專利名稱：強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面激光強(qiáng)化的領(lǐng)域，特別是涉及一種宏觀及微觀強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
材料的激光表面強(qiáng)化多由激光束經(jīng)聚焦形成的高斯圓光斑或經(jīng)過(guò)特定的光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)形成的矩形、線形等具有一定形狀的花樣光斑直接作用于材料表面，通過(guò)數(shù)控機(jī)床控制工件與激光束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡及光閘的啟閉對(duì)材料表面或其要求部位進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。
清華大學(xué)、中科院物理所和中國(guó)大恒公司利用光束二元光學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)將能量為高斯分布的光束轉(zhuǎn)換為能量均勻分布的線形光束，并將其應(yīng)用于齒輪和凸輪的表面強(qiáng)化。把光束變換和數(shù)控技術(shù)結(jié)合也可實(shí)現(xiàn)模具表面不同的強(qiáng)化軌跡(江蘇理工大學(xué)周建忠等(《模具工業(yè)》，2000，Vol.4，52)，《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》，2001，Vol.32，116)或?qū)σ蟮牟课换虮砻孢M(jìn)行強(qiáng)化。在這些強(qiáng)化工藝中，線形光束的能量分布是均勻的，而其它大多數(shù)情況下光束的有效轉(zhuǎn)換僅僅是改變了焦平面上光斑的形狀(其能量分布仍是高斯分布)。因此，利用上述光束形狀轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理時(shí)，其強(qiáng)化區(qū)的組織結(jié)構(gòu)在宏觀上是均勻的，微觀上沒(méi)有太大的差別。通常激光束經(jīng)聚焦后形成直徑很小的光斑，盡管激光脈沖重復(fù)率可以達(dá)到上千次乃至上萬(wàn)次，但處理大、中型模具表面仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且由于光斑為圓形，在進(jìn)行表面強(qiáng)化時(shí)為了完全地處理材料表面，就難免產(chǎn)生光斑的重疊，這樣會(huì)引起表面強(qiáng)化的不均勻，影響處理效果。眾所周知，材料合理的強(qiáng)韌性配合是其優(yōu)異性能的根本保證。因此，如果能使材料表面具有韌性區(qū)域和硬質(zhì)區(qū)域周期或非周期交替分布，無(wú)疑可以賦予材料優(yōu)異的表面性能。采用光束變換是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效方法。光束變換可以從光束的時(shí)間特性和空間特性兩個(gè)方面進(jìn)行，時(shí)間特性如脈沖激光的頻率，脈寬等，空間特性如模式分布，光斑形狀等。利用二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件可以對(duì)光束進(jìn)行空間特性的變換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一克服上述已有處理方法和裝置在強(qiáng)化處理材料表面后，其強(qiáng)化區(qū)的組織結(jié)構(gòu)在宏觀上是均勻的，微觀上沒(méi)有太大的差別的缺陷；本發(fā)明的目的之二利用基于Dammann周期性位相光柵原理研制的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，安置在光束變換光路中，通過(guò)二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，經(jīng)時(shí)間、空間轉(zhuǎn)換后的每個(gè)光斑尺度內(nèi)多支激光束呈點(diǎn)陣周期或非周期分布，把高斯激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛊矫嫔铣庶c(diǎn)陣分布的多支對(duì)稱或非對(duì)稱束，這樣，在材料的激光處理表面的每個(gè)光斑尺度內(nèi)，可以靈活有效地控制激光束與材料的相互作用軌跡，實(shí)現(xiàn)材料表面的組織結(jié)構(gòu)在微觀上具有非均勻分布，使材料表面達(dá)到優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合，從而提供一種宏觀及微觀強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的宏觀及微觀強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化系統(tǒng)，包括激光器、擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡，激光加工頭、光導(dǎo)纖維，光電檢測(cè)器和工控計(jì)算機(jī)；其中激光器的輸出光路上按順序設(shè)置擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡；激光器輸出端經(jīng)與光導(dǎo)纖維連接在激光加工頭上，光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，輸入工控計(jì)算機(jī)；其特征在于還包括一基于Dammann周期性位相光柵原理研制的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，該二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間。
所述的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，為在光學(xué)玻璃基片上采用刻蝕法制備出的具有2臺(tái)階結(jié)構(gòu)表面浮雕輪廓相位型光學(xué)元件，其中臺(tái)階高度為0-20um。
本發(fā)明提供的宏觀及微觀強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化的方法，包括以下步驟(1)根據(jù)基于材料表面輪廓形狀建立的加工軌跡數(shù)據(jù)，將激光加工頭置于初始加工位置，啟動(dòng)激光器輸出激光，宏觀上強(qiáng)化軌跡的周期分布是通過(guò)調(diào)整前后2個(gè)光斑之間間隔程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述的光斑之間間隔程度通過(guò)調(diào)整激光加工頭和材料表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v的大小來(lái)調(diào)整的；(2)同時(shí)，通過(guò)光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，工控計(jì)算機(jī)接收到高電平電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)送停止指令給控制器，使激光加工頭停止運(yùn)動(dòng)；(3)經(jīng)過(guò)預(yù)定設(shè)計(jì)的單位加工時(shí)段后，關(guān)閉激光器，光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為低電平電壓信號(hào)，輸送到工控計(jì)算機(jī)中去，工控計(jì)算機(jī)接收到低電平電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給控制器，指令激光加工頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并移動(dòng)至下一個(gè)加工點(diǎn)位置上；(4)重復(fù)上述步驟，直至待強(qiáng)化區(qū)域全部完成為止；還包括一機(jī)器人，該機(jī)器人具有3-5軸聯(lián)動(dòng)的加工臂，如中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1215644加工裝置。機(jī)器人兩次運(yùn)動(dòng)位置之間光斑的距離a，就是工藝要求中周期分布之光斑間隔。
所述的加工時(shí)間段至少為一個(gè)激光脈沖寬度。
所述加工時(shí)段內(nèi)激光束與材料的相互作用時(shí)間為b/v，其中機(jī)器人速度為v，強(qiáng)化周期為b，通過(guò)調(diào)整激光加工頭和材料表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v的大小來(lái)調(diào)整光斑的周期間隔程度。
所述的光斑大小為m，強(qiáng)化周期為b(b＞m)，則光斑間隔就是a＝b-m。所述的光斑間隔為0～1mm，光斑作用區(qū)長(zhǎng)度為1～10mm。
如圖3所示，宏觀上強(qiáng)化光斑的周期分布是通過(guò)調(diào)整前后2個(gè)光斑之間間隔程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中光斑大小為m，強(qiáng)化周期為b(b＞m)，則光斑間隔就是a＝b-m。
由于通過(guò)在本發(fā)明的裝置中更換不同的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，可以方便地控制微觀強(qiáng)化軌跡，這樣即可在方形光斑的焦平面上形成點(diǎn)陣周期或非周期分布的多支細(xì)束，在激光器輸出時(shí)間段內(nèi)可在材料表面有效地控制激光束的強(qiáng)化軌跡與分布。
如上所述，根據(jù)預(yù)定的強(qiáng)化周期，通過(guò)控制激光束與材料表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可使激光束在材料表面獲得宏觀上呈周期或非周期分布的強(qiáng)化軌跡；同時(shí)，由于該裝置中設(shè)置一二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，使激光經(jīng)時(shí)間、空間轉(zhuǎn)換后的每個(gè)光斑尺度內(nèi)也具有點(diǎn)陣周期或非周期分布的強(qiáng)化軌跡。這樣，經(jīng)激光表面強(qiáng)化處理后的材料表面，宏觀上呈現(xiàn)出具有強(qiáng)化區(qū)、介于強(qiáng)化區(qū)和基體之間的過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)的周期或非周期性梯度分布；在每個(gè)光斑尺度內(nèi)，同樣具有點(diǎn)陣強(qiáng)化區(qū)、介于點(diǎn)陣之間的過(guò)渡區(qū)和基體區(qū)的周期或非周期性梯度分布。因此，利用本發(fā)明所提出的宏觀和微觀強(qiáng)化軌跡及分布相結(jié)合的材料表面激光強(qiáng)化新方法，可以使材料的宏觀表面在微觀結(jié)構(gòu)上具有非均勻分布，即強(qiáng)化區(qū)彌散分布于高韌性的基體上，從而賦予了材料優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該方法在材料表面可實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀上強(qiáng)化區(qū)、過(guò)渡區(qū)、基體區(qū)周期或非周期性的梯度分布，根據(jù)材料使用性能要求和表面輪廓形狀有效地對(duì)其表面進(jìn)行定位、定量表面強(qiáng)化處理，解決了現(xiàn)有的材料表面常規(guī)連續(xù)激光強(qiáng)化工藝中出現(xiàn)的材料組織結(jié)構(gòu)一致、強(qiáng)韌性不能有效匹配等問(wèn)題。尤其是每個(gè)光斑內(nèi)微觀強(qiáng)化軌跡的形成，在每個(gè)光斑尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)強(qiáng)化區(qū)、過(guò)渡區(qū)及高韌性基體區(qū)的周期或非周期性梯度分布，高硬度的硬質(zhì)強(qiáng)化區(qū)彌散分布于高韌性基體上，極大地提高了材料表面強(qiáng)度、韌性等綜合使用性能，為在高溫、沖擊、腐蝕等惡劣環(huán)境條件下，承受強(qiáng)烈摩擦磨損作用的耐磨運(yùn)動(dòng)零部件(如大型模具、石化機(jī)械裝備中的高溫高壓閥門密封運(yùn)動(dòng)副、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫封嚴(yán)摩擦副等)的激光表面強(qiáng)化，提供了一種行之有效的、具有非常廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景方法和裝置。


圖1是刻蝕法制作2階二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件示意圖，其中圖1也是刻蝕法制作多階二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件工藝示意2a是采用二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件把高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛊矫嫔宵c(diǎn)陣周期分布的多支對(duì)稱束示意圖(點(diǎn)陣為3×3，共9支細(xì)激光束)圖2b同上，點(diǎn)陣為7×7(49支細(xì)激光束)圖2c是采用二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件把高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛊矫嫔檄h(huán)形分布2d是采用二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件把高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛊矫嫔?×7缺級(jí)分布3是本發(fā)明的激光光路系統(tǒng)示意4是本發(fā)明實(shí)施例中處理試樣的宏觀強(qiáng)化軌跡示意5是本發(fā)明實(shí)施例1激光處理后的材料表面形貌，可見(jiàn)宏觀周期強(qiáng)化軌跡6是本發(fā)明實(shí)施例中的激光強(qiáng)化系統(tǒng)的示意7是本發(fā)明實(shí)施例2激光處理后的材料表面形貌，可見(jiàn)宏觀周期強(qiáng)化軌跡8是本發(fā)明實(shí)施例2激光處理后的材料橫截面二維顯微維氏硬度分布，可見(jiàn)材料表面形成了強(qiáng)化區(qū)、過(guò)渡區(qū)與基體區(qū)的周期性梯度分布。
附圖標(biāo)示1、輸入激光束2、擴(kuò)束鏡3、二元光學(xué)變換元件4、聚焦透鏡 5、轉(zhuǎn)換后輸出的多支激光束6、試樣 7、光斑8、激光器9、工控計(jì)算機(jī)10、機(jī)器人11、激光加工頭 12、光電檢測(cè)器 13、光導(dǎo)纖維14、通訊電纜具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明參照附圖1，基于Dammann周期性位相光柵原理設(shè)計(jì)二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的一般方法首先以一維光柵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后在X和Y方向作二維擴(kuò)展。該方法設(shè)計(jì)較為方便，但不利于衍射效率的提高，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意二維衍射圖樣的設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用二臺(tái)階刻蝕法制備二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，在x和y方向均勻采樣，使一個(gè)周期單元形成網(wǎng)格型孔徑，則此單元的位相分布由每個(gè)矩形孔徑單元的位相分布共同決定，在設(shè)計(jì)中，將每個(gè)矩形孔徑單元的取為1或者0，以此來(lái)代表其位相取二值的情況。利用解析計(jì)算能解出小分束比光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而當(dāng)分束比M≥2時(shí)，則必須采用優(yōu)化設(shè)計(jì)。制作工藝分按照形成臺(tái)階方法的不同，又分為加法和減法兩種工藝途徑。圖1表示的是減法工藝，又稱刻蝕法，本實(shí)施例就是采用該方法在基底表面形成圖1所示兩臺(tái)階結(jié)構(gòu)的表面浮雕輪廓相位型光學(xué)元件，其中臺(tái)階高度為0-20um。
實(shí)施例1參照附圖3，在激光器8輸出光的光路上順序設(shè)置一擴(kuò)束鏡2和聚焦鏡4，并在擴(kuò)束鏡2和聚焦鏡4之間加上一塊φ50mm的、可使光束形成3×3點(diǎn)陣的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件3，即圖1所示光學(xué)轉(zhuǎn)換元件3。
參照附圖4和5，激光器8輸出端與激光加工頭11之間通過(guò)光導(dǎo)纖維13連接；激光器8通過(guò)通訊電纜14與激光加工頭11電聯(lián)結(jié)，激光加工頭11的運(yùn)動(dòng)由工控計(jì)算機(jī)9控制，光電檢測(cè)器12將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，輸入工控計(jì)算機(jī)9。
從激光器8發(fā)出的激光束1進(jìn)入光束變換器的擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后透過(guò)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件3形成具有點(diǎn)陣分布的矩形光束；再經(jīng)過(guò)聚焦鏡4在焦平面上形成多支激光束5，其成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑內(nèi)的光束點(diǎn)陣由3×3構(gòu)成(如圖2a)，點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)上的能量密度分布相同，功率密度從7～15J/mm2。還可以利用這種具有點(diǎn)陣周期或非周期分布特征的激光處理裝置中，再與框架式機(jī)器人結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型模具等材料表面宏觀及微觀周期或非周期強(qiáng)化，二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件在光路中的位置如圖3所示。在材料的表面強(qiáng)化過(guò)程中，宏觀上激光運(yùn)動(dòng)軌跡可通過(guò)控制機(jī)器人系統(tǒng)和激光器系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；如圖5所示。微觀上，借助于每個(gè)光斑中激光束的點(diǎn)陣周期或非周期分布可獲得材料表面的特殊強(qiáng)化效果。
實(shí)施例2本實(shí)施例采用實(shí)施例1的系統(tǒng)，不同的是采用500WYAG脈沖激光器8(峰值功率可達(dá)7KW)，和激光加工頭11安裝在具有五自由度框架式機(jī)器人10上(如中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN1215644加工裝置)，激光器參數(shù)脈寬24ms，脈沖重復(fù)率4Hz；采用可使光束形成3×3點(diǎn)陣的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件3，采用單個(gè)脈沖，波形為矩形，光斑尺寸1.25×1.25mm2，光斑上的總能量密度是7.5J/mm2，對(duì)9×9×15mm3的球墨鑄鐵試樣6的9×15mm2表面進(jìn)行激光處理，處理后的表面如圖6所示。
具體材料表面激光強(qiáng)化的方法，包括以下步驟(1)加工系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)試樣6的材料表面的宏觀加工軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)整激光加工頭11到起始位置，起始位置一般為加工表面的一個(gè)棱邊處，如圖5所示的第一個(gè)加工點(diǎn)，該起始位置可由測(cè)量數(shù)據(jù)或CAD給出；(2)到位信號(hào)由機(jī)器人10從I/O輸入口傳送給工控計(jì)算機(jī)9，工控計(jì)算機(jī)9即行通過(guò)通訊電纜14發(fā)送出光指令給激光器8，激光器8輸出光24ms，同時(shí)，光電檢測(cè)器12將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，通過(guò)光纖13輸入到工控計(jì)算機(jī)9中去，工控計(jì)算機(jī)9接收到高電平電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)送停止指令給機(jī)器人本身的控制器，控制機(jī)器人(加工頭)停止運(yùn)動(dòng)，保證此時(shí)間段內(nèi)激光加工頭11相對(duì)于加工點(diǎn)位置保持靜止，形成第一個(gè)加工斑點(diǎn)；(3)關(guān)閉激光器停止發(fā)光的瞬間，光電檢測(cè)器12將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為低電平電壓信號(hào)，輸送到工控計(jì)算機(jī)9中去，工控計(jì)算機(jī)9通過(guò)I/O輸入口發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給機(jī)器人10的控制模塊，指令機(jī)器人10開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，調(diào)動(dòng)機(jī)器人10以6mm/s速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)250ms，移動(dòng)距離1.5mm后，到達(dá)第二個(gè)加工位置；如果調(diào)整速度為5mm/s，則間隔距離為0；如果調(diào)整速度為8mm/s，則可實(shí)現(xiàn)宏觀加工軌跡中周期間隔為0.75mm。
當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人10移至下一個(gè)加工點(diǎn)時(shí)，重復(fù)上述步驟。
這樣，在宏觀加工直線軌跡上兩個(gè)相鄰光斑8之間形成的間隔為移動(dòng)距離和光斑尺寸之差，即1.5mm-1.25mm＝0.25mm。光束在每個(gè)加工(光斑)位置的停留時(shí)間為24ms。經(jīng)耐磨性測(cè)試(環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)，載荷1500N，磨損時(shí)間8h，20號(hào)機(jī)油潤(rùn)滑)表明，激光處理面是未處理面耐磨性的2.8倍(處理層20μm內(nèi))。
實(shí)施例3本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，不同之處在于本實(shí)施例采用空間呈7×7點(diǎn)陣分布的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，并設(shè)置在實(shí)施例的裝置光路系統(tǒng)中。采用平均功率為2000W的YAG激光器8，該激光器8參數(shù)為脈寬80ms，脈沖重復(fù)率2Hz；采用波形為矩形的單脈沖，光斑尺寸為3×3mm2，光斑上的能量密度是12.4J/mm2，機(jī)器人10運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為50mm/s，在宏觀加工直線軌跡上兩個(gè)相連光斑之間的間隔為0.2mm，在每個(gè)光斑位置上的停留時(shí)間為80ms。對(duì)9×9×15的球墨鑄鐵試樣6的9×15表面進(jìn)行激光處理，處理后的表面如圖7所示，經(jīng)耐磨性測(cè)試(環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)，載荷1500N，磨損時(shí)間60h，20號(hào)機(jī)油潤(rùn)滑)表明，激光處理面是未處理面耐磨性的11.5倍(處理層100μm處)。激光表面強(qiáng)化處理后橫截面(一個(gè)光斑范圍)上的顯微硬度分布如圖8?？梢?jiàn)，硬度最高的區(qū)域有7塊，這與光束的7×7點(diǎn)陣的某一列(行)相對(duì)應(yīng)。因此，光束的點(diǎn)陣分布形成了明顯的周期微觀強(qiáng)化軌跡，使材料表面獲得了優(yōu)異的強(qiáng)韌配合。
在本實(shí)施例中，由于激光器峰值功率較低，為保證強(qiáng)化層深度，出光時(shí)間為80ms(由工藝試驗(yàn)確定)，機(jī)器人10沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)速度是50mm/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為64ms，于是宏觀周期強(qiáng)化軌跡上的兩個(gè)光斑之間就形成了0.2mm的間隔(50mm/s×64ms-3mm＝0.20mm)。
在以上的實(shí)施例中，在激光器的光束變換系統(tǒng)中的擴(kuò)束鏡和聚焦鏡之間加上一塊φ50mm的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，從激光器8發(fā)出的激光束進(jìn)入光束變換器經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后透過(guò)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件形成具有點(diǎn)陣周期分布的矩形光束；再經(jīng)過(guò)聚焦鏡在焦平面上形成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑內(nèi)的光束點(diǎn)陣由3×3、7×7、25×25等構(gòu)成(如圖2)，點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)上的能量密度分布相同，功率密度從7～15J/mm2。比較本發(fā)明和普通的現(xiàn)有技術(shù)，采用本激光強(qiáng)化方法具有不增加工藝過(guò)程控制的難度，控制系統(tǒng)仍然采用原有的框架式機(jī)器人系統(tǒng)或數(shù)控系統(tǒng)，強(qiáng)化過(guò)程的微觀強(qiáng)化軌跡可簡(jiǎn)單通過(guò)更換二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)，宏觀強(qiáng)化軌跡可根據(jù)實(shí)際工藝要求通過(guò)調(diào)整機(jī)器人(加工頭)和激光器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩者結(jié)合就可方便地實(shí)現(xiàn)大型工件表面的強(qiáng)化軌跡為宏觀及微觀上呈周期或非周期分布的激光表面強(qiáng)化。該發(fā)明可應(yīng)用于脈沖和連續(xù)激光器，然而，本發(fā)明絕不僅僅局限與此。上述實(shí)施例也表明，該發(fā)明也可和其它各種光束轉(zhuǎn)化相結(jié)合使用，從而達(dá)到所要求的強(qiáng)化效果。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化系統(tǒng)，包括激光器、擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡，激光加工頭、光導(dǎo)纖維，光電檢測(cè)器和工控計(jì)算機(jī)；其中激光器的輸出光路上按順序設(shè)置擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡；激光器輸出端經(jīng)與光導(dǎo)纖維連接在激光加工頭上，光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，輸入工控計(jì)算機(jī)；其特征在于還包括一基于Dammann周期性位相光柵原理研制的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，該二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間。
2.按權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化系統(tǒng)，其特征在于所述的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，為在光學(xué)玻璃基片上采用刻蝕法制備出的具有2個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)的相位元件。
3.按權(quán)利要求2所述的強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化系統(tǒng)，其特征在于所述的臺(tái)階高度為0-20um。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)基于材料表面輪廓形狀建立的加工軌跡數(shù)據(jù)，將激光加工頭置于初始加工位置，啟動(dòng)激光器輸出激光，宏觀上強(qiáng)化軌跡的周期分布是通過(guò)調(diào)整前后2個(gè)光斑之間間隔程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述的光斑之間間隔程度通過(guò)調(diào)整激光加工頭和材料表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v的大小來(lái)調(diào)整的；(2)同時(shí)，通過(guò)光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高電平電壓信號(hào)，工控計(jì)算機(jī)接收到高電平電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)送停止指令給控制器，使激光加工頭停止運(yùn)動(dòng)；(3)經(jīng)過(guò)預(yù)定設(shè)計(jì)的單位加工時(shí)段后，關(guān)閉激光器，光電檢測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為低電平電壓信號(hào)，輸送到工控計(jì)算機(jī)中去，工控計(jì)算機(jī)接收到低電平電壓信號(hào)時(shí)，發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給控制器，指令激光加工頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并移動(dòng)至下一個(gè)加工點(diǎn)位置上；(4)重復(fù)上述步驟，直到待強(qiáng)化區(qū)域全部完成為止；
5.按權(quán)利要求4所述的強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化方法，其特征在于，其宏觀強(qiáng)化軌跡中光斑之間的間隔為0～1mm，光斑作用區(qū)長(zhǎng)度為1～10mm。
6.按權(quán)利要求4所述的強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化方法，其特征在于，所述的加工時(shí)間段至少為一個(gè)脈沖寬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及強(qiáng)化軌跡及分布可控的材料表面激光強(qiáng)化的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光器、擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡，激光加工頭和光導(dǎo)纖維，計(jì)算機(jī)；其中激光器的輸出光路上按順序設(shè)置擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡；激光器輸出端經(jīng)與光導(dǎo)纖維連接在激光加工頭上，激光加工頭的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制；其特征在于還包括一基于Dammann周期性位相光柵原理研制的二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，該二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間。該方法通過(guò)更換二元光學(xué)轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)微觀控制，宏觀強(qiáng)化軌跡可根據(jù)實(shí)際工藝要求通過(guò)調(diào)整加工頭和激光器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩者結(jié)合就可方便地實(shí)現(xiàn)大型工件表面的強(qiáng)化軌跡為宏觀及微觀上呈周期或非周期分布的激光表面強(qiáng)化。
文檔編號(hào)H01S3/101GK1534099SQ20041000847
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者虞鋼, 陳瑤, 巴發(fā)海, 程驚雷, 甘翠華, 谷雨, 蔣鏡昱, 王俊, 李新, 張金城, 王立新, 寧偉健, 鄭彩云, 席明哲, 賈艷華, 崔春陽(yáng), 虞 鋼 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所