一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法技术

本发明专利技术是一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，本发明专利技术技术方案是在不改变激光光斑形状，光线传输中心线的要求下，提出一种利用单个柱面镜或者柱面镜组合的方式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，实现倾斜入射作用区域等同于垂直入射的一种功率密度补偿方案，获得比常规补偿方法更灵活、不改变光斑形状的处理方法，对激光冲处理工艺等具有很好的参考价值，适用性广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，属于激光加工

技术介绍
常规的激光打孔、切割、焊接等加工技术中，激光以小焦距球面透镜(一般小于F300)汇聚，在焦点位置与材料发生作用，相当于以最大功率密度作用在材料上。激光冲击强化处理为一种利用高功率密度短脉冲激光束穿过水约束层辐射在靶材表面吸收层，吸收层迅速气化电离形成高温等离子体，高温等离子体受水约束层限制，于是膨胀爆炸形成高压冲击波，高压冲击波传入靶材内部进行强化。激光冲击强化过程中，激光束与靶材表面法线夹角为零，但由于工程应用时强化对象结构复杂，激光束与靶材法线必须倾斜才能进行激光冲击强化，然而倾斜入射激光束光斑在靶材表面投影会被拉长，如图1所示，假设作用面为金属零件表面2，激光束1倾斜入射方向与金属零件表面2的法线的夹角为θ，则入射光斑面积4在金属零件表面2上的投影光斑面积3增大1/cosθ，由功率密度公式(E为激光功率密度，τ为脉宽，A为光斑在靶材表面投影面积)可知，激光功率密度降至Icosθ，影响激光冲击强化效果。同时，倾斜入射激光冲击强化靶材时，由于水约束层会对激光束产生很大的反射率，所以要求激光与作用面法线的夹角小于60°，并且激光冲击处理要求激光作用区域的功率密度误差也不能超出10％。因此要保持激光作用区域的功率密度稳定或者光斑形状稳定，需要采用功率密度补偿的方案。目前激光倾斜入射的激光冲击处理要保证功率密度稳定采用的方法一般是增加激光脉冲功率密度或者缩小激光光斑大小等方法，但采用双面强化或者其它特殊要求时，不仅需要双面的功率密度匹配，还需要形状的匹配，位置的匹配，需要有一种可调节压缩比例、保持光线轴心、功率密度误差不超出10％的精确补偿方法。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其目的是利用柱面镜或者柱面镜组合，对激光作用延伸方向进行预压缩，保证激光投影区域功率密度保持恒定，保证强化效果的技术。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其特征在于：该方法是指激光束(1)倾斜入射方向与金属零件表面(2)的法线夹角θ小于60°时，并且激光冲击强化过程中，使金属零件表面(2)与透镜之间的距离大于300mm，应采用以下方法之一对激光倾斜入射光斑(7)的功率密度进行补偿：方法一、将单个凸柱面镜(5)放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)的焦距f1为400～2000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距离D1应满足以下公式：D1＝f1cosθ公式1该方法先通过凸柱面镜(5)对激光束(1)的入射光斑面积(4)进行单向压缩Rcosθ形成单向压缩光斑(6)，然后由激光束(1)与金属零件表面(2)法线夹角θ，对单向压缩光斑(6)长轴方向进行压缩，实现金属零件表面(2)上激光倾斜入射光斑(7)与入射光斑面积(4)相等，该方法效果：实现激光倾斜入射的功率密度补偿，误差5％以内；避免激光冲击强化过程中水飞溅对凸柱面镜(5)的污染，延长凸柱面镜(5)更换周期；方法二、将一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中心点之间的距离D2满足以下公式：D2＝f1-f2公式2f2/f1＝cosθ公式3该方法先通过凸柱面镜(5)对激光束(1)的入射光斑面积(4)进行单向压缩Rcosθ形成单向压缩光斑(6)，并且凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)构成的压束镜效果形成平行光束，然后由激光束(1)与金属零件表面(2)法线夹角θ，对单向压缩光斑(6)长轴方向进行压缩，实现金属零件表面(2)上激光倾斜入射光斑(7)与入射光斑面积(4)相等，该方法效果：凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)组合形成压束镜效果，实现满足飞溅安全距离的凹柱面镜(8)与金属零件表面(2)之间任意距离功率密度补偿，误差5％以内；避免激光冲击强化过程中水飞溅对凹柱面镜(8)的污染，延长凹柱面镜(8)更换周期；方法三、将一个聚焦透镜(9)和一个凸柱面镜(5)的组合一依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，或将一个聚焦透镜(9)、一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)的组合二依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，组合一和组合二的的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过组合一聚焦在金属零件表面(2)上，入射激光束(1)通过组合二构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，聚焦透镜(9)的焦距为500～1000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距离D3满足以下公式：D3＝f1cosθ公式4凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中心点之间的距离D4满足以下公式：D4＝f1-f2公式5f2/f1＝cosθ公式6通过调节聚焦透镜(9)和凸柱面镜(5)之间的距离，将激光倾斜入射光斑(7)的直径缩小至1～3mm以实现小光斑功率密度补偿。该方法除方法一和方法二技术外，同时调节聚焦透镜(9)和凸柱面镜(5)之间的距离使激光倾斜入射光斑(7)达到激光功率密度补偿和调整光斑大小的目的，实现小光斑功率密度补偿，扩宽激光冲击强化应用范围。本专利技术技术方案的特点是在不改变激光光斑形状的条件下，利用透镜组合的方式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，保证压束后激光保持原来的入射方向，实现倾斜入射作用区域等同于垂直入射，不改变光斑形状，比常规补偿方法更灵活，使激光冲处理工艺得到技术上的提升和进步，扩大了适用性。附图说明图1为激光倾斜入射时光斑变化的原理图图2为本专利技术方法一的实施光路的结构示意图图3为本专利技术方法二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其特征在于：该方法是指激光束(1)倾斜入射方向与金属零件表面(2)的法线夹角θ小于60°时，并且激光冲击强化过程中，使金属零件表面(2)与透镜之间的距离大于300mm，应采用以下方法之一对激光倾斜入射光斑(7)的功率密度进行补偿：方法一、将单个凸柱面镜(5)放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)的焦距f1为400～2000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距离D1应满足以下公式：D1＝f1cosθ  公式1方法二、将一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中心点之间的距离D2满足以下公式：D2＝f1‑f2  公式2f2/f1＝cosθ  公式3方法三、将一个聚焦透镜(9)和一个凸柱面镜(5)的组合一依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，或将一个聚焦透镜(9)、一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)的组合二依次放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，组合一和组合二的的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过组合一聚焦在金属零件表面(2)上，入射激光束(1)通过组合二构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，聚焦透镜(9)的焦距为500～1000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距离D3满足以下公式：D3＝f1cosθ  公式4凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中心点之间的距离D4满足以下公式：D4＝f1‑f2  公式5f2/f1＝cosθ  公式6通过调节聚焦透镜(9)和凸柱面镜(5)之间的距离，将激光倾斜入射光斑(7)的直径缩小至1～3mm以实现小光斑功率密度补偿。...

【技术特征摘要】
1.一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其特征在
于：该方法是指激光束(1)倾斜入射方向与金属零件表面(2)的法线夹角
θ小于60°时，并且激光冲击强化过程中，使金属零件表面(2)与透镜之
间的距离大于300mm，应采用以下方法之一对激光倾斜入射光斑(7)的功
率密度进行补偿：
方法一、将单个凸柱面镜(5)放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的
入射路径上，凸柱面镜(5)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激
光束(1)通过凸柱面镜(5)聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)的焦
距f1为400～2000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距
离D1应满足以下公式：
D1＝f1cosθ公式1
方法二、将一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)依次放置在激光束
(1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)的中
心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)与凹柱
面镜(8)构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2)
上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，凸柱
面镜(5)和凹柱面镜(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹世坤，吴俊峰，巩水利，曹子文，车志刚，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11