光纤激光干涉测量激光冲击强化自由表面速度.pdf

中国科学: 物理学 力学 天文学 2012 年 第42 卷 第8 期: 861–868 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 光纤激光干涉测量激光冲击强化自由表面速度 ①* ① ② ①* ① ① 宋宏伟 , 吴先前 , 王健 , 黄晨光 , 魏延鹏 , 王曦 ① 中国科学院力学研究所, 水动力学与海洋工程重点实验室, 北京 100190; ② 北京交通大学, 光信息科学与技术研究所, 北京 100044 *联系人, 宋宏伟, E-mail: songhw@; 黄晨光, E-mail: huangcg@ 收稿日期: 2012-3-27; 接受日期: 2012-05-14; 网络出版日期: 2012-07-17 中国科学院装备研制项目(编号: YZ200930)和国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 光纤激光干涉(PDV)是最近几年发展起来的一种新型测速技术, 在某些领域已逐渐取代任意反 射面测速(VISAR), 但在低速且短瞬时快速变化的质点速度测量方法和数据处理技术还不成熟. 本文针 对激光冲击强化过程中靶材自由表面速度这一具有典型短瞬时、速度剧烈波动、速率变化大等特征的非 平稳信号进行PDV 测量, 比较了短时傅里叶变换和连续小波变换的处理结果. 研究表明, PDV 对弹塑性 金属材料的激光冲击强化自由表面速度能够进行准确测量, 获得了符合理论分析的测量结果, 特别是捕 捉到了弹性前驱波; 连续小波变换处理效果显著优于短时傅里叶变换. 关键词 激光干涉, 激光冲击强化, 冲击波, 质点速度, 时频变换 PACS: 06.30.Gv, 07.05.Fb, 45.50.-j doi: 10.1360/132012-341 激光冲击强化(Laser Shock Peening, LSP)是近些 LSP 的靶材自由表面速度测量对于研究激光诱 年来迅速发展起来的一种新型金属表面处理技术. 导的压力特征、冲击波传播和衰减规律以及材料在超 其基本原理是, 在短脉冲、高功率密度激光作用下, 高应变率下的动态本构关系、变形与破坏行为具有重 靶材表面涂覆的吸收层迅速气化、电离, 产生高温高 要意义. 当短脉冲高能量激光器的功率密度达到 10 压的等离子体并快速膨胀, 受透明介质的约束作用 GW/cm2, 其诱导的等离子体压力峰值接近 10 GPa, 形成向靶材内部传播的高强度冲击波, 驱动靶材以 7 1 靶材的应变率超过 10 s . 在 LSP 研究中, 通常激光 很高的应变率发生塑性变形, 并在表面形成残余压 脉宽为几个纳秒, 压力持续作用时间为十几个纳秒, 应力和稳定密集的位错结构, 从而显著提升材料的 弹性前驱波到达毫米量级厚度的靶材背表面所需的 表面硬度、疲劳寿命等机械性能[1–4]. 最近, 人们的兴 时间约为一两百个纳秒, 在十几个纳秒内自由表面 趣已扩展到对各种新材料的激光冲击效应与强化效 速度就由几米每秒上升至数百米每秒. 可见, 对 LSP 果的研究中去, 如镍钛合金[5] [6] 靶材自由表面速度进行准确测量是一项具有很高挑 、超级合金 、金属玻 璃、甚至非金属的单晶硅[7–9]等.