專利名稱：監(jiān)控的激光沖擊強(qiáng)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬工件的表面強(qiáng)化，更具體地說(shuō)，涉及金屬工件的激光沖擊強(qiáng)化。
背景技術(shù)：
可以通過在金屬零件表面引入剩余壓應(yīng)力來(lái)改進(jìn)這些零件的疲勞強(qiáng)度。這通常是通過利用小的金屬?gòu)椡鑷娚鋸?qiáng)化其表面，使金屬表面層塑性變形和壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)的。必須均勻地強(qiáng)化金屬表面，以確保強(qiáng)化過程的功效。
激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是在強(qiáng)化方面的一種現(xiàn)代發(fā)展，它使用高峰值功率的激光來(lái)產(chǎn)生機(jī)械沖擊波，以便在金屬表面產(chǎn)生壓縮的剩余應(yīng)力。所述過程是這樣進(jìn)行的在金屬表面上涂敷吸收材料，例如黑色涂料或膠帶，以吸收來(lái)自激光束的能量并產(chǎn)生快速膨脹或爆破的等離子體。等離子體產(chǎn)生沖擊波，所述沖擊波能夠使金屬表面塑性變形，以便在所述表面引入剩余壓應(yīng)力。
采用局部地約束等離子體以便集中撞擊金屬表面的爆破壓力的方法，可以大大改進(jìn)LSP。這通常是采用以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的用薄的約束水層覆蓋金屬表面，水在所述表面上不斷流動(dòng)并且在進(jìn)行LSP時(shí)被再填滿。
通過使激光器在脈沖方式下以適當(dāng)?shù)闹貜?fù)頻率或脈沖頻率工作來(lái)產(chǎn)生高功率激光。這樣，可以將每次脈沖的能量最大化，以便使沖擊強(qiáng)化的效果最大化，同時(shí)允許在相繼的激光束脈沖之間將約束水膜再填滿。
由于每次激光脈沖在強(qiáng)化位置產(chǎn)生小爆破，水膜會(huì)暫時(shí)破裂。所以，功率激光器的重復(fù)頻率必須足夠低，以確保在每次強(qiáng)化脈沖之后重新建立適當(dāng)厚度和光滑的水膜，以便有效地約束相繼的脈沖發(fā)射。如果重復(fù)頻率過快，水膜沒有立即重新建立，隨后的激光脈沖就不能受適當(dāng)約束，這樣就削弱了強(qiáng)化過程，降低了它的整體效率。
可以優(yōu)化為L(zhǎng)SP配置的高功率脈沖方式激光器在高平均功率熱負(fù)載下的性能。這種脈沖激光器在相應(yīng)的脈沖頻率下以最大的效率工作。但是，使脈沖激光器在低于其設(shè)計(jì)的脈沖頻率下工作以確保約束膜的重新建立會(huì)導(dǎo)致激光器性能不佳。
目前尚無(wú)實(shí)際可行的方法來(lái)監(jiān)控水膜的質(zhì)量以確保其對(duì)LSP的有效性。在LSP過程中必須非常小心仔細(xì)，確保適當(dāng)?shù)乃ち鬟^工件表面且在每次激光脈沖后又恰當(dāng)?shù)刂匦陆ⅰＤ壳暗淖鞣ㄊ悄繙y(cè)水膜并將脈沖頻率限制在不大于大約每四秒一次脈沖，以確保重新建立合適的限制水膜。
因此，需要提供一種激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，它包括對(duì)約束水膜的自動(dòng)監(jiān)控，以提高激光脈沖的重復(fù)頻率和改進(jìn)LSP過程的效率。

發(fā)明內(nèi)容
脈沖激光器配置成將脈沖激光束投射到工件上面液體膜上的目標(biāo)位置以便對(duì)其進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。采用以下方法來(lái)監(jiān)控液體膜探測(cè)激光器將探測(cè)激光束投射到目標(biāo)位置，并且光檢測(cè)器檢測(cè)所述探測(cè)激光束從目標(biāo)位置的反射。所述檢測(cè)器調(diào)整脈沖激光器的工作，以便對(duì)監(jiān)控的液體膜作出響應(yīng)而發(fā)射脈沖束。


圖1是按照本發(fā)明示范實(shí)施例的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的示意圖。
圖2是經(jīng)歷圖1的激光沖擊強(qiáng)化的工件的放大視圖，圖解說(shuō)明強(qiáng)化過程的示范的方法。
圖3是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的圖1中激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中示出按照本發(fā)明示范實(shí)施例的激光沖擊強(qiáng)化(LSP)系統(tǒng)10的示意圖，所述系統(tǒng)配置成對(duì)金屬工件12的一個(gè)側(cè)面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，以便引入塑性變形并得到剩余壓應(yīng)力。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在圖1中工件12右側(cè)以方框示意地表示一個(gè)完全相同的系統(tǒng)10，用于同時(shí)強(qiáng)化工件的另一側(cè)，此實(shí)施例平衡了引入工件的壓應(yīng)力。所以，所述系統(tǒng)可以用在金屬工件的任何表面上，或單獨(dú)一個(gè)表面或根據(jù)需要同時(shí)強(qiáng)化工件的相對(duì)的表面。
圖2中放大的部分示出的工件12可具有任何傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其外表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。通過以下方法進(jìn)行LSP最初在工件的暴露表面上設(shè)置一層吸光或消融層14以便在LSP過程中吸收光能并形成所需的爆破等離子體。吸收層14可以采取任何傳統(tǒng)的形式，例如將黑色的涂料或膠帶加到工件的暴露表面上。
如圖1所示，設(shè)置包括一個(gè)或多個(gè)噴嘴16的適當(dāng)裝置，以便在工作時(shí)將水18排放到光吸收層14上或沿光吸收層14的工件暴露表面上。如果兩個(gè)表面要同時(shí)強(qiáng)化，則通常需要以同樣方式將水排放到工件的相對(duì)的表面上。工件可以垂直取向，這樣水就垂直向下流過工件表面，在工件上形成較薄的水膜。水膜18在吸收層14上實(shí)現(xiàn)液體約束層，用以局部地約束工作過程中產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)化等離子體。
強(qiáng)化激光器20產(chǎn)生脈沖激光束22并將其投射到工件上液體膜上的目標(biāo)或工作位置24。強(qiáng)化激光器最好是在脈沖方式下工作的高峰值功率的激光器，用以產(chǎn)生高能量激光脈沖，這些脈沖以序列脈沖投射，形成射向目標(biāo)位置24的周期性激光束?？梢曰蛘咭苿?dòng)激光器或者移動(dòng)工件，以便使激光束能夠在需要LSP的工件的整個(gè)暴露器上，以任何傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)激光束和工件之間的這種相對(duì)移動(dòng)。
強(qiáng)化激光器20可以具有任何傳統(tǒng)配置，例如工作在Q開關(guān)方式的摻釹玻璃(Nd玻璃)激光器，其示范功率輸出大于約1千兆瓦。例如，強(qiáng)化激光器20最好包括適當(dāng)增益材料的激光板或棒26，以便對(duì)其進(jìn)行光泵激，以產(chǎn)生激光束。
激光棒26安裝在冷卻外殼中，外殼中包含任何傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)的閃光燈28，用以對(duì)激光棒進(jìn)行光泵激。一對(duì)端面鏡30布置在激光棒的相對(duì)兩端，用以形成在其中產(chǎn)生激光束的諧振腔或振蕩腔。在諧振腔中采用傳統(tǒng)的光學(xué)元件，包括偏振器，用以產(chǎn)生激光束。例如，在諧振腔中使用形式為鮑克爾盒(Pockels Cell)的Q開關(guān)32，用來(lái)從激光器產(chǎn)生高功率脈沖。
高功率脈沖激光器中的Q-突變或Q開關(guān)是慣用的，其詳細(xì)情況可參閱書名為“Solid-State laser Engineering”的書，作者是W.Koechner，第四版，1996，Springer-Verlag，New York，特別在第8章中專門論述了Q開關(guān)。
強(qiáng)化激光器20最好基本上垂直地射向目標(biāo)位置24的工件12。如圖2放大部分所示，使脈沖束22穿過薄水膜18沖擊下面的光吸收層14，光吸收層14吸收激光束能量，并有效地瞬時(shí)爆破，產(chǎn)生由水膜18局部約束的等離子體。
爆破的等離子體產(chǎn)生沖擊波，使目標(biāo)位置的工件的暴露表面塑性變形，留下具有剩余壓應(yīng)力的小表面凹陷。示于圖2中的工件12的較低部分已經(jīng)歷LSP，強(qiáng)化激光束22垂直地來(lái)回移動(dòng)，以便根據(jù)需要在工件的整個(gè)暴露表面上在縱向上以及橫向上繼續(xù)進(jìn)行LSP過程，以在其中形成均勻的塑性變形的壓縮層。
雖然水膜18可以以任何傳統(tǒng)的方式流經(jīng)暴露的工件表面，形成適合的薄約束層，但是，各個(gè)激光脈沖局部爆破，破壞了水膜18的連續(xù)性。所以在相應(yīng)的目標(biāo)位置24上液體膜尚未重新建立時(shí)，不希望放出下一個(gè)激光脈沖。而且，工件表面上的各種凹凸不平本身就會(huì)引起液體膜的局部破壞，如果液體膜的質(zhì)量不夠好或有任何不正常，也不希望發(fā)射激光脈沖。所以圖1所示的LSP系統(tǒng)10包括形式為監(jiān)控器34的裝置，用以自動(dòng)監(jiān)控目標(biāo)位置24的液體膜18的質(zhì)量，用來(lái)在液體膜處于正在使用的特定LSP過程所需的良好質(zhì)量的正常狀態(tài)時(shí)控制強(qiáng)化激光器20。
監(jiān)控器34最好包括探測(cè)激光器36，用以產(chǎn)生探測(cè)激光束38并將其投射到目標(biāo)位置24上，來(lái)檢測(cè)液體膜18的質(zhì)量。目標(biāo)位置本身可以小到和強(qiáng)化激光束22的沖擊位置一樣，或者可以適當(dāng)?shù)卮笮?，以確保液體膜有足夠的質(zhì)量，能以最大的有效性約束爆破的等離子體。探測(cè)激光器36可以是任何傳統(tǒng)的形式，例如氦氖(HeNe)激光器或二極管激光器，最好能發(fā)射在目標(biāo)位置聚焦的連續(xù)波激光束38。
監(jiān)控器還包括光檢測(cè)器40，例如與目標(biāo)位置光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的固體光電檢測(cè)器，用于檢測(cè)探測(cè)束38從目標(biāo)位置的反射。探測(cè)激光器36和光檢測(cè)器40通常以相對(duì)于液體膜平面的相同的斜角A與目標(biāo)位置24對(duì)準(zhǔn)。相反，強(qiáng)化激光束22最好垂直地射向液體膜平面。
系統(tǒng)10還包括形式為電控制器42的裝置，它在操作上連接到強(qiáng)化激光器20和光檢測(cè)器40，用于對(duì)液體膜18的監(jiān)控情況或質(zhì)量作出響應(yīng)而建立脈沖激光束。
圖1所示的強(qiáng)化激光器20產(chǎn)生脈沖激光束22，是以適當(dāng)?shù)拿}沖重復(fù)頻率產(chǎn)生的序列脈沖。在以固定的泵激速率和相應(yīng)的熱條件下對(duì)激光棒26進(jìn)行光泵激時(shí)，Q開關(guān)32以傳統(tǒng)的方式工作以便切換開關(guān)激光器。這樣，可以以提高LSP加工速率所需的特定脈沖重復(fù)頻率使脈沖激光器20的工作效率最大化或?qū)⑵鋬?yōu)化。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，強(qiáng)化激光器20的脈沖重復(fù)頻率顯著地大于每四秒一個(gè)周期(在傳統(tǒng)的LSP中通常都是這樣)，最好每秒至少10個(gè)周期(10赫茲)。高功率脈沖激光器中這種較高的重復(fù)頻率可以用來(lái)使效率和熱負(fù)載條件最大化，并且與LSP過程協(xié)調(diào)工作，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)使強(qiáng)化區(qū)域覆蓋范圍最大化。
在這種比較高的脈沖重復(fù)頻率的情況下，很重要的是要在相應(yīng)短時(shí)間間隔后監(jiān)控液體膜18的情況，以確保在每次激光脈沖后液體膜已重新建立，從而消除激光脈沖射穿較薄液體膜的風(fēng)險(xiǎn)，那樣會(huì)浪費(fèi)這些脈沖且降低LSP過程的整體效率。
如圖1所示，控制器42最好在操作上連接到Q開關(guān)，以便與監(jiān)測(cè)到的液體膜的狀態(tài)相配合地發(fā)射激光束22。
正常工作時(shí)，控制Q開關(guān)以便產(chǎn)生周期性序列的所需激光束脈沖。但是，通過利用光檢測(cè)器40來(lái)監(jiān)測(cè)液體膜40的狀態(tài)，可以僅在檢測(cè)到目標(biāo)位置24處的正常膜18時(shí)，利用控制器42選擇性地啟動(dòng)脈沖激光器20中的Q開關(guān)。
圖2是響應(yīng)液體膜18的監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)對(duì)工件12進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的示范的方法的示意圖，圖1的裝置上標(biāo)注的功能具有相同的標(biāo)號(hào)?？梢杂萌魏畏绞叫纬杀容^光滑的水膜18(就是說(shuō)，成膜表面具有一段足夠慢的移動(dòng)時(shí)間，以便可以利用上述激光監(jiān)控過程來(lái)評(píng)估液體膜的狀態(tài))，膜厚B例如為1.0mm。然后脈沖激光器20工作，發(fā)射一序列激光脈沖到目標(biāo)位置24，所述脈沖序列在工件的整個(gè)表面來(lái)回移動(dòng)。每個(gè)激光脈沖迅速加熱光吸收層14，產(chǎn)生爆破等離子體并相應(yīng)地強(qiáng)化了工件表面。
將探測(cè)激光束38投射到目標(biāo)位置并檢測(cè)從目標(biāo)位置的反射光，不斷地監(jiān)視目標(biāo)位置24的液體膜18。在一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，目標(biāo)位置24有液體膜18存在就會(huì)將探測(cè)激光器的光能以最大幅度反射到光檢測(cè)器40。這個(gè)最大幅度的檢測(cè)光表示脈沖激光器可以繼續(xù)以正常方式工作。
舉例來(lái)說(shuō)，在緊接前一激光脈沖之后，因等離子體爆破而目標(biāo)位置24的液體膜被破壞，探測(cè)激光器38的光就只有很少量(如果有的話)會(huì)反射到光檢測(cè)器40。在液體膜不正常的情況下，控制器42用來(lái)斷開Q開關(guān)32，防止發(fā)出激光脈沖，直到液體膜已適當(dāng)重新建立并將足夠的探測(cè)光反射到檢測(cè)器40為止。
在圖1所示的實(shí)施例中，控制器42具體配置成在邏輯上連接脈沖激光器20和監(jiān)控器34的光檢測(cè)器40，以便當(dāng)監(jiān)控器34探測(cè)到液體膜18處于正常情況(即在目標(biāo)位置處光滑且不中斷)時(shí)啟動(dòng)Q開關(guān)，以及在液體膜處于不正常情況(即在目標(biāo)位置處破壞或不連續(xù))時(shí)斷開Q開關(guān)。此處所用的“配置成”、“適合于”等是指一種數(shù)字或模擬裝置(例如可編程計(jì)算機(jī)，專用集成電路等)可以根據(jù)處理輸入數(shù)據(jù)的算法或方法來(lái)提供所需的輸出信號(hào)。
在圖1所示的實(shí)施例中，控制器42包括主時(shí)鐘44，它產(chǎn)生周期性的時(shí)鐘信號(hào)，或相對(duì)較高和較低的電壓值序列，以實(shí)現(xiàn)脈沖激光器20的所需脈沖重復(fù)頻率。所述系統(tǒng)還包括用于Q開關(guān)32的傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)器46，在先有技術(shù)中，傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)器與主時(shí)鐘44配合，以所需重復(fù)頻率產(chǎn)生激光束脈沖。但在圖1的實(shí)施例中，控制器42，改為和光檢測(cè)器40相配合，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到膜正常時(shí)就啟動(dòng)Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46，當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到膜不正常時(shí)就斷開Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46。
最好根據(jù)本發(fā)明的特征配置控制器，以便使監(jiān)控器，34的輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)器46所控制的脈沖激光器的脈沖頻率同步。最好的作法是引入電信號(hào)調(diào)節(jié)器48，在監(jiān)測(cè)來(lái)自目標(biāo)位置24的光時(shí)使光檢測(cè)器40所產(chǎn)生的高和低的電壓信號(hào)差別最大化。調(diào)節(jié)器可包括適當(dāng)?shù)姆糯笃骱推珘合?，以改善光檢測(cè)器40所產(chǎn)生的電信號(hào)。例如，當(dāng)薄膜18很光滑時(shí)，檢測(cè)器40會(huì)因其上的反射光而產(chǎn)生最大的電壓輸出。當(dāng)激光脈沖引發(fā)爆破等離子體而將薄膜破壞時(shí)，探測(cè)激光束38的反射被中斷，檢測(cè)器40產(chǎn)生相應(yīng)地較低的電壓輸出。在光滑薄膜重新建立起來(lái)后，這個(gè)低電壓輸出又相應(yīng)地升高到其最大值。
邏輯變換器50在操作上連接到信號(hào)調(diào)節(jié)器48，用以產(chǎn)生較高電壓的輸出信號(hào)以對(duì)應(yīng)正常液體膜，表示為邏輯TRUE(真)情況，或者，產(chǎn)生較低數(shù)值的信號(hào)以對(duì)應(yīng)不正常的液體膜，表示為相反的FALSE(假)邏輯值。這樣，邏輯變換器50產(chǎn)生或高或低的輸出信號(hào)，與光檢測(cè)器根據(jù)正常和不正常的液體膜狀態(tài)所產(chǎn)生的高和低的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。
控制器42與邏輯“與”門52配合，邏輯“與”門52在操作上通過信號(hào)調(diào)節(jié)器48和邏輯變換器50連接到光檢測(cè)器40?！芭c”門52在操作上連接到Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46和主時(shí)鐘44。這樣，Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46被啟動(dòng)，以便按傳統(tǒng)方式以對(duì)應(yīng)于主時(shí)鐘44的時(shí)鐘脈沖所需的脈沖頻率發(fā)出脈沖，但引入“與”門52就通過與之合作的邏輯變換器50使Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器與光檢測(cè)器40的工作同步。
當(dāng)光檢測(cè)器40產(chǎn)生與正常液體膜狀態(tài)對(duì)應(yīng)的較高的輸出電壓時(shí)，邏輯變換器50也相應(yīng)地產(chǎn)生高或“真”值，所述高或“真”值在“與”門52與來(lái)自主時(shí)鐘44的信號(hào)相組合時(shí)，如果邏輯變換器50的信號(hào)高峰值與主時(shí)鐘信號(hào)的相應(yīng)的高峰值相匹配，就啟動(dòng)Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。但是，當(dāng)光檢測(cè)器40產(chǎn)生與不正常液體膜狀態(tài)對(duì)應(yīng)的低輸出電壓時(shí)，邏輯變換器50產(chǎn)生低或“假”值，所述低或“假”值使“與”門52斷開Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，而不論主時(shí)鐘的信號(hào)如何。
這樣，通過引入監(jiān)控器34和與之配合的“與”門52，Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46僅在監(jiān)控器允許時(shí)方可啟動(dòng)。這樣，脈沖激光器20就可設(shè)計(jì)和配置成在所需脈沖頻率下使效率最大化并以所述脈沖頻率工作，僅當(dāng)需要確保建立正常薄膜(即，足以支持上述激光強(qiáng)化過程的薄膜)時(shí)，才通過斷開Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46來(lái)中斷脈沖束22。
脈沖激光器20還包括傳統(tǒng)的閃光燈驅(qū)動(dòng)器54，它連接到到主時(shí)鐘44以便與其工作同步。但最好利用Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46代替閃光燈驅(qū)動(dòng)器54來(lái)控制脈沖激光器20，以便獲得激光器的最大效率，激光器是以固定的泵激速率和熱條件進(jìn)行光泵激的。
在圖1所示的基本實(shí)施例中，控制器42配置成對(duì)檢測(cè)器40檢測(cè)到的反射探測(cè)束38的相對(duì)強(qiáng)度或幅度作出響應(yīng)來(lái)控制脈沖激光器20的工作。目標(biāo)位置的光滑水表面能最好地反射探測(cè)束供檢測(cè)器40接收，在這種情況下，檢測(cè)到的來(lái)自目標(biāo)位置的相應(yīng)較高的反射幅度與所述正?；蚬饣∧は嚓P(guān)聯(lián)，而被前一激光脈沖破壞的不正常薄膜就會(huì)反射很少(如果有的話)的探測(cè)束到檢測(cè)器40，使檢測(cè)器測(cè)量到較低幅度的反射光。
可以通過以下方法來(lái)增強(qiáng)光檢測(cè)器40的性能引入聚焦透鏡56，它在檢測(cè)器40和目標(biāo)位置24之間光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，用于收集反射光并將其聚焦到檢測(cè)器上。針孔光闌58可以在檢測(cè)器40和透鏡56之間光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，以便在LSP過程中區(qū)別在目標(biāo)位置上探測(cè)束的高度平行的鏡面反射和緊接激光脈沖爆破之后來(lái)自破壞的目標(biāo)位置的散射或彌散光束。
窄帶帶通濾光器60可以光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在檢測(cè)器40和光闌58之間，用以減少或消除不需要的背景光，例如從爆破的等離子體自身發(fā)出的寬帶光。濾光器60的通過波長(zhǎng)最好集中在探測(cè)激光束38的波長(zhǎng)上，以確保能檢測(cè)探測(cè)激光器的光，而不是不需要的背景光。
如上所述，信號(hào)調(diào)節(jié)器48通過區(qū)分對(duì)應(yīng)于水膜18的正常和不正常光滑度的相對(duì)高和低的信號(hào)幅度來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光檢測(cè)器40發(fā)出的結(jié)果信號(hào)。已調(diào)節(jié)信號(hào)在邏輯變換器50處轉(zhuǎn)換為邏輯“真”(TRUE)或“假”(FALSE)電壓電平，并在邏輯“與”門52處與來(lái)自主時(shí)鐘44的信號(hào)相結(jié)合，僅當(dāng)光檢測(cè)器40檢測(cè)到“真”(TRUE)或正常信號(hào)時(shí)才啟動(dòng)Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46。反之，在檢測(cè)器40發(fā)出“假”(FALSE)或不正常的信號(hào)，表示薄膜暫時(shí)不足以進(jìn)行有效的LSP處理時(shí)，驅(qū)動(dòng)器46被斷開。
在圖1和2所示的基本實(shí)施例中，檢測(cè)到的水膜18的質(zhì)量可以只是其相對(duì)的光滑度，這種光滑度使得可能有探測(cè)束38的可檢測(cè)的反射光反射到光檢測(cè)器40。為了進(jìn)一步改善LSP過程，需要實(shí)時(shí)測(cè)量水膜18的實(shí)際厚度，例如，所述厚度應(yīng)大于0.5mm。但是，薄膜18的厚度測(cè)量必須就地和實(shí)時(shí)完成，且不破壞薄膜本身。雖然超聲裝置常用來(lái)測(cè)量厚度，通常是固體零件的厚度，但用來(lái)測(cè)量水的厚度時(shí)，它們會(huì)是侵入性的，并會(huì)破壞所測(cè)量的水膜。
于是，圖3示出了對(duì)圖1所示的部分LSP系統(tǒng)10的改動(dòng)，現(xiàn)在包括監(jiān)控器34A，它特別配置成測(cè)量目標(biāo)位置24處水膜18的厚度B。大約0.5mm的最小厚度B已足以對(duì)應(yīng)于水膜18所需的正常厚度，較小或不足的厚度則對(duì)應(yīng)于不正常的水膜，這種情況通常在目標(biāo)位置上激光脈沖爆破后立即發(fā)生。
如圖2所示，探測(cè)束38以適當(dāng)?shù)男比肷浣茿射向目標(biāo)位置24，在目標(biāo)位置產(chǎn)生兩次反射。第一次反射就是水膜表面的鏡面反射。第二次反射是入射光束進(jìn)入水膜的折射、與工件交界面處的反射、以及從薄膜表面向外的折射等的結(jié)果，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)大致平行于鏡面反射但與之相距位移C的光束。
通過測(cè)量位移間距C，就可從傳統(tǒng)的光學(xué)分析確定膜厚B。具體地說(shuō)，兩次反射之間的間距C等于膜厚B和兩次入射角A的正弦的乘積除以水的折射率n的平方(即n＝1.33)和入射角正弦的平方之間的差的平方根。于是，C＝Bsin2A/(n2-sin2A)1/2所述關(guān)系的曲線表示間距C總是小于膜厚B，這就增加了測(cè)量從幾百微米到大約1.0mm厚的小薄膜的困難。適用的傳統(tǒng)HeNe型探測(cè)激光器具有的光束直徑大約為1.0mm，等于或大于薄膜的所需厚度。
而且如圖2所示的水表面是平整的，實(shí)際上水表面還可能包括波紋，它們相應(yīng)地會(huì)聚或發(fā)散這兩次反射并改變投射位移間距C的大小。另外，典型的工件表面比較粗糙，與從水表面的鏡面反射相比其反射探測(cè)束的成分相應(yīng)減小了幅度。但這些困難可以利用圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施例加以克服，圖中形式為二維平面陣列40A的多個(gè)光檢測(cè)器與目標(biāo)位置24光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，用以檢測(cè)反射的圖像。與之配合的成像透鏡62光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在檢測(cè)器陣列40A和目標(biāo)位置24之間，用于將目標(biāo)位置的圖像聚焦到檢測(cè)器陣列上。成像透鏡62包括多個(gè)與之配合的透鏡，用于將目標(biāo)位置圖像轉(zhuǎn)換并聚焦到檢測(cè)器陣列40A上。例如在一個(gè)測(cè)試實(shí)施例中曾使用傳統(tǒng)復(fù)印機(jī)的四透鏡組來(lái)將目標(biāo)位置圖像中轉(zhuǎn)到檢測(cè)器陣列上。檢測(cè)器陣列可以是傳統(tǒng)的電荷耦合器件(CCD)形式，例如在攝像機(jī)中通常所用的那樣，用來(lái)捕獲圖像。
聚焦透鏡64光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在探測(cè)激光器36和目標(biāo)位置24之間，用以將探測(cè)激光束聚焦到目標(biāo)位置上。例如，起初1.0mm直徑的HeNe激光束可以聚焦為小到大約0.05mm，以便改善對(duì)目標(biāo)位置上兩個(gè)反射束之間的鑒別，用來(lái)測(cè)量二者之間的間距C。
盡管工作時(shí)水膜18有波紋，引起兩個(gè)反射束會(huì)聚或發(fā)散，如圖3中虛線所示，但仍然可以獲得反射源的精確成像。這樣，就可獲得橫向偏移的兩個(gè)反射束的精確圖像并作適當(dāng)測(cè)量。
工作時(shí)，聚焦透鏡64將探測(cè)束38聚焦到目標(biāo)位置24上，透鏡的焦距最好準(zhǔn)確地等于透鏡和水表面上目標(biāo)位置之間的距離。聚焦束從水表面反射，也從與工件的交界面反射，這兩個(gè)反射束都由成像透鏡62捕獲，成像透鏡62將圖像中轉(zhuǎn)到檢測(cè)器陣列40A上。然后來(lái)自陣列的圖像可由控制器42適當(dāng)處理，以測(cè)定束間距C以及膜厚B。
成像透鏡62將來(lái)自水表面和工件表面的反射點(diǎn)的圖像中轉(zhuǎn)到檢測(cè)器陣列上，兩個(gè)反射圖像之間有相應(yīng)的間距D，所述間距基本上不受水膜波紋的影響。在陣列40A上成像的反射點(diǎn)的間距D與在空氣中測(cè)量的間距C相關(guān)，其中這些反射點(diǎn)是由成像透鏡62所用的相應(yīng)放大值在目標(biāo)位置上建立的。這樣，利用上述數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)在陣列40A上檢測(cè)到的反射點(diǎn)的間距C和相應(yīng)的間距D，可以容易地確定膜厚B。
所以，控制器42在操作上與檢測(cè)器陣列40A相結(jié)合并例如配置有適當(dāng)?shù)能浖?lái)測(cè)量間距D，而間距D又表示探測(cè)束從水膜表面的反射和在目標(biāo)位置上從水膜下工件表面的反射之間的間距C。
傳統(tǒng)的圖像分析軟件可以用來(lái)識(shí)別檢測(cè)器陣列40A所檢測(cè)的兩個(gè)反射點(diǎn)，并精確地測(cè)量其間的距離。
控制器42還可以進(jìn)一步配置另外的軟件，用以根據(jù)測(cè)量的間距距離D，從上述數(shù)學(xué)表達(dá)式以及間距C、間距D和成像透鏡62的放大值之間的上述關(guān)系來(lái)測(cè)定或計(jì)算水膜18的厚度B。然后控制器將測(cè)量的膜厚B與儲(chǔ)存的參考值(例如0.5mm)進(jìn)行比較，以便確定所述膜厚是否足以或不足以進(jìn)行LSP處理。
和圖1實(shí)施例所述的方式類似，控制器42可以同樣配置有邏輯變換器50并和“與”門52合作，在測(cè)量到足夠的膜厚時(shí)啟動(dòng)Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器42，此時(shí)變換器50向“與”門52提供邏輯“真”值。在測(cè)量到膜厚不足時(shí)，邏輯變換器50產(chǎn)生“假”值，將其提供給“與”門52，以斷開Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器42。這樣，脈沖激光器20可以以上述同樣的方式工作，具有同樣的優(yōu)點(diǎn)，并由用改型的監(jiān)控器34A所測(cè)量的水膜18的厚度進(jìn)行控制。
利用成像透鏡62的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)在于膜厚B的測(cè)量相對(duì)不受有波紋的水表面的具體傾斜特性的影響。目標(biāo)位置上的兩個(gè)反射點(diǎn)將以相應(yīng)的間距精確成像到檢測(cè)器陣列40A的焦面上，無(wú)論水表面有無(wú)波紋及其大小如何，點(diǎn)間距完全由成像透鏡62的放大倍數(shù)確定。
所述監(jiān)控器還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，無(wú)論工件表面的粗糙度或彌散性如何，其散射的部分光總會(huì)進(jìn)入成像透鏡62并被成像到檢測(cè)器陣列上以供檢測(cè)。所以，甚至非鏡面，或粗糙的表面也可用此方式加以處理和監(jiān)控。
可以通過選擇特定的成像透鏡62以及工件和檢測(cè)器陣列40A之間的間距來(lái)改變和度量監(jiān)控器34A的靈敏度。使成像透鏡62的間距相應(yīng)加大，且使工件和檢測(cè)器陣列40A之間的間距相應(yīng)加大，就可容易地提高測(cè)量膜厚的靈敏度和精確度。
通過在檢測(cè)器陣列40A和成像透鏡62之間引入光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的可調(diào)光闌66，可以獲得另外的優(yōu)點(diǎn)。所述光闌可用來(lái)調(diào)節(jié)陣列上的水表面反射的光束成分和工件反射的光束成分的相對(duì)亮度。水表面的鏡面反射通常比工件的反射要亮得多，它們的相對(duì)亮度就可用光闌66來(lái)調(diào)節(jié)，以改善反射之間的鑒別和間距測(cè)量。如果需要，可以通過在所需反射點(diǎn)和透鏡62之間插入傳統(tǒng)的中性密度濾光器來(lái)衰減任一反射點(diǎn)的亮度。
在又一實(shí)施例中，可用遠(yuǎn)心透鏡來(lái)代替成像透鏡62。在圖像空間是遠(yuǎn)心的透鏡不會(huì)隨焦距而改變檢測(cè)器陣列40A的圖像間距。這樣，檢測(cè)器陣列40A上兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的間距的測(cè)量就對(duì)焦點(diǎn)的位置不敏感。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可用來(lái)減少因建立監(jiān)控器設(shè)施的誤差而引起的測(cè)量變化。
對(duì)按圖3配置的監(jiān)控器進(jìn)行的測(cè)試已精確測(cè)量了在大約0.1mm到大約1.5mm的范圍內(nèi)的水層厚度，盡管水有波動(dòng)。所以，這種監(jiān)控器可以有效地組合到圖1所示的LSP系統(tǒng)中，用來(lái)啟動(dòng)和斷開Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器46以及控制脈沖激光器20的工作，以確保在實(shí)時(shí)LSP處理時(shí)有適當(dāng)?shù)哪ず?，以脈沖激光器自身的最佳性能顯著提高處理速率。
雖然僅對(duì)本發(fā)明的某些優(yōu)選特性作了圖示和說(shuō)明，但本專業(yè)的技術(shù)人員可以想到許多修改和變化。因此，顯然，所附權(quán)利要求書應(yīng)覆蓋在本發(fā)明真實(shí)精神范圍內(nèi)的全部所述修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)其上具有約束液體膜的工件(12)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括強(qiáng)化激光器(20)，用于將脈沖激光束(22)投射到所述工件上目標(biāo)位置(24)的所述液體膜上；監(jiān)控器，它監(jiān)控(34)所述目標(biāo)位置的所述薄膜(18)，所述監(jiān)控器包括用于將探測(cè)激光束(38)投射到所述目標(biāo)位置上的探測(cè)激光器和與所述目標(biāo)位置光學(xué)對(duì)準(zhǔn)并用于檢測(cè)所述探測(cè)激光束從所述目標(biāo)位置的反射的光檢測(cè)器(40)；以及控制器(42)，它在操作上連接到所述強(qiáng)化激光器(20)和所述檢測(cè)器(40)，用于對(duì)所述監(jiān)控膜的質(zhì)量作出響應(yīng)而啟動(dòng)所述脈沖激光束。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述強(qiáng)化激光器(20)包括光泵激的激光棒和Q開關(guān)(32)以便以某一脈沖重復(fù)頻率產(chǎn)生所述脈沖光束，所述控制器(42)在操作上連接到所述Q開關(guān)以便對(duì)所述監(jiān)控膜的質(zhì)量作出響應(yīng)而發(fā)射所述脈沖激光束。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述強(qiáng)化激光器(20)還包括用于所述Q開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器(46)；所述系統(tǒng)還包括主時(shí)鐘(44)，用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)以實(shí)現(xiàn)所述脈沖頻率；所述控制器(42)配置成當(dāng)所述檢測(cè)器檢測(cè)到所述膜的質(zhì)量正常時(shí)，所述控制器(42)啟動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)器，而當(dāng)所述檢測(cè)器檢測(cè)到所述膜的質(zhì)量不正常時(shí)，所述控制器(42)禁止所述驅(qū)動(dòng)器工作。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于包括邏輯“與”門(52)，所述邏輯“與”門(52)操作上連接到所述檢測(cè)器(40)和所述Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(46)，以便當(dāng)所述檢測(cè)器產(chǎn)生較高電壓時(shí)啟動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)器，而當(dāng)所述檢測(cè)器產(chǎn)生較低電壓時(shí)禁止所述驅(qū)動(dòng)器工作。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括聚焦透鏡(56)，它光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在所述檢測(cè)器(40)和所述目標(biāo)位置(24)之間；針孔光闌(58)，它光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在所述檢測(cè)器(40)和所述透鏡(56)之間；以及帶通濾光器(60)，它光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在所述檢測(cè)器(40)和所述光闌(58)之間。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述強(qiáng)化激光器(20)的所述脈沖重復(fù)頻率為至少每秒10周。
7.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括在平面陣列(40A)中的多個(gè)光檢測(cè)器，用于檢測(cè)圖像；以及成像透鏡(62)，它光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在所述光檢測(cè)器陣列和所述目標(biāo)位置之間，用于將所述目標(biāo)位置的圖像聚焦到所述光檢測(cè)器陣列上。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器(42)配置成對(duì)所述探測(cè)束從所述薄膜表面的第一反射和所述探測(cè)束從所述薄膜下的所述工件表面的第二反射之間的距離進(jìn)行測(cè)量。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器(42)配置成根據(jù)所述測(cè)量的距離來(lái)確定所述目標(biāo)位置上所述薄膜的厚度，并且配置成當(dāng)膜厚度足以進(jìn)行有效的強(qiáng)化時(shí)啟動(dòng)所述Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(46)，而當(dāng)膜厚不足以進(jìn)行有效的強(qiáng)化時(shí)禁止所述Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器工作。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括聚焦透鏡(64)，它光學(xué)對(duì)準(zhǔn)在所述探測(cè)激光器(36)和所述目標(biāo)位置(24)之間，用于將所述探測(cè)光束聚焦到所述目標(biāo)位置。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于所述成像透鏡(62)包括多個(gè)合作透鏡，用于將所述目標(biāo)位置圖像轉(zhuǎn)換到所述檢測(cè)陣列(40A)上。
全文摘要
一種脈沖激光器(20)配置成將脈沖激光束(22)投射到工件(12)上目標(biāo)位置(24)的液體膜(18)上，以便對(duì)工件進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。液體膜由探測(cè)激光器(36)和光檢測(cè)器(40)監(jiān)控，探測(cè)激光器將探測(cè)激光束投射到目標(biāo)位置上，光檢測(cè)器(40)檢測(cè)探測(cè)光束從目標(biāo)位置上的反射。脈沖激光器由檢測(cè)器協(xié)調(diào)動(dòng)作，以便對(duì)監(jiān)控的薄膜狀態(tài)作出響應(yīng)而發(fā)射脈沖光束。
文檔編號(hào)C23C26/00GK1611615SQ20041009053
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者R·E·小沃倫, P·R·斯特夫亞 申請(qǐng)人:通用電氣公司