基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法 |
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| 申请号 | CN202110513382.8 | 申请日 | 2021-05-11 | 公开(公告)号 | CN113390963B | 公开(公告)日 | 2023-03-31 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 张志芬; 刘子岷; 秦锐; 李耿; 何卫锋; 温广瑞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于时窗 能量 衰减系数的 激光冲击强化 质量 在线监测方法，该方法利用激光冲击加工过程中产生的动态声发射 信号 ，对同步采集的2通道声发射信号进行融合取算术均值；另一方面，借助声信号衰减理论，对声发射信号进行时域分窗处理，计算窗口信号能量并采用指数衰减函数y＝aebx对其进行拟合，更加能揭示声发射信号在 工件 材料中指数衰减规律，提高了声发射信号的物理意义，并提取拟合参数b作为特征参数，具有较强的表征能 力 和鲁棒性，有助于提高实际生产应用中的准确度及 稳定性 。本发明特征提取简便快捷，状态响应良好，稳定可靠，成本较低，工程实用性强，为实现激光冲击强化质量的在线监测提供高效的技术实现途径。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法技术领域[0001] 本发明属于激光冲击强化加工与智能检测技术领域，具体涉及一种基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法。 背景技术[0002] 激光冲击强化技术(Laser Shocking Peening，LSP)又称激光喷丸，是一种用于金属表面强化的新型工艺技术。利用短脉冲、高功率密度的激光束诱导工件表面的能量吸收层产生高温高压的等离子冲击波，进而在加工工件表面产生一定深度的残余压应力影响层，大大提高工件的抗疲劳强度及耐磨损性能等，与传统的喷丸、滚压等表面改性技术相比，激光冲击强化工艺技术具有无接触、无热影响区、强化效果佳、可控性强等突出优点，在航空航天、海洋船舶、石油化工等领域拥有巨大的应用前景。 [0003] 激光冲击强化过程中，激光能量大小、光斑直径、激光冲击次数等因素都会影响激光冲击强化质量。激光冲击强化加工的质量可通过加工工件表面的残余应力大小衡量，然而现有的残余应力检测方法主要是采用一系列离线、具有破坏性的检测方法，如：小孔法、X射线衍射法等，在工程化阶段，考虑到加工环境、效率及工件成本等因素，这些传统检测方法均存在较大弊端。因此，为实现激光冲击强化技术的工业化应用和实际生产，就必须开发该工艺技术的在线实时无损监测技术。 [0004] 针对现有的激光冲击强化在线监测方法，中国专利号CN 108956782 A发明了一种基于声波频率的激光冲击强化在线检测方法，通过实时检测比较激光冲击过程中的声波频率信号与信号库中的声波频率信号，实现激光冲击效果的在线检测。中国专利号CN 101482542 A发明了一种基于冲击波波形特征的在线检测方法和装置，通过将空气中传播的冲击波振幅和脉冲宽度与标准振幅和脉冲宽度比较，从而实现激光冲击强化质量的在线检测。 [0005] 在激光冲击强化动态过程中，产生的声发射信号会随着传播过程中工件材料组织的吸收、折射、反射等现象逐渐衰减，因此声发射信号所包含的动态变化信息能够反映加工工件材料组织的变化。而现有的在线监测方法没有从理论上分析声发射信号与加工工件组织的动态变化关系，提取能够反映声发射信号动态衰减的特征对激光冲击强化质量进行表征，而是直接提取激光冲击过程中产生的声波信号幅值、频率等特征，因此在线监测过程中易受到噪声干扰，可靠性及准确率较低，鲁棒性较弱，难以在实际生产中推广应用。 发明内容[0006] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法。本发明充分利用激光冲击加工过程中产生的声发射信号，借助声信号衰减理论，对声发射信号进行时域分窗处理，提取窗口信号能量特征并采用指数函数对其进行拟合，基于拟合参数b对激光冲击残余压应力进行表征，简单快速，实时性好，鲁棒性高，工程实用性强。 [0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0008] 基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法，包括以下步骤： [0009] 步骤一：依次连接声发射压电式传感器、前置放大器、A/D数据采集卡、工控机等声发射信号采集设备，将声发射压电式传感器采集端陶瓷面通过工业耦合剂与待加工金属表面紧密贴合，与冲击区域中心保留设定距离；激光冲击加工过程中，2个布置于冲击点两侧并与激光加工中心等距的声发射传感器完成声发射信号的同步实时采集； [0011] 步骤三：对双通道降噪后的声发射信号融合取算术均值，得到均值融合后的声发射信号X(t)； [0013] 步骤五：根据信号时域能量计算公式，计算每个时域窗口信号Xn(t)的能量值，并bx利用指数函数y＝ae 对10个时窗能量进行拟合，获得拟合后的衰减参数b，以此表征激光冲击强化过程工件表面的残余压应力，对强化质量进行实时监测。 [0014] 本发明进一步的改进在于，步骤一中，用于激光冲击过程中声发射信号采集的传感器为RS‑2A型声发射压电式传感器，其灵敏度为80dB±5dB，频率响应范围为50Hz～400kHz，设置前置放大器的放大增益为20dB，A/D数据采集卡的采样频率为3MHz，利用数据采集卡对声发射信号进行滤波、采集及存储。 [0015] 本发明进一步的改进在于，步骤二中，采用db4小波对声发射信号进行小波降噪，具体为用db4小波对声发射信号进行6层小波分解，最底层第一个节点(6,0)对应的频段范围为0～23437.5Hz，设定阈值，对节点(6,0)对应的小波系数中大于阈值的小波系数保留，小于阈值的小波系数置0，最后依次对各分解层进行信号重构，从而得到小波降噪声发射信号。 [0016] 本发明进一步的改进在于，步骤三中，为提高信号抗干扰能力，对2个通道同步采集的同一激光冲击点处的降噪声发射信号融合取均值，从而得到2通道融合声发射信号X(t)。 [0017] 本发明进一步的改进在于，步骤四中，对2通道融合声发射信号X(t)在时域进行分窗处理，窗口大小为1000个采样点，窗口之间无重叠，共分10窗，获得分窗后的窗口信号Xn(t)，其中n＝1,2,3…,10。 [0018] 本发明进一步的改进在于，步骤五中，根据信号时域能量计算公式[0019] [0020] 其中n为信号采样点数，yk为对应采样点幅值；提取每个时域窗口信号Xn(t)的能量bx值En(t)，并利用指数函数y＝ae 对10个时窗能量进行拟合，获得拟合后的衰减参数b。 [0021] 本发明进一步的改进在于，步骤五中，基于激光冲击声发射信号时窗能量指数衰减拟合后的衰减参数b，表征激光冲击强化过程工件表面的残余压应力，对强化质量进行实时监测。 [0022] 与现有技术相比，本发明充分利用了激光冲击加工过程产生的动态声发射信号，对同步采集的2通道声发射信号进行融合取算术均值，从而提高声发射信号的抗干扰能力；另一方面，本发明借助声信号衰减理论，对声发射信号进行时域分窗处理后，提取最能反映bx 声发射信号动态变化过程的能量特征并采用指数函数y＝ae 对其进行拟合，采用拟合参数b对激光冲击残余压应力进行表征，简单快速，实时性好，鲁棒性高，工程实用性强。 附图说明 [0023] 图1为本发明流程图； [0024] 图2为本发明实施例中激光冲击强化过程中声发射压电式传感器安装及材料内部声发射信号采集示意图； [0025] 图3为本发明实施例中待冲击加工的金属材料形状尺寸；其中a为正视图，b为侧视图，c为俯视图； [0026] 图4为本发明实施例中声发射信号利用小波阈值去噪前后的时域波形图；其中a为去噪前时域图，b为去噪后时域图； [0027] 图5为本发明实施例中声发射信号利用小波阈值去噪前后的幅频谱图；其中a为去噪前幅频谱图，b为去噪后幅频谱图； [0028] 图6为本发明实施例中2通道融合后声发射信号时域分窗图； [0029] 图7为本发明实施例中不同冲击次数声发射信号窗口能量柱状图； [0030] 图8为本发明实施例中不同冲击次数声发射信号窗口能量指数拟合图； [0031] 图9为本发明实施例中指数拟合参数b随激光冲击次数变化关系图； [0032] 附图标记说明： [0033] 1‑工控机，2‑A/D数据采集卡，3‑前置放大器，4‑声发射压电式传感器，5‑水约束层，6‑能量吸收层，7‑待加工金属板材，8‑激光冲击点。 具体实施方式[0034] 为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案及数据分析方式更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 [0035] 声发射信号采集技术为现有技术，在此仅对采集系统关键设备及型号参数进行简要说明。在激光冲击强化过程中，将2个RS‑2A型声发射压电式传感器4等距安装在激光冲击点两侧，其灵敏度为80dB±5dB，频率响应范围为50Hz～400kHz，用于声发射信号的实时采集。并依次连接前置放大器3、A/D数据采集卡2、工控机1等声发射信号采集设备，其中设置前置放大器3的放大增益为20dB，用于信号的放大，模数转换及降噪，A/D数据采集卡2完成对数据的采集，设置采样频率为3MHz，工控机1完成对数据的存储与分析。 [0036] 参见图1，本发明提供的基于时窗能量衰减系数的激光冲击强化质量在线监测方法，包括以下步骤： [0037] 步骤一，依次连接声发射压电式传感器、前置放大器、A/D数据采集卡、工控机等声发射信号采集设备，将声发射压电式传感器采集端陶瓷面通过工业耦合剂与待加工金属表面紧密贴合，与冲击区域中心保留一段距离；激光冲击加工过程中，位于冲击点两侧与激光加工中心等距的2个声发射传感器完成声发射信号的同步实时采集；如图2所示为激光冲击强化过程中待加工金属工件及声发射信号采集系统的连接示意图。 [0038] 步骤二，以3MHz的采样率采集激光冲击加工过程中产生的实时声发射信号，为了消除声发射信号采集过程中噪声的干扰，提高信号的信噪比，获得无低频噪声干扰的降噪声发射信号，采用db4小波对声发射信号进行小波降噪，具体为用db4小波对声发射信号进行6层小波分解，最底层第一个节点(6,0)对应的频段范围为0～23437.5Hz，设定相应阈值，对节点(6,0)对应的小波系数中大于阈值的小波系数保留，小于阈值的小波系数置0，最后依次对各分解层完成信号重构，从而得到小波降噪声发射信号。 [0039] 步骤三，为提高信号抗干扰能力，对步骤二获得的2个通道同步采集的同一激光冲击点处的降噪声发射信号融合取均值，从而得到2通道融合后的声发射信号X(t)。 [0040] 步骤四，对步骤三获得的2通道融合声发射信号X(t)在时域进行分窗处理，窗口大小为1000个采样点，窗口无重叠，共分10窗，获得分窗后的窗口信号Xn(t)，其中n＝1,2,3…,10； [0041] 步骤五，根据信号时域能量计算公式 [0042] [0043] 其中n为信号采样点数，yk为对应采样点幅值；提取步骤四获得的每个时域窗口信bx号Xn(t)的能量值En(t)，并利用指数函数y＝ae 对10个时窗能量进行拟合，获得拟合后的衰减参数b，并以此表征激光冲击强化过程工件表面的残余压应力，对强化质量进行实时监测。 [0044] 实施例： [0045] 如图2所示为本实施例中待冲击金属工件和声发射采集系统的安装连接示意图。本实施例中依次连接声发射压电式传感器、前置放大器、A/D数据采集卡、工控机等声发射信号采集设备，并将2个同型号声发射传感器的采集端通过工业耦合剂等距安装在激光冲击点两侧完成声发射信号的实时同步采集，距离冲击中心60mm，设置采样率为3MHz。本次实施例所采用的激光冲击工艺参数为：单脉冲激光能量3J，光斑直径3mm，约束层5为稳定流水，能量吸收层6采用黑胶带。本次实施例中，分别选择对待冲击加工金属工件单点冲击1～ 3次. [0046] 如图3所示为本实施例中待加工金属板材的形状及尺寸大小示意图，其中(a)为正视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图。实施例所采用的金属板材为方形，其长为300mm，宽为50mm，厚度为4mm。 [0047] 本实施例中激光器发射的短脉冲、高功率密度的激光束透过水约束层5后，照射到待冲击区域8，粘贴于待冲击区域的能量吸收层黑胶带6吸收激光能量并迅速气化产生高温高压的等离子体，在水约束层的约束下向工件内部传播从而激发内部弹性波信号，由安装在冲击点两侧的声发射传感器采集，并存储至工控机。按照本发明步骤二完成原始声发射信号的db4小波硬阈值降噪处理，如图4所示为原始声发射信号和db4小波硬阈值降噪处理后的声发射信号时域波形图，如图5所示为原始声发射信号和db4小波硬阈值降噪处理后的频域幅值图。按照本发明步骤三和步骤四完成降噪声发射信号的2通道融合并在时域完成融合声发射信号的分窗处理，如图6所示为2通道融合声发射信号时域分窗图。按照本发明步骤五中时域信号能量的计算公式，计算1、2、3次激光冲击各时域窗口能量数值，并用指数bx函数y＝ae 分别进行拟合，如表1所示分别1、2、3次冲击对应10个窗口的能量大小，如图7所示为1、2、3次冲击声发射信号对应10个窗口的能量柱状图，如图8所示为1、2、3次冲击窗口能量指数拟合曲线图。 [0048] 表1第1、2、3次激光冲击对应10个时域窗口能量大小 [0049] [0050] 在本实施例中，用指数函数y＝aebx分别对1、2、3次激光冲击的去噪声发射信号窗口能量进行拟合，获得反映声发射信号衰减程度的拟合系数b，结合激光冲击次数与残余应力之间的变化关系，从而建立拟合系数b与残余应力之间的变化关系。如表2所示为不同激光冲击次数的拟合系数b，如图9所示为拟合系数b随激光冲击次数的变化图。 [0051] 表2拟合系数随激光冲击次数变化 [0052] [0053] 通过上述实验及实施例可见，本发明充分分析利用了激光冲击加工过程产生的动态声发射信号，对同步采集的2通道声发射信号进行融合取算术均值，从而提高声发射信号的抗干扰能力；另一方面，本发明借助声信号衰减理论，对声发射信号进行时域分窗处理bx后，提取最能反映声发射信号动态变化过程的能量特征并采用指数函数y＝ae 对其进行拟合，采用拟合参数b对激光冲击残余压应力进行表征，简单快速，实时性好，鲁棒性高，工程实用性强。 |
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