CN101876627B

CN101876627B - 一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法

Info

Publication number: CN101876627B
Application number: CN2010101249456A
Authority: CN
Inventors: 冯爱新; 孙淮阳; 曹宇鹏; 徐传超
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN101876627A

Abstract

一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法，涉及激光检测与材料性能检测技术领域，本发明通过光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点，用临界点所对应的激光功率参数来表征界面结合强度。本发明测得的结果为激光准静态加载，使涂层(薄膜)剥离的临界值，较动态测量值小，更接近实际界面结合强度。

Description

一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法

技术领域

本发明装置涉及激光检测与材料性能检测技术领域，特指一种膜基界面和涂层界面结合强度检测的激光划痕装置，采用光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点。

发明背景

涂层技术是一种重要的表面处理和材料复合的先进技术，其核心是保证涂层在寿命期内与基体具有良好的结合性能。针对涂层一基体结合强度的测量问题，国内外学者展开一系列研究，并提出划痕法、压痕法、激光层裂法等多种结合强度检测方法，纵观这些方法尚存在检测结果不稳定或不同方法检测结果差别较大等问题。

激光划痕法综合了传统的划痕法和激光测量技术的优点，是一种新型的薄膜测量技术。江苏大学的冯爱新，张永康，周明，谢华琨，蔡兰利用准静态激光划痕界测量面结合强度并申请专利：界面结合强度的准静态激光划痕测量方法及装置，申请号：02138512；其特征在于以长脉冲红外激光束对薄膜试件表面的准静态加热使薄膜产生剥落，激光束在薄膜表面形成划痕，检测信号传输到信号采集检测***进行检测判断。该方法较之传统的接触式划痕具有划痕机制明确、可对试样进行直接检测、非接触测量、适用面广等优点，但也同样存在诸如：设备装置较为繁琐，且不能建立完整的激光功率与膜基强度间的关系，对膜基界面失效破坏临界位置无法作出精准判定等问题。

光功率计技术是一项前途广阔的高新技术，利用光功率计进行检测具有如下优点：

1.不受客观环境影响。光功率计主要是通过采集光强度数值来进行分析，不受声波、温度等客观因素影响，从而可以准确记录划痕过程中激光对试件表面的准静态加载过程。

2.显示方式直观。光功率计采集的光强度数值可以通过数据接口实时与计算机通讯，并且将反馈的数据自动绘成曲线，显示方式直观，便于操作者观察分析。

发明内容

本发明目的是要提供一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法，通过光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点，用临界点所对应的激光功率参数来表征界面结合强度。对典型膜基***进行检测，建立一种研究检测涂层结合强度实验方法。

该方法所涉及的***由划痕***、试件夹具***、工作台***、检测***、控制***和支架组成，其特征在于：还包括光功率计实时在线检测涂层在激光加载下加载点处反射光强度的变化获得界面破坏的临界点。

其中，所述划痕***包括有半导体激光器、激光扩束准直***、反射镜、汇聚透镜，其中，激光扩束准直***位于激光器出光口部位，反射镜在激光扩束准直***和汇聚透镜之间。

其中，所述试件夹具***包括有试件和夹具，其中，试件由夹具装夹在工作台上，试件位于汇聚透镜的正下方。

其中，所述工作台***包括有一维电控平移台X、一维电控平移台Z、二维电控平移台，其中，所述反射镜安装在一维电控平移台X上，所述汇聚透镜安装在一维电控平移台Z上，所述试件夹具***安装在二维电控平移台上。工作台均由支架承载。

其中，所述检测***设有功率计、显微镜、CCD成像***，与工控机相连，分布于试样的四周。

其中，所述控制***包括有半导体激光器电源及其控制、运动控制卡、工控机和伺服电机，其中，半导体激光器电源及其控制在半导体激光器和工控机之间，运动控制卡在二维电控平移工作台和工控机之间，伺服电机安装在一维电控平移台和二维电平移台上。

本发明实施过程如下：

通过采用单脉冲激光对涂层进行单点单次加载，随着激光能量的增加形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，加载的同时采用光功率计检测加载点处反射光强度。由于加载的激光能量和功率计采集的反射光强度数值在薄膜未破坏时以同等斜率线性递增(如图4所示，激光强度直线的0～b段，反射光强度曲线的a～b段)，即激光强度P_I＝Kt，反射光强度P_R1＝Kt-A，其中K、A＞0均为常数；随着膜的破坏，表面变得粗糙，反射率减小，此时反射光强度为P_R2＝K₁t-A，K₁小于K，并随薄膜的破坏不断减小(图4中反射光强度曲线的b～c段)，当界面破坏时，反射率及检测到的反射光强度突然下降，即反射光强度的斜率曲线(K₁-t)曲线发生阶跃，则曲线拐点为膜基界面破坏的判据，是界面破坏的临界点。

(4)划痕时间设为t，光功率计的采样频率设为f，，总采集样本数为S＝t/(1/f)＝tf，划至拐点时间为t_i，则拐点所对应的样点数设为S_i＝S×(t_i/t)＝t_if，加载的激光能量最大值为P，则用来表征膜基界面的结合强度的激光功率为P_i＝P×(S_i/S)＝P(t_i/t)。

上述方法中，所述激光器功率调节范围在0～200W，厚度约为50μm，光斑直径不宜过大，大约为1mm，划痕速度选择在0.5～1mm之间效果较为明显。

该方法采用半导体激光器激发逐渐加大的连续激光作为外部驱动源，激光首先辐照在涂层表面，由于开始时激光能量较小，涂层表面加载点处未发生破裂仍非常平滑，在一端的光功率计的感光传感器可以吸收到全部的加载点处反射光光子。随着激光能量的增加，在涂层表面形成了等离子体冲击波，导致涂层发生塑性变形，涂层表面变得凹凸不平，反射的光由于散射只有部分被传感器吸收。随着激光能量的不断增加，此散射现象更加明显，被传感器吸收的光子数越少，直至涂层从基体剥离。功率计采集的光强度数值通过接口实时与计算机通讯，***程序根据功率计采集的数据在窗口绘出曲线(呈抛物线)，其拐点即为界面破坏的临界点。显微镜和CCD成像***辅助检测，对这一划痕过程进行全程跟踪。将检测到的图像信号都传到工控机上，由工控机进行信息存储。

本发明与现有的激光测量涂层(薄膜)基体界面的结合强度技术相比，有下列特点：

1.利用光功率计检测，机理明显、简洁。利用光功率计***准确记录划痕过程中激光对试件表面的准静态加载，随着激光能量的增加，在涂层表面形成了等离子体冲击波，导致涂层发生塑性变形，进一步发生材料翘曲和剥落，继而引起表面对激光吸收率的变化形成拐点，用拐点所对应的激光能量可表征界面结合性能。

2.测得的结果为激光准静态加载，使涂层(薄膜)剥离的临界值，较动态测量值小，更接近实际界面结合强度。

3.显示方式直观。光功率计采集的光强度数值可以通过数据接口实时与计算机通讯，并且将反馈的数据自动绘成曲线，显示方式直观，便于操作者观察分析。

4.显微镜观察表面在激光加载后的变化，由CCD相机拍摄记录使检测结果更加可靠。

附图说明

本发明装置具体实施例的结构框图及附图说明如下：

图1半导体激光划痕测量装置的***结构示意图

图2工作台***主视图

图3工作台***俯视图

图4激光强度和反射光强度与时间关系图

图5划痕涂层拐点附近位置的实际划痕效果的显微照片

1、半导体激光器；2、半导体激光器电源及其控制；3、激光扩束准直***；4、反射镜；5、汇聚透镜；6、功率计；7、反光镜；8、显微镜；9、CCD成像***；10、工件；11、夹具；12、二维电控平移台；13、运动控制卡；14、工控机；15、支架；16、一维电控平移台X；17、伺服电机；18、一维电控平移台Z；19、二维电控平移台Y；20、二维电控平移台X；21、激光强度；22、拐点；23、反射光强度；24、涂层

具体实施方案

由图1所示为长脉冲红外激光划痕及检测装置的结构示意图，图2和图3为工作台***主视图和俯视图。半导体激光源1发出连续的红外激光经过激光扩束准直***3后使激光在激光器慢轴方向的光束变得更加准直，然后激光束经过反射镜4使光束方向改变90度，经过反射镜4的光束通过固定在一维电控平移台18上的汇聚透镜5后汇聚于一点，这一点再经过固定在一维电控平移台16上的反射镜4后直接垂直作用到支架15支撑的二维电控平移台19上，试件放在该二维电控平移台的夹具11上，通过二维平移台19和20可以在X方向和Y方向的任意移动，带动工件的运动，这样就会在工件表面形成一条划痕。在划痕的过程中，工控机14可以控制半导体激光源1输出功率的大小，一维电控平移台16和二维电控平移台20可以各自在工控机14的控制下作X方向的平移运动，二维电控平移台19、20可以在工控机14的控制作用下在X方向和Y方向的平移，一维电控平移台16和一维电控平移台18的移动可以分别带动放置其上的汇聚透镜6和全反射镜4的移动。这些自由的平移运动可以给划痕实验和激光加工带来很大的方便。在划痕的过程中，为了能在工件的表面得到一条由浅慢慢变深的划痕迹，可以通过工控机14以及控制软件来控制半导体激光源1的输出功率大小来实现。在划痕的过程中，为了能够在工件的表面得到宽度不等的划痕，可以通过调整分别放置在一维电控平台18的汇聚透镜5与放置在一维电控平移台16的反射镜4之间的距离来实现，当改变汇聚透镜5与全反射镜4之间的距离时，则在该全反射镜4上得到的光斑直径的大小会改变，从而反射到工件表面的光斑的大小也会得到改变。

检测***由功率计6、显微镜8、CCD成像***9和工控机14等组成。在试件被激光束划痕的过程时，半导体激光器1发出的激光束作用在试件表面的一点，经过试件的反射后由功率计6检测到，功率计6把检测到的光的强度信号传输到工控机14，如此同时二维电控平移台19在工控机14的控制作用下带动试件作Y方向平移，激光源的功率由工控机14实施控制，最后CCD成像***9在白光光源的辅助下对这一划痕过程进行全程跟踪。所有功率计6检测的功率信号，显微镜8和CCD成像***9检测到的图像信号都传到工控机14上，由工控机14进行信息存储。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

将一块长150mm，宽100mm，厚约为1.5mm，牌号为304的不锈钢板经过1000#砂纸磨光，其表面平均粗糙度大约为Ra1.6，再均匀涂上一层厚度约50μm的涂层。激光划痕实验参数如下：激光功率从0W线性增大到50W，光斑直径1mm，划痕速度0.75mm/s，划痕长度100mm，划痕时间133.3，取样点数83。

让工控机控制工作台带动涂层试样以0.75mm/s的速度作匀速直线运动大约133.3s，同时经过聚焦镜聚了焦的红外激光光束直接辐射在涂层试样表面上，激光功率也在133.3s时间内从0W线性增大到50W，这样就会在涂层试样表面划一道100mm长的划痕。与此同时，光功率计实时检测并记录激光划痕全过程中加载点反射光强度的变化情况。

从图4中可以看出激光划痕时涂层表面随着激光能量的变化和时间的推移明显地呈现出两个阶段的变化。这与理论分析预期的结果相一致。曲线中的拐点即是涂层从基体脱落下来临界位置的具体反映。图5是对应图4所划的100mm长的划痕涂层上找到对应的转折点附近位置的实际划痕效果的显微照片。从显微照片可以看出，涂层粗糙凸凹不平，与基体界面明显，表明涂层已经完全从基体上脱落下来。由于光功率计采样的频率为0.625Hz，设光功率计采样到拐点时所用的时间为t＝80s。当激光划痕速度为0.75mm/s时，设定的是在133.3s的划痕时间内，激光功率从0W线性增加到50W，所以，可以计算出当采样点S＝83×(50/133.3)＝50时，对应的激光功率为P＝50×(50/83)≈30W。也就是说，转折点处所对应的激光功率大约为30W，即为此实施例中膜基界面的结合强度。

Claims

1.一种基于光功率计技术的激光划痕界面结合状况检测方法，其特征在于：通过采用单脉冲激光对涂覆在工件上的薄膜进行单点单次加载，随着激光能量的增加形成了深度逐渐增加的点状离散划痕，加载的同时采用光功率计检测加载点处反射光强度；由于加载的激光能量和光功率计采集的反射光强度数值在薄膜未破坏时以同等斜率线性递增，即激光强度P_I＝Kt，反射光强度P_R1＝Kt-A，其中K、A＞0均为常数；随着薄膜的破坏，表面变得粗糙，反射率减小，此时反射光强度为P_R2＝K₁t-A，K₁小于K，并随薄膜的破坏不断减小，当界面破坏时，反射率及检测到的反射光强度突然下降，即反射光强度的斜率曲线K₁-t曲线发生阶跃，则曲线拐点为薄膜基界面破坏的判据，是界面破坏的临界点；设划痕时间为t，光功率计的采样频率设为f，，总采集样本数为S＝t/(1/f)＝tf，划至拐点时间为t_i，则拐点所对应的样点数设为S_i＝S×(t_i/t)＝t_if，加载的激光能量最大值为P，则用来表征薄膜基界面的结合强度的激光功率为P_i＝P×(S_i/S)＝P(t_i/t)。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于：激光功率调节范围在0～200W，涂层厚度为50μm，光斑直径为1mm，划痕速度选择在0.5～1mm之间。