE源的用于計算目的的 輸入函數(shù)表示為Itest (t)并且卷積積分表示為*時，可以使用第二關(guān)系表達式通過仿真來獲 取工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)
Vtest (t) =G (t) *Itest (t) · · ·⑵。
在實施例中，可以使用AE傳感器來獲取通過斷裂格林函數(shù)G⑴已知的筆芯而獲 得的檢測波形VJt)，可以根據(jù)第三關(guān)系表達式在斷裂筆芯時使用輸入函數(shù)Ical (t)來獲取 用于計算目的的檢測波形(t)
Vcal(t)=G(t)*Ical(t)... (3)
并且可以使用第四關(guān)系表達式
Ve (t) =S (t) *G (t) *Ical (t) · · · (4)、
第三關(guān)系表達式和通過仿真而獲得的格林函數(shù)G (t)來計算AE傳感器的響應(yīng)函數(shù) S(t)。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的一種評估系統(tǒng)是一種評估在激光噴丸處理中照射的激光 向工件構(gòu)件輸入的沖擊力的評估系統(tǒng)。該評估系統(tǒng)包括信號獲取單元、輸入函數(shù)計算單元 和評估單元。信號獲取單元獲取由檢測工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸 處理期間輸出的檢測波形。當檢測波形表示為V(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、AE 傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S(t)、工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G(t)并且卷積積分表示為* 時，輸入函數(shù)計算單元使用第一關(guān)系表達式
V (t) =S (t) *G (t) *1 (t) · · · (I)
并且基于預(yù)先獲取的AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函 數(shù)G(t)和信號獲取單元獲取的檢測波形V (t)來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。評估單元 使用激光照射的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。
利用這種評估系統(tǒng)，可以基于通過用AE傳感器測量可以從中讀取材料的變化的 彈性波而獲得的數(shù)據(jù)來估計輸入能量。因此，可以適當評估在激光噴丸期間向工件構(gòu)件的 表面施加的力。
在實施例中，輸入函數(shù)計算單元可以至少使用包括用于一個波長的AC波形來計 算輸入函數(shù)I (t)，AC波形包括第一峰值振幅值，第一峰值振幅值是在信號獲取單元獲取的 檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。這是因為第一峰值振幅值直接表示了現(xiàn)象。
在實施例中，輸入函數(shù)計算單元可以在信號獲取單元獲取的檢測波形中使用具有 從被設(shè)置為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢 測波形來計算輸入函數(shù)I (t)。檢測波形的第二檢測波形指示由于在消融之后生成的空化氣 泡的破裂所致的沖擊。因此，可以通過使用第二檢測波形來檢測由于空化氣泡的破裂所致 的沖擊。
在實施例中，評估系統(tǒng)可以進一步包括激光源和AE傳感器。激光源在工件構(gòu)件上 照射激光。AE傳感器附著到工件構(gòu)件，接收工件構(gòu)件中生成的彈性波，并且輸出檢測波形。 激光源在與其中附著AE傳感器的地方不同的地方照射激光。
在實施例中，從AE傳感器輸出的檢測波形可以是以IOMHz的最大采樣速率連續(xù)測 量的波形。
在實施例中，評估系統(tǒng)可以進一步包括分析單元。分析單元分析從AE傳感器輸出 的檢測波形，并且計算指示波形特性的參數(shù)。信號獲取單元可以連接到記錄介質(zhì)，并且在記 錄介質(zhì)中連續(xù)記錄從AE傳感器輸出的檢測波形或者連續(xù)記錄從分析單元輸出的參數(shù)。
在實施例中，可以通過使用有限元方法執(zhí)行的仿真或者校準來獲取AE傳感器的 響應(yīng)函數(shù)S (t)和工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
在實施例中，當用于計算目的的檢測波形表示為Vtest (t)、AE源的用于計算目的的 輸入函數(shù)表示為Itest (t)并且卷積積分表示為*時，輸入函數(shù)計算單元可以使用第二關(guān)系表 達式根據(jù)仿真來獲取工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)
Vtest (t) =G (t) *Itest (t) · · ·⑵。
在實施例中，輸入函數(shù)計算單元可以使用AE傳感器來獲取通過斷裂格林函數(shù) G(t)已知的筆芯而獲得的檢測波形Ve(t)，根據(jù)第三關(guān)系表達式
Vcal(t)=G(t)*Ical(t)... (3)
在斷裂筆芯時使用輸入函數(shù)Ieal⑴來獲取用于計算目的的檢測波形Veal⑴，并且 使用第四關(guān)系表達式
Ve (t) =S (t) *G (t) *Ical (t) · · · (4)、
第三關(guān)系表達式和通過仿真而獲得的格林函數(shù)G (t)來計算AE傳感器的響應(yīng)函數(shù) S(t)。
根據(jù)本發(fā)明又一方面的一種激光噴丸方法是一種用激光執(zhí)行噴丸處理的方法。該 激光噴丸方法包括信號獲取步驟和調(diào)整步驟。在信號獲取步驟中，獲取由檢測工件構(gòu)件中 生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出的檢測波形。在調(diào)整步驟中，使用第一 峰值振幅值和具有從被設(shè)置為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之 后檢測到的第二檢測波形的振幅值來調(diào)整激光的功率密度，第一峰值振幅值是在信號獲取 步驟中獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
在根據(jù)本發(fā)明又一方面的激光噴丸方法中，使用第一檢測波形和第二檢測波形的 振幅值來調(diào)整激光的功率密度。以這種方式，不僅使用指示消融的沖擊的第一檢測波形而 且使用指示由于空化氣泡的破裂所致的沖擊的第二檢測波形來調(diào)整功率密度。因此可以實 現(xiàn)期望的噴丸。
在實施例中，在調(diào)整步驟中，可以將功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度。 通過以這種方式調(diào)整功率密度，可以用最小功率實現(xiàn)期望的噴丸。
在實施例中，激光噴丸方法可以進一步包括輸入函數(shù)計算步驟。在輸入函數(shù)計算 步驟中，當檢測波形表示為v(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、AE傳感器的響應(yīng)函數(shù) 表示為S(t)、工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G(t)并且卷積積分表示為*時，可以使用第一關(guān) 系表達式
V (t) =S (t) *G (t) *1 (t) · · · (I)
并且基于預(yù)先獲取的AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函 數(shù)G(t)和在信號獲取步驟中獲取的檢測波形V (t)來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。在調(diào) 整步驟中，可以使用激光照射的輸入函數(shù)I (t)來調(diào)整激光的功率密度。
根據(jù)本發(fā)明又一方面的一種激光噴丸方法是如下激光噴丸方法通過在液體中引 起激光的消融來獲得沖擊波，通過在液體中出現(xiàn)的壓力改變來生成空化氣泡，并且由于空 化氣泡的破裂而獲得沖擊波以獲得兩個周期的噴丸作用。利用這種方法，可以用一個周期 的激光照射獲得兩個周期的噴丸作用。
根據(jù)本發(fā)明又一方面的一種激光噴丸方法是如下方法，在該方法中，在液體中引 起消融以便由于空化氣泡而獲得沖擊波，所述液體是水，通過水限制由于消融所致的沖擊 波，不允許由于消融所致的沖擊波向外界擴散，來改變由于消融所致的沖擊波的矢量，并且 激光的波長是作為1064nm的二次諧波的532nm，從而激光在水中未衰減并且水未引起消 融。利用這種方法，可以用一個周期的激光照射獲得兩個周期的噴丸作用。
根據(jù)本發(fā)明又一方面的一種激光噴丸系統(tǒng)是一種用激光執(zhí)行噴丸處理的系統(tǒng)。這 種評估系統(tǒng)包括信號獲取單元和調(diào)整單元。信號獲取單元獲取由檢測工件構(gòu)件中生成的彈 性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出的檢測波形。調(diào)整單元使用第一峰值振幅值和 具有從被設(shè)置為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第 二檢測波形的第一個峰值的振幅值來調(diào)整激光的功率密度，第一峰值振幅值是在信號獲取 步驟中獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
在根據(jù)本發(fā)明又一方面的激光噴丸系統(tǒng)中，使用第一檢測波形和第二檢測波形的 振幅值來調(diào)整激光的功率密度。以這種方式，不僅使用指示消融的沖擊的第一檢測波形而 且使用指示由于空化氣泡的破裂所致的沖擊的第二檢測波形來調(diào)整功率密度。因此可以實 現(xiàn)期望的噴丸。
在實施例中，調(diào)整單元可以將功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度。通過 以這種方式調(diào)整功率密度，可以用最小功率實現(xiàn)期望的噴丸。
在實施例中，激光噴丸系統(tǒng)可以進一步包括輸入函數(shù)計算單元。當檢測波形表示 為v(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S(t)、工件構(gòu)件的 格林函數(shù)表示為G (t)并且卷積積分表示為*時，輸入函數(shù)計算單元可以使用第一關(guān)系表達 式
V (t) =S (t) *G (t) *1 (t) · · · (I)
并且基于預(yù)先獲取的AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函 數(shù)G(t)和信號獲取單元獲取的檢測波形V (t)來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。調(diào)整單元 可以使用激光照射的輸入函數(shù)I (t)來調(diào)整激光的功率密度。
本發(fā)明的有利效果
如上文說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明的各個方面和實施例，提供了一種用于適當評估 在激光噴丸期間向工件構(gòu)件的表面施加的力的評估方法和一種用于該評估方法的評估系 統(tǒng)。提供了一種用于基于通過該評估方法和評估系統(tǒng)獲得的知識來照射激光的激光噴丸方 法和激光噴丸系統(tǒng)。


圖1是在激光噴丸期間測量AE波形時的示意圖。圖2是測量儀器的硬件配置框圖(a)和軟件功能框圖(b)。圖3是示出當照射激光一次時獲得的AE波形的曲線圖。圖4是表示檢測的波形、傳感器的響應(yīng)函數(shù)、介質(zhì)樣本的格林函數(shù)和AE源的輸入 函數(shù)之間的關(guān)系的概念圖。圖5是示出偽輸入函數(shù)的曲線圖。圖6是示出用于按壓斷裂的輸入函數(shù)的曲線圖。圖7是示出在機械鉛筆筆芯按壓斷裂方法中使用的夾具的示圖。圖8是示出測量的AE波形的一般波形的曲線圖。圖9是AE波形的第一檢測波形和第二檢測波形。圖10是AE波形的第一檢測波形。圖11是示出根據(jù)圖8中所示的AE波形推導(dǎo)的沖擊力的曲線圖。圖12是示出評估系統(tǒng)的操作的流程圖。圖13是激光噴丸系統(tǒng)的概念圖。圖14是用于說明激光噴丸系統(tǒng)的操作的流程圖。圖15是其中相對于脈沖能量繪制沖擊力的曲線圖。(a)是其中材料是A7075的情 況，并且(b)是其中材料是S50C的情況。圖16是其中相對于功率密度繪制第一檢測波形的第一峰值振幅值(強度)的曲線 圖。圖17是其中相對于功率密度繪制第二檢測波形的第一峰值振幅值(強度)的曲線 圖。圖18是其中相對于功率密度繪制沖擊力的曲線圖。圖19是其中相對于功率密度繪制沖擊力的曲線圖。圖20是其中相對于脈沖能量繪制第一檢測波形與第二檢測波形之間的時間間隔 的曲線圖。(a)是其中材料是A7075的情況，并且(b)是其中材料是S50C的情況。圖21是其中相對于脈沖能量繪制第一檢測波形與第二檢測波形之間的時間間隔 的曲線圖。(a)是其中材料是A7075的情況，并且(b)是其中材料是S50C的情況。圖22是其中相對于脈沖能量繪制第一檢測波形與第二檢測波形之間的時間間隔 的曲線圖。(a)是其中材料是A7075的情況，并且(b)是其中材料是S50C的情況。
具體實施例方式下文參照附圖詳細說明各個實施例。在附圖中，相同或者等效部件由相同標號和 符號表不。實施例中使用的激光噴丸用水來限制由于單脈沖激光的消融所致的等離子體壓 力，并且用充當反應(yīng)的沖擊波獲得噴丸效果。激光噴丸的系列現(xiàn)象在100ns內(nèi)結(jié)束。因此，激光噴丸對材料具有什么種類的作 用是未知的。由于AE傳感器的時間分辨率是幾微秒，所以該時間分辨率對于測量沖擊波而 言相當緩慢。然而，AE傳感器拾取金屬的內(nèi)側(cè)發(fā)送的聲音。激光噴丸的效果是材料的變化。 材料的變化在彈性波中出現(xiàn)。因此，可以從中讀取材料的變化的彈性波被測量，而不是具有高速度和輸入能量的沖擊波被估計。具體而言，激光噴丸期間的沖擊力被測量，并且用向材 料實際施加的沖擊力、應(yīng)力或者實際輸入的能量而不是激光的脈沖能量來評估激光噴丸對 材料的影響。
下文一般地說明AE傳感器的原理。當固體材料變形或者斷裂時，消耗畸變能量。 多數(shù)消耗的畸變能量被消耗用于材料的變形以及裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。然而，剩余的能量被 轉(zhuǎn)換成聲音、熱等。其中在這個點生成聲音的現(xiàn)象被稱為AE。將該現(xiàn)象定義為“其中釋放 此前積累的畸變能量并且生成彈性波的現(xiàn)象”。測量彈性波的傳感器是AE傳感器。AE傳感 器接收彈性波并且輸出AE波形(檢測波形)。引起AE的畸變本身被稱為AE源。
圖1是在激光噴丸期間測量AE波形時的示意圖。首先，AE傳感器I附著到工件 構(gòu)件2。為了在測量期間在水中布置工件構(gòu)件2，希望AE傳感器I是具有耐水性的AE傳感 器。為了附著AE傳感器1，例如使用瞬時粘合劑。
在其中(在圖1中，在其中粘合傳感器的地方的相反側(cè))未粘合AE傳感器I的地方 從激光源7照射激光3以執(zhí)行激光噴丸。作為激光源7，例如使用輸出單脈沖激光的激光 源。在激光噴丸期間生成的沖擊波向工件構(gòu)件2給予噴丸效果。工件構(gòu)件2的變形生成彈 性波。AE傳感器I測量彈性波。起到彈性波測量裝置的作用的測量儀器4獲取彈性波的信號。
使用圖2來說明測量儀器4的細節(jié)。圖2(a)是測量儀器4的硬件配置框圖，并且 圖2(b)是測量儀器4的軟件功能框圖。測量儀器4在物理上配置為一般的計算機系統(tǒng)，該 計算機系統(tǒng)包括CPU (中央處理單元)、主存儲裝置如ROM (只讀存儲器)和RAM (隨機存取 存儲器)、輸入裝置如鍵盤、輸出裝置如顯示器和輔助存儲裝置如硬盤。如圖2(a)中所示， 測量儀器4包括A/D轉(zhuǎn)換器41、運算單元42、記錄單元43和顯示單元44。一個或者多個 AE傳感器經(jīng)由預(yù)放大器連接到測量儀器4。A/D轉(zhuǎn)換器連接到預(yù)放大器，并且獲取AE傳感 器I輸出的檢測波形(AE波形)。A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，并且向運算單元42輸出檢測波 形。運算單元42控制測量儀器43的單元，并且分析、編輯或者記錄AE波形。記錄單元43 連接到運算單元42，并且記錄運算單元42的輸出。顯示單元44連接到運算單元42，并且 顯示運算單元42的輸出。
圖2(b)是上文說明的測量儀器4的部件的軟件(功能配置)。在輸入處理中，A/D 轉(zhuǎn)換器41和運算單元42工作。具體而言，A/D轉(zhuǎn)換器41和運算單元42起到信號獲取單 元的作用。信號獲取單元獲取并且記錄在線(在實時基礎(chǔ)上)測量的AE波形。例如，信號獲 取單元根據(jù)從激光源7連續(xù)輸出的短脈沖激光連續(xù)記錄AE波形。在圖3中示出了測量的 AE波形的例子。信號獲取單元被配置成能夠從記錄介質(zhì)獲取AE波形，并且能夠獲取編輯的 AE波形。因此，測量儀器4被配置成能夠執(zhí)行瞬態(tài)分析和后驗分析。
在運算處理中，運算單元42工作。運算單元42執(zhí)行頻率濾波器、快速傅里葉變換、 最小平方電壓、AE事件等的運算處理。具體而言，運算單元42起到分析單元的作用，該分析 單元分析AE波形并且計算指示波形特性的參數(shù)。作為參數(shù)，例如使用最大振幅、第一峰值 振幅值、RMS (均方根)電壓值、上升時間、事件的持續(xù)時間、振幅值超過閾值的次數(shù)、事件的 出現(xiàn)位置、峰值強度頻率和平均頻率。第一峰值振幅值是在檢測波形中第一次檢測到的峰 值的振幅值。上升時間是在電壓超過閾值電壓之后一直到最大振幅被記錄為止的時間。事 件的持續(xù)時間是在電壓超過閾值電壓之后一直到電壓最終降至閾值電壓以下為止的時間。不僅可以在測量期間而且還可以在測量之后執(zhí)行分析?？梢栽诓煌瑮l件之下執(zhí)行分析。
運算單元42具有以下功能使用AE波形來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)，并且 評估沖擊力。換言之，運算單元42起到輸入函數(shù)計算單元和評估單元的作用。稍后說明這 種功能。
在輸出處理中，至少運算單元42工作。運算單元42向記錄單元43輸出計算的AE 參數(shù)和通過頻率濾波器濾波的檢測波形。硬盤或者存儲器用作記錄單元43。運算單元42 可以向顯示單元44輸出AE參數(shù)和檢測波形，并且將AE參數(shù)和檢測波形顯示為曲線圖。例 如顯示器用作顯示單元44。
說明起到輸入函數(shù)計算單元和評估單元作用的運算單元42的細節(jié)。運算單元42 使用逆問題分析方法根據(jù)AE波形計算輸入函數(shù)。圖4是表示檢測波形V(t)、傳感器的響 應(yīng)函數(shù)S(t)、介質(zhì)樣本(材料、工件構(gòu)件)的格林函數(shù)G (t)和AE源(畸變)的輸入函數(shù)I⑴ 之間的關(guān)系的概念圖。圖4中所示的模型指示了根據(jù)輸入函數(shù)I (t)、格林函數(shù)G(t)和響 應(yīng)函數(shù)S(t)來決定測量的檢測波形V⑴。測量的AE波形(檢測波形)V⑴通過AE源的輸 入函數(shù)I (t)、介質(zhì)樣本(材料)的格林函數(shù)G(t)和傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)的卷積積分來表 達。這可以由以下表達式(第一關(guān)系表達式)表達
V (t) =S (t) *G (t) *1 (t) · · · (I)
*指示卷積積分。
如通過表達式指示的那樣，當預(yù)先已知介質(zhì)樣本的格林函數(shù)G(t)和傳感器的響 應(yīng)函數(shù)S(t)時，可以通過根據(jù)檢測波形V(t)執(zhí)行逆卷積積分來計算AE源的輸入函數(shù) I(t)。可以基于AE源的輸入函數(shù)I (t)亦即沖擊力函數(shù)獲得沖擊力。在以下說明中，說明 推導(dǎo)介質(zhì)樣本的格林函數(shù)G(t)和傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)的方法的例子。
首先說明推導(dǎo)格林函數(shù)G(t)的方法?；诠ぜ?gòu)件2的形狀、機械特性和負荷 推導(dǎo)格林函數(shù)G(t)。例如使用運用有限元方法的仿真軟件。作為這樣的仿真軟件，使用 LS-DYNA (注冊商標)(Livermore Software Technology公司的CAE軟件)。下文說明這種 軟件作為例子。
首先在LS-DYNA上再現(xiàn)工件構(gòu)件2的形狀。隨后向LS-DYNA給予工件構(gòu)件2的機 械特性和仿真負荷。例如，給予工件構(gòu)件2的作為機械特性的楊氏模量和泊松比。向創(chuàng)建 的工件構(gòu)件2的形狀給予輸入點(力被實際施加的點)、力被施加的方向和輸出點(粘合傳感 器的位置)。給予作用于輸入點的負荷的偽輸入信號(偽輸入函數(shù))Itest (t)。例如，偽輸入 信號是圖5中所示的偽輸入信號。在圖5中所示的曲線圖中，水平軸代表時間，并且豎軸代 表沖擊力?？梢酝ㄟ^執(zhí)行仿真來獲得輸出點處的檢測波形Vtest(t)。Vtest (t)由以下表達式 (第二關(guān)系表達式)表達
Vtest(t) =G(t)*Itest(t)... (2)
通過使用Vtest (t)執(zhí)行Itest (t)的逆卷積積分來推導(dǎo)格林函數(shù)G (t)。對于逆卷積 積分，可以使用數(shù)值計算軟件MATLAB (注冊商標)(MathWorks公司的軟件)。
說明一種推導(dǎo)傳感器響應(yīng)函數(shù)S (t)的方法。首先執(zhí)行校準以測量AE波形Ve (t)。 Ve(t)由以下表達式(第四關(guān)系表達式)表達
Ve (t) =S (t) *G (t) *Ical (t) · · · (4)
輸入函數(shù)Ieal⑴是已知的。例如使用圖6中所示的輸入函數(shù)。在圖6中所示的曲線圖中,水平軸代表時間，并且豎軸代表沖擊力。
通過斷裂材料的預(yù)定形狀和筆芯來執(zhí)行校準。例如，使用機械鉛筆的筆芯的按壓 斷裂來執(zhí)行校準。下文說明使用機械鉛筆的筆芯來執(zhí)行的校準。這種方法是如下方法在 AE傳感器附近的測量目標表面上斷裂機械鉛筆的筆芯，使用在斷裂筆芯時生成的AE波作 為聲源，并且檢查向AE傳感器輸入的信號的振幅值。
在機械鉛筆筆芯按壓斷裂方法中，AE傳感器附著到工件構(gòu)件2，并且在AE傳感器 附近按壓斷裂機械鉛筆5的筆芯。代替地，AE傳感器可以附著到格林函數(shù)G(t)已知的材 料，并且可以在AE傳感器附近按壓斷裂機械鉛筆5的筆芯。例如，將具有2H硬度和O. 5mm 直徑的筆芯推出3mm，并且在約30度的角度按壓斷裂該筆芯(在圖7中示出了用于這個目的 的夾具6)。在這個點釋放的應(yīng)力是Iys中5N。調(diào)整測量儀器4的靈敏度，并且參照應(yīng)力 估計獲得的數(shù)據(jù)的物理量。這種機械鉛筆筆芯按壓斷裂方法具有可以在實際測量狀態(tài)下執(zhí) 行驗證的特性?？梢圆捎闷渌史椒ㄈ缦嗷バ史椒ê徒佑|方法。
另一方面，以與上文說明的方法相同的方式向LS-DYNA上創(chuàng)建的模型輸入已知筆 芯的按壓斷裂的輸入信號(輸入函數(shù))Ical⑴并且執(zhí)行仿真，由此獲得輸出信號的檢測波形 Vcal (t)。Vcal (t)由以下表達式(第三關(guān)系表達式)表達
Vcal (t) =G (t) *Ical (t) · · · (3)
第四關(guān)系表達式的輸入信號Ieal (t)和第三關(guān)系表達式的輸入信號Ieal (t)相同。 具體而言，第四關(guān)系表達式的VJt)是實驗值，而第三關(guān)系表達式的VMl (t)則是估計值。可 以使用兩個檢測波形V6(t)和VMl(t)來推導(dǎo)傳感器響應(yīng)函數(shù)S(t)。具體而言，可以通過根 據(jù)入(t)執(zhí)行VMl(t)的逆卷積積分來推導(dǎo)傳感器響應(yīng)函數(shù)S (t)。對于逆卷積積分，可以使 用數(shù)值計算軟件MATLAB (注冊商標)(MathWorks公司的軟件)。
可以預(yù)先計算格林函數(shù)G(t)和傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)?？梢酝ㄟ^基于計算的格 林函數(shù)G(t)、傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、實際測量的AE波形V(t)和第一關(guān)系表達式執(zhí)行卷 積積分來計算AE源的輸入函數(shù)I (t)。
運算單元42如下文說明的那樣在從AE傳感器I獲取的AE波形中選擇第一關(guān)系 表達式中使用的AE波形的數(shù)據(jù)范圍。圖8是AE波形的例子。運算單元42選擇用于一個 波長的AE波形，該AE波形包括第一峰值振幅值，該第一峰值振幅值是在圖8中所示的AE 波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
進一步，運算單元42可以如下文說明的那樣在從AE傳感器I獲取的AE波形中選 擇第一關(guān)系表達式中使用的AE波形的數(shù)據(jù)范圍。例如，運算單元42可以采用具有從被設(shè)置 為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形。關(guān) 于檢測波形是否為第二檢測波形，例如，在第一檢測波形的峰值的振幅值減少至等于或者 小于預(yù)定值之后，當測量到具有與預(yù)定值相等或者比預(yù)定值更大的峰值振幅值的檢測波形 時，確定該檢測波形為第二檢測波形。代替地，可以確定在從第一檢測波形的第一峰值的出 現(xiàn)時間起經(jīng)過預(yù)定時間之后測量的檢測波形為第二檢測波形。通過與用于第一檢測波形的 方法相同的方法選擇第二檢測波形中的在第一關(guān)系表達式中使用的AE波形的數(shù)據(jù)范圍。
進一步，運算單元42可以根據(jù)檢測波形估計或者指定表示峰值振幅值的衰減的 函數(shù)，并且使用該函數(shù)來推導(dǎo)振幅值。只要闡明了表示峰值振幅值的衰減的函數(shù)，振幅值不 限于第一峰值振幅值，并且可以使用任何峰值振幅值。可以使用多個峰值振幅值。可以根據(jù)AE波形估計或者指定表示峰值振幅值的衰減的函數(shù)。例如，可以使用擬合來指定表示峰值振幅值的衰減的函數(shù)。
圖9和圖10是AE波形的例子。使用水作為用于俘獲消融期間生成的壓力的介質(zhì)來測量圖9中所示的AE波形。在這一點，作為激光源7的波長，使用未引起水的消融的波長(作為1064nm的二次諧波的532nm)。激光源7的波長也可以是1064nm。另一方面，使用玻璃作為用于俘獲消融期間生成的壓力的介質(zhì)來測量圖10中所示的AE波形。當比較圖9 和圖10時，在圖9中，觀測到具有從被設(shè)置為最大值的第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形。在檢測到第一檢測波形之后的至少100 μ s檢測到這個第二檢測波形。在圖9中所示的檢測波形中，第一檢測波形指示由于消融所致的沖擊，而第二檢測波形則指示由于空化氣泡的破裂所致的沖擊。換言之，不僅關(guān)于第一檢測波形而且關(guān)于第二檢測波形評估沖擊力。這使得可以執(zhí)行對激光噴丸處理的更準確評估。
說明一種評估沖擊力的方法。運算單元42使用根據(jù)AE波形V(t)推導(dǎo)的輸入函數(shù) I⑴來評估沖擊力。圖11是示出根據(jù)圖8中所示的AE波形V(t)來推導(dǎo)的輸入函數(shù)I⑴ 的曲線圖。如圖11中所示，運算單元42例如評估輸入函數(shù)I (t)的最大值作為沖擊力。在參照圖11的說明中，使用第一檢測波形來評估沖擊力。然而，在使用第二檢測波形時，可以以相同方式評估沖擊力。可以使用通過使用第一檢測波形而評估的沖擊力和通過使用第二檢測波形而評估的沖擊力來全面評估沖擊力。例如可以計算并且評估沖擊力之和。
評估系統(tǒng)包括測量儀器4。評估系統(tǒng)根據(jù)需要包括激光源7、AE傳感器I和預(yù)放大器。記錄單元43僅須配置成能夠從測量儀器4中寫入和查詢。因此，評估系統(tǒng)無須包括記錄單元43。
說明評估系統(tǒng)的操作(評估方法)。圖12是用于說明評估系統(tǒng)的操作的流程圖。如圖12中所示，評估系統(tǒng)從信號獲取處理(S10 :信號獲取步驟)開始。在SlO中的處理中，A/ D轉(zhuǎn)換器41和運算單元42從AE傳感器I獲取AE波形(在線處理)。當獲取AE波形時，運算單元42可以估計或者指定如下函數(shù)，該函數(shù)表示了 AE波形的峰值振幅值的衰減(估計步驟)。代替地，運算單元42查詢記錄單元43來獲取以往記錄的AE波形(離線處理)。當SlO 中的處理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向輸入函數(shù)計算處理(S12 :輸入函數(shù)計算步驟)。
在S12中的處理中，運算單元42使用第一關(guān)系表達式基于預(yù)先獲取的AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和在SlO中獲取的檢測波形V(t) 來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。當S12中的處理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向評估處理(S14 :評估步驟)。
在S14中的處理中，運算單元42使用S12中計算的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。 當S14中的處理結(jié)束時，圖12中所示的控制處理結(jié)束。
評估系統(tǒng)結(jié)束評估系統(tǒng)的操作?？梢酝ㄟ^執(zhí)行圖12中所示的控制處理來適當執(zhí)行對激光噴丸處理的評估。
說明一種用于使用評估系統(tǒng)或者基于使用評估系統(tǒng)而獲得的知識來照射激光的激光噴丸方法和激光噴丸系統(tǒng)。
圖13是激光嗔 丸系統(tǒng)的不意圖。如圖13中所不，激光嗔丸系統(tǒng)包括激光源7、AE 傳感器1、測量儀器4和調(diào)整單元8。激光源7、AE傳感器I和測量儀器4的功能與上文說明的評估系統(tǒng)的單元的功能相同。調(diào)整單元8基于測量儀器4的測量結(jié)果來調(diào)整激光源7的輸出。例如，調(diào)整單元8調(diào)整激光源7的功率密度(脈沖能量)。
調(diào)整單元8例如使用圖9中所示的第一檢測波形的第一峰值振幅值和第二檢測波 形的振幅值來調(diào)整激光的功率密度。例如，調(diào)整單元8基于第二檢測波形的振幅值在其中 逼近最大值的功率密度范圍和第一檢測波形的第一峰值振幅值在其中逼近最大值的功率 密度范圍來調(diào)整激光源7的功率密度。代替地，調(diào)整單元8可以基于測量儀器4評估的沖 擊力或者輸入函數(shù)I(t)來調(diào)整功率密度。換言之，調(diào)整單元8可以基于根據(jù)第一檢測波形 推導(dǎo)的輸入函數(shù)I (t)或者沖擊力以及根據(jù)第二檢測波形推導(dǎo)的輸入函數(shù)I (t)或者沖擊力 來調(diào)整功率密度。當使用水作為用于俘獲消融期間生成的壓力的介質(zhì)并且激光源7的波長 是作為1064nm的二次諧波的532nm時，將功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度是適 合的。更理想的是，在包括5GW/cm2的3至8GW/cm2的范圍中調(diào)整功率密度是適合的。通過 在這個范圍中調(diào)整功率密度，可以用最小功率獲得最大噴丸效果。俘獲消融期間生成的功 率的方法可以是在水中設(shè)置工件構(gòu)件2的方法或者在流水中浸浴工件構(gòu)件2的方法。在流 水中浸浴工件構(gòu)件2的方法是在工件構(gòu)件2上噴水之時執(zhí)行加工的方法。
說明激光噴丸系統(tǒng)的操作(激光噴丸方法)。圖14是用于說明激光噴丸系統(tǒng)的操 作的流程圖。如圖14中所示，激光噴丸系統(tǒng)從激光照射處理(S18)開始。在S18中的處理 中，從激光源7向工件構(gòu)件2照射具有調(diào)整單元8調(diào)整過的功率密度的激光。當S18中的處 理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向信號獲取處理(S20 :信號獲取步驟)。在S20中的處理中，A/D轉(zhuǎn)換器41 和運算單元42從AE傳感器I獲取AE波形(在線處理)。當獲取AE波形時，運算單元42可 以估計或者指定如下函數(shù)，該函數(shù)表示了 AE波形的峰值振幅值的衰減(估計步驟)。當S20 中的處理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向輸入函數(shù)計算處理(S22 :輸入函數(shù)計算步驟)。
在S22中的處理中，運算單元42使用第一關(guān)系表達式基于預(yù)先獲取的AE傳感器 的響應(yīng)函數(shù)S(t)、預(yù)先獲取的工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和在SlO中獲取的檢測波形V(t) 來計算激光照射的輸入函數(shù)I (t)。當S22中的處理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向評估處理(S24 :評估 步驟)。
在S24中的處理中，運算單元42使用S22中計算的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。 當S24中的處理結(jié)束時，處理轉(zhuǎn)向激光調(diào)整處理(S26 :調(diào)整步驟)。
在S26中的處理中，調(diào)整單元8使用S24中評估的沖擊力來調(diào)整功率密度。當S26 中的處理結(jié)束時，激光噴丸系統(tǒng)結(jié)束圖14中所示的控制處理。
激光噴丸系統(tǒng)結(jié)束激光噴丸系統(tǒng)的操作?？梢苑答仠y量結(jié)果并且通過執(zhí)行圖14 中所示的控制處理來執(zhí)行激光噴丸處理。當根據(jù)AE波形調(diào)整激光源7時，無須執(zhí)行S22和 S24中所示的控制處理。當根據(jù)輸入函數(shù)調(diào)整激光源7時，無須執(zhí)行S24中所示的控制處理。
利用上文說明的激光噴丸系統(tǒng)的操作，可以通過在液體中引起激光的消融來獲得 沖擊波，由于在液體中出現(xiàn)的壓力改變而生成空化氣泡，并且由于空化氣泡的破裂而獲得 沖擊波。換言之，可以用一個周期的激光照射獲得兩個周期的噴丸作用。為了獲得由空化 氣泡引起的沖擊波，需要在液體中引起消融。使用水作為液體。通過限制由于消融所致的 沖擊波不向外界擴散，水改變了矢量(力的方向)。矢量是力的方向。作為激光的波長，使用 作為1064nm的二次諧波的532nm以防止激光在水中衰減并且防止水的消融。以這種方式， 通過在工件構(gòu)件的表面上從激光源照射激光束來引起消融。當通過消融的沖擊來執(zhí)行噴丸處理時，使用水作為用于俘獲在工件構(gòu)件2的消融期間生成的壓力的介質(zhì)，并且將激光束的波長設(shè)置成作為1064nm的二次諧波的532nm。因此，可以在消融之后引起空化泡沫，并且用由于空化泡沫的破裂所致的沖擊來獲得噴丸效果。
如上文說明的那樣，利用根據(jù)實施例的評估系統(tǒng)和評估方法，可以用AE傳感器測量可以從中讀取材料的變化的彈性波，并且根據(jù)彈性波估計輸入能量。因此，可以適當評估激光噴丸期間向工件構(gòu)件的表面施加的力。這使得易于探尋激光噴丸中的最優(yōu)條件。
利用根據(jù)實施例的評估系統(tǒng)和評估方法，由于使用用于一個波長的AE波形，該AE 波形包括直接表示現(xiàn)象的第一峰值振幅值，所以可以執(zhí)行適當評估。
利用根據(jù)實施例的評估系統(tǒng)和評估方法，可以通過使用第二檢測波形來不僅評估由于消融所致的沖擊，而且評估由于空化氣泡的破裂所致的沖擊。
利用根據(jù)實施例的評估系統(tǒng)和評估方法，可以使用用于一個波長的AE波形來計算輸入函數(shù)I (t)，該AE波形包括第一峰值振幅值。
利用根據(jù)實施例的激光噴丸系統(tǒng)和激光噴丸方法，使用第一檢測波形和第二檢測波形的振幅值來調(diào)整激光的功率密度。以這種方式，不僅使用指示消融的沖擊的第一檢測波形而且使用指示由于空化氣泡的破裂所致的沖擊的第二檢測波形來調(diào)整功率密度。因此可以實現(xiàn)期望的噴丸。進一步，可以用一個周期的激光照射獲得兩個周期的噴丸效果。
可以修改上文描述的實施例或者可以將所述實施例應(yīng)用于其它系統(tǒng)和方法。例如，在實施例中說明了其中運算單元42執(zhí)行AE參數(shù)的計算和沖擊力的計算(格林函數(shù)和響應(yīng)函數(shù))二者的例子。然而本發(fā)明不限于此。例如運算單元42可以僅執(zhí)行AE參數(shù)的計算， 并且另一個運算單元可以執(zhí)行沖擊力的計算。另一個運算單元可以包括在測量儀器4中， 或者可以包括在另一個計算機中。
例子
(AE波形的測量)
對AE波形進行測量。作為在其上照射激光的工件構(gòu)件2，使用具有不同厚度和不同材料的工件構(gòu)件。工件構(gòu)件2具有35mmX35mm的平面寬度。制備具有5mm、10mm和20mm 厚度的三種工件構(gòu)件。制備材料A7075 (日本業(yè)界標準)和S50C (日本業(yè)界標準)的兩種工件構(gòu)件。換言之，共計制備六件工件構(gòu)件2。
作為激光源7，使用Q開關(guān)Nd-YAG激光。在表I中示出了激光源7的主要規(guī)格。
[表 I]
最大脈沖能量波長脈沖寬度斑點面積500mJ532nm7. 5ns1. 09X `ICT3Cm2
通過改變偏振板的角度來調(diào)整工件構(gòu)件2上照射的激光的能量。聚光透鏡將激光的能量密度增加23倍。在由夾具固定于水中的工件構(gòu)件2的表面的中心照射激光。每一個條件照射激光3五次。
一個AE傳感器I附著到照射表面的相反側(cè)的中心，以在激光照射期間測量AE。作為測量AE的測量儀器4，使用可以以最大為I至IOMHz的采樣速率連續(xù)地測量信號的設(shè)備。 在例子中，測量儀器4以IOMHz的采樣速率連續(xù)地測量信號。
每當照射激光一次，就確認圖3中所示的波形。
(沖擊力的評估)
圖15是其中相對于脈沖能量繪制根據(jù)如實施例中說明的測量的AE波形獲得的沖擊力的曲線圖。(a)是在A7075的情況下的曲線圖，并且(b)是在S50C的情況下的曲線圖。
這時獲得的沖擊力基本上等同于作為沖擊波測量方法之一的VISAR (用于任何反射體的速率干涉儀系統(tǒng))方法獲得的值。因此，可以認為這時獲得的沖擊力是恰當數(shù)值。如圖15中所示，可見根據(jù)AE波形計算的沖擊力的趨勢取決于材料或者厚度的不同而不同。因此，可以確認根據(jù)本發(fā)明的評估方法和評估系統(tǒng)有效。
當未使用校準時，雖然不能執(zhí)行與VISAR方法相比的絕對值評估，但是相對評估是可能的。
(基于AE波形的功率密度的調(diào)整)
圖16是其中相對于功率密度繪制測量的第一檢測波形的第一峰值振幅值(強度) 的曲線圖。A-1是其中在工件構(gòu)件的表面上直接照射激光的情況，A-2是其中玻璃粘合到工件構(gòu)件的表面并且照射激光的情況，A-3是其中不透明層(SUS304 (日本業(yè)界標準):厚度 15 μ m)粘合到工件構(gòu)件的表面并且照射激光的情況，并且A-4是其中犧牲層和玻璃以這種順序粘合到工件構(gòu)件并且照射激光的情況。圖17是其中相對于功率密度繪制在測量的第二檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值(強度)的曲線圖。A-1是其中在工件構(gòu)件的表面上直接照射激光的情況，并且A-3是其中犧牲層(SUS304 :厚度15 μ m)粘合到工件構(gòu)件的表面并且照射激光的情況。如圖16中所示，從lOGW/cm2附近的功率密度基本上固定第一檢測波形的強度。另一方面，如圖17中所示，第二檢測波形的強度基本上固定于約5GW/cm2的功率密度。因此，可以確認的是，將功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度是適合的。 可以確認的是，希望在包括5GW/cm2的3至8GW/cm2的范圍中調(diào)整功率密度是適合的。
(基于沖擊力的功率密度的調(diào)整)
圖18是其中相對于功率密度繪制根據(jù)AE波形估計的沖擊力的曲線圖。A-1是其中在工件構(gòu)件的表面上直接照射激光的情況。第I次沖擊指示根據(jù)第一檢測波形估計的沖擊力，并且第2次沖擊指示根據(jù)第二檢測波形估計的沖擊力。A-2是在其中玻璃粘合到工件構(gòu)件的表面并且照射激光的情況下的沖擊力。圖19是其中相對于功率密度繪制根據(jù)AE波形估計的沖擊力的曲線圖。A-3是其中不透明層(SUS304:厚度15μπι)粘合到工件構(gòu)件的表面并且照射激光的情況。第I次沖擊指示根據(jù)第一檢測波形估計的沖擊力，并且第2次沖擊指示根據(jù)第二檢測波形估計的沖擊力。Α-4是其中不透明層和玻璃以這種順序粘合到工件構(gòu)件并且照射激光的情況。如圖18和圖19中所示，即使當使用沖擊力來評價功率密度時，仍然可以確認的是，將功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度是適合的。
(第一檢測波形與第二檢測波形之間的時間間隔)
圖20、圖21和圖22是其中相對于脈沖能量繪制第一檢測波形與第二檢測波形之間的時間間隔的曲線圖。(a)是在A7075的情況下的曲線圖，并且(b)是在S50C的情況下的曲線圖。圖20是在其中樣本的厚度是5_的情況下的曲線圖。圖21是在其中樣本的厚度是IOmm 的情況下的曲線圖。圖22是在其中樣本的厚度是20mm的情況下的曲線圖。如圖20至圖22中所示，在圖20的(b)中示出了時間間隔在其中激光輸出最小的情況下的最小值約為300μ S。因此，可以確認的是，在檢測到第一檢測波形之后的至少100μ s檢測到第二檢測波形。
參考符號列 表
I…AE傳感器，2···工件構(gòu)件，4…測量儀器(測量系統(tǒng))，6···調(diào)整單兀，7…激光源， 42…運算單元(信號獲取單元，輸入函數(shù)計算單元，評估單元)，43…記錄單元(存儲介質(zhì))。
權(quán)利要求
1.一種用于評估利用激光噴丸處理中照射的激光向工件構(gòu)件輸入的沖擊力的評估方法，所述評估方法包括 信號獲取步驟，用于獲取由檢測所述工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在所述激光噴丸處理期間輸出的檢測波形； 輸入函數(shù)計算步驟，用于當所述檢測波形表示為V(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S (t)、所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G (t)并且卷積積分表不為*時，使用第一關(guān)系表達式 V(t) =S (t) *G (t) *1 (t). . . (I), 并且基于預(yù)先獲取的所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、預(yù)先獲取的所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和在所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形V(t)，計算所述激光照射的輸入函數(shù)I(t);以及 評估步驟，用于使用所述激光照射的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估方法，其中，在所述輸入函數(shù)計算步驟中，至少使用包括第一峰值振幅值的AE波形來計算所述輸入函數(shù)I (t)，所述第一峰值振幅值是在所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的評估方法，其中，在所述輸入函數(shù)計算步驟中，在所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形中使用具有從被設(shè)置為最大值的所述第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形來計算所述輸入函數(shù)I (t)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的評估方法，其中，在從檢測到所述第一檢測波形開始的至少100 μ S之后檢測所述第二檢測波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估方法，其中， 所述輸入函數(shù)計算步驟包括估計步驟，用于估計或指定表示所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形的峰值振幅值的衰減的函數(shù)，并且 使用由所述估計步驟估計或指定的函數(shù)和所述峰值振幅值來計算所述激光照射的輸入函數(shù)I(t)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的評估方法，其中，通過使用有限元方法執(zhí)行的仿真和校準來獲取所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)和所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的評估方法，其中，使用通過斷裂機械鉛筆的筆芯而獲得的數(shù)據(jù)來執(zhí)行所述校準。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的評估方法，其中，在使用所述有限元方法執(zhí)行的仿真中，使用關(guān)于所述工件構(gòu)件的形狀和材料的數(shù)據(jù)以及仿真沖擊力來獲得所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的評估方法，其中，當用于計算目的的檢測波形表示為Vtest(t)、AE源的用于計算目的的輸入函數(shù)表示為Itest⑴并且卷積積分表示為*時，使用第二關(guān)系表達式 Vtest(t) =G(t)*Itest(t)... (2)， 通過仿真來獲取所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的評估方法，其中， 使用所述AE傳感器來獲取通過斷裂格林函數(shù)G(t)為已知的筆芯而獲得的檢測波形Ve (t), 根據(jù)第三關(guān)系表達式 Vcai(t)=G(t)*Ical(t). · · (3)， 使用斷裂所述筆芯時的輸入函數(shù)IMl (t)來獲取用于計算目的的檢測波形Vm1⑴，并且 使用第四關(guān)系表達式 Ve (t) =S (t) *G (t) *Ical (t). . . (4)、 所述第三關(guān)系表達式和通過仿真獲得的格林函數(shù)G(t)來計算所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù) S(t)。
11.一種用于評估激光噴丸處理中照射的激光向工件構(gòu)件輸入的沖擊力的評估系統(tǒng)，所述評估系統(tǒng)包括 信號獲取單元，其獲取由檢測所述工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在所述激光噴丸處理期間輸出的檢測波形； 輸入函數(shù)計算單元，其當所述檢測波形表示為V(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S(t)、所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G(t)并且卷積積分表不為*時，使用第一關(guān)系表達式 V(t) =S (t) *G (t) *1 (t). . . (I), 并且基于預(yù)先獲取的所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)、預(yù)先獲取的所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和所述信號獲取單元獲取的檢測波形V(t)，計算所述激光照射的輸入函數(shù)I(t);以及 評估單元，其使用所述激光照射的輸入函數(shù)I (t)來評估沖擊力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的評估系統(tǒng)，其中，所述輸入函數(shù)計算單元至少使用包括第一峰值振幅值的AE波形來計算所述輸入函數(shù)I (t)，所述第一峰值振幅值是在所述信號獲取單元獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的評估系統(tǒng)，其中，所述輸入函數(shù)計算單元在所述信號獲取單元獲取的檢測波形中使用具有從被設(shè)置為最大值的所述第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形來計算所述輸入函數(shù)I (t)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的評估系統(tǒng)，進一步包括 激光源，其在所述工件構(gòu)件上照射激光；以及 AE傳感器，其附著到所述工件構(gòu)件，接收所述工件構(gòu)件中生成的彈性波，并且輸出檢測波形，其中， 所述激光源在與其中附著所述AE傳感器的地方不同的地方照射所述激光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的評估系統(tǒng)，其中，從所述AE傳感器輸出的檢測波形是以IOMHz的最大采樣速率連續(xù)測量的波形。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的評估系統(tǒng)，進一步包括 分析單元，其分析從所述AE傳感器輸出的檢測波形，并且計算指示波形特性的參數(shù)，其中， 所述信號獲取單元連接到記錄介質(zhì)，并且在所述記錄介質(zhì)中連續(xù)記錄從所述AE傳感器輸出的檢測波形，或者連續(xù)記錄從所述分析單元輸出的參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的評估系統(tǒng)，其中，通過使用有限元方法執(zhí)行的仿真或校準來獲取所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)和所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的評估系統(tǒng)，其中，當用于計算目的的檢測波形表示為Vtest (t)、AE源的用于計算目的的輸入函數(shù)表示為Itest (t)并且卷積積分表示為*時，所述輸入函數(shù)計算單元使用第二關(guān)系表達式 Vtest(t) =G(t)*Itest(t)... (2)， 根據(jù)仿真來獲取所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G (t)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的評估系統(tǒng)，其中，所述輸入函數(shù)計算單元使用所述AE傳感器來獲取通過斷裂格林函數(shù)G (t)為已知的筆芯而獲得的檢測波形Ve (t)，根據(jù)第三關(guān)系表達式 Vcai(t)=G(t)*Ical(t). · · (3)， 使用斷裂所述筆芯時的輸入函數(shù)IMl (t)來獲取用于計算目的的檢測波形Vm1⑴，并且 使用第四關(guān)系表達式 Ve (t) =S (t) *G (t) *Ical (t). . . (4)、 所述第三關(guān)系表達式和通過仿真獲得的格林函數(shù)G(t)來計算所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù) S(t)。
20.一種用激光執(zhí)行噴丸處理的激光噴丸方法，所述激光噴丸方法包括 信號獲取步驟，用于獲取由檢測工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出的檢測波形；以及 調(diào)整步驟，用于使用第一峰值振幅值和具有從被設(shè)置為最大值的所述第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形的振幅值來調(diào)整所述激光的功率密度，所述第一峰值振幅值是在所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光噴丸方法，其中，在所述調(diào)整步驟中，將所述功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光噴丸方法，進一步包括 輸入函數(shù)計算步驟，用于當所述檢測波形表示為V(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S(t)、所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G(t)并且卷積積分表不為*時，使用第一關(guān)系表達式 V(t) =S (t) *G (t) *1 (t). . . (I), 并且基于預(yù)先獲取的所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S (t)、預(yù)先獲取的所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和在所述信號獲取步驟中獲取的檢測波形V(t)，計算所述激光照射的輸入函數(shù)I(t)，其中， 在所述調(diào)整步驟中，使用所述激光照射的輸入函數(shù)I (t)來調(diào)整所述激光的功率密度。
23.一種激光噴丸方法，其通過在液體中造成激光的消融來獲得沖擊波，通過在所述液體中出現(xiàn)的壓力變化來生成空化氣泡，并且獲得由所述空化氣泡的破裂弓I起的沖擊波，以獲得兩步噴丸過程。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的激光噴丸方法，其中，在所述液體中造成所述消融以便獲得由空化氣泡引起的沖擊波，所述液體是水，通過水限制由所述消融引起的沖擊波，不允許由所述消融引起的沖擊波向外界擴散，來改變由所述消融引起的沖擊波的矢量，并且所述激光的波長是作為1064nm的二次諧波的532nm，使得所述激光在所述水中未衰減，并且所述水未造成消融。
25.一種用激光執(zhí)行噴丸處理的激光噴丸系統(tǒng)，所述激光噴丸系統(tǒng)包括 信號獲取單元，其獲取由檢測工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出的檢測波形；以及 調(diào)整單元，其使用第一峰值振幅值和具有從被設(shè)置為最大值的所述第一峰值振幅值衰減的振幅值的第一檢測波形之后檢測到的第二檢測波形的第一個峰值的振幅值來調(diào)整所述激光的功率密度，所述第一峰值振幅值是在所述信號獲取單元獲取的檢測波形中第一次檢測到的峰值的振幅值。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的激光噴丸系統(tǒng)，其中，所述調(diào)整單元將所述功率密度調(diào)整成飽和范圍中的最小功率密度。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的激光噴丸系統(tǒng)，進一步包括 輸入函數(shù)計算單元，其當所述檢測波形表示為V(t)、激光照射的輸入函數(shù)表示為I (t)、所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)表示為S (t)、所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)表示為G (t)并且卷積積分表不為*時，使用第一關(guān)系表達式 V(t) =S (t) *G (t) *1 (t). . . (I), 并且基于預(yù)先獲取的所述AE傳感器的響應(yīng)函數(shù)S(t)、預(yù)先獲取的所述工件構(gòu)件的格林函數(shù)G(t)和所述信號獲取單元獲取的檢測波形V(t)，計算所述激光照射的輸入函數(shù)工⑴，其中， 所述調(diào)整單元使用所述激光照射的輸入函數(shù)I (t)來調(diào)整所述激光的功率密度。
全文摘要
提供一種評估利用在激光噴丸處理中照射的激光向工件構(gòu)件輸入的沖擊力的方法。這種評估方法包括信號獲取步驟、輸入函數(shù)計算步驟和評估步驟。在信號獲取步驟中，獲取檢測波形。檢測工件構(gòu)件中生成的彈性波的AE傳感器在激光噴丸處理期間輸出檢測波形。在輸入函數(shù)計算步驟中，計算激光照射的輸入函數(shù)I(t)。在評估步驟中，使用激光照射的輸入函數(shù)I(t)來評估沖擊力。
文檔編號G01N29/04GK103052880SQ20118003830
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者榎學(xué), 松井彰則, 小林祐次 申請人:新東工業(yè)株式會社