斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置、系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置、系统及方法，其中装置包括：基座；光束整形组件，设置于基座的一侧，用于接收光束并生成圆形平行光束；光束矫形组件，安装于基座上，用于将圆形平行光束压缩为椭圆形平行光束,光束矫形组件包括依次设置的平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元，平凸柱面透镜单元设置于光束整形组件的出光侧，平凹柱面透镜单元设置于平凸柱面透镜单元的出光侧；以及光束聚焦组件，设置于平凹柱面透镜单元的出光侧。通过光束矫形组件将圆形光束矫形为椭圆形平行光束，斜入射激光冲击强化时椭圆形平行光束在零件表面生成圆形光斑，保证强化效果。保证强化效果。保证强化效果。

【技术实现步骤摘要】
斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置、系统及方法


[0001]本专利技术涉及激光冲击强化
，尤其涉及一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置、系统及方法。

技术介绍

[0002]激光冲击强化技术(Laser Shock Processing，LSP)，是利用GW/cm2级的高功率密度和纳秒级的短脉冲宽度的强激光辐照材料表面，材料表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量发生爆炸性气化蒸发，形成高温(＞10000℃)等离子体，等离子体继续吸收激光能量急剧膨胀，在水流的约束作用下形成向材料内部传播的高压(＞1GPa)冲击波，材料在高压冲击波作用下发生剧烈塑性变形，形成残余应力、改变微观组织结构，从而提高材料的疲劳性能、磨损和应力腐蚀等性能。
[0003]飞机结构件疲劳危险区域通常在框、梁、墙的根部R处，该区域存在遮挡，开场条件有限，进行激光冲击强化处理时，激光入射方向无法保证与零件强化面的法线一致，此时会产生光斑畸变，形成椭圆形冲击斑，当斜入射角度过大时，光斑畸变严重，强化效果降低。另外，由于遮挡等原因，通常无法采用相同的入射角度完成待强化区域的加工，强化区域的冲击斑畸变程度不同，难以形成均匀的残余压应力场，从而造成强化后疲劳性能的增益效果降低。
[0004]目前，针对大角度斜入射激光冲击强化的光斑畸变变化引起的强化效果降低的问题，现有技术中采用能量补偿的方式保证强化效果，即通过计算光斑畸变引起的功率密度衰减改变，进而改变输入能量的大小保证作用在金属表面的功率密度一致，从而实现强化效果的一致性。该方法需要设备激光能量的冗余量较大，而对于飞机结构件进行激光冲击强化处理时，为提升加工效率，一般采用大能量大光斑的方式实施，设备激光能量的冗余量较小，难以实现有效补偿；另外，现有研究表明，相同激光功率密度下，光斑的尺寸和形状会影响残余应力场分布，仅通过能量补偿的方式实现不同斜入射条件下激光功率密度一致，将无法控制残余应力场的均匀性。

技术实现思路

[0005]鉴于以上现有技术存在的问题，本专利技术提出一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置、系统及方法。进而至少在一定程度上实现斜入射激光冲击强化过程中的光斑动态调整，保证光斑圆度和强化加工效果。
[0006]为了实现上述目的及其他目的，本专利技术采用的技术方案如下。
[0007]可选地，提供了一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，该装置包括：
[0008]基座；
[0009]光束整形组件，设置于所述基座的一侧，用于接收光束并生成圆形平行光束；
[0010]光束矫形组件，安装于所述基座上，用于将所述圆形平行光束压缩为椭圆形平行光束,所述光束矫形组件包括依次设置的平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元，所述平
凸柱面透镜单元设置于所述光束整形组件的出光侧，所述平凹柱面透镜单元设置于所述平凸柱面透镜单元的出光侧；以及
[0011]光束聚焦组件，设置于所述平凹柱面透镜单元的出光侧。
[0012]可选地，所述平凸柱面透镜单元包括：
[0013]第一支架，安装于所述基座上靠近所述光束整形组件的一端；
[0014]平凸柱面透镜，活动安装于所述第一支架上，所述平凸柱面透镜的凸面朝向所述光束整形组件的出光侧，用于将所述圆形平行光束持续压缩为椭圆形光束。
[0015]可选地，所述平凸柱面透镜单元还包括：
[0016]第一驱动部，安装于所述第一支架上，所述第一驱动部的输出端连接所述平凸柱面透镜，用于控制所述平凸柱面透镜绕垂直于自身轴线的方向旋转。
[0017]可选地，所述平凹柱面透镜单元包括：
[0018]第二支架，安装于所述基座上靠近所述光束聚焦组件的一端；
[0019]平凹柱面透镜，安装于所述第二支架上，所述平凹柱面透镜的平面朝向所述平凸柱面透镜单元的出光侧，用于生成所述椭圆形平行光束。
[0020]可选地，所述平凹柱面透镜单元还包括：
[0021]第二驱动部，安装于所述第二支架上，所述第二驱动部的输出端连接所述平凹柱面透镜，用于控制所述平凹柱面透镜绕垂直于自身轴线的方向旋转。
[0022]可选地，所述平凹柱面透镜单元还包括：
[0023]滑动部，所述滑动部包括滑轨和滑动平台，所述滑轨设置于所述基座上靠近所述光束聚焦组件的一端，所述滑动平台与所述滑轨滑动连接；
[0024]所述第二支架安装于所述滑动平台上，用于随所述滑动平台在所述滑轨上滑动以靠近或远离所述平凸柱面透镜单元。
[0025]可选地，所述平凹柱面透镜单元还包括：
[0026]第三驱动部，安装于所述基座上，所述第三驱动部的输出端与所述滑动平台连接，用于控制所述滑动平台在所述滑轨上滑动以远离或靠近所述平凸柱面透镜单元。
[0027]可选地，提供了一种利用上述任一项的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置的光斑动态矫形系统，所述光斑动态矫形系统包括：
[0028]光斑动态矫形装置，用于将光束通过平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元压缩成为椭圆形平行光束；
[0029]控制模组，与所述光斑动态矫形装置电连接，用于调控所述平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元中透镜的角度，以控制所述椭圆形平行光束的矫形方向，以及用于调控所述平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元之间的距离，以控制所述椭圆形平行光束的矫形程度。
[0030]可选地，提供了一种利用上述任一项的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置进行光斑动态矫形的方法，包括：
[0031]获取零件待强化区域的结构特征和光束斜入射预设角度；
[0032]对所述结构特征和光束斜入射预设角度进行强化加工路径计算，得到预设强化加工路径；
[0033]根据所述预设强化加工路径，调整光束矫形组件，以将光束整形组件生成的圆形
平行光束压缩为椭圆形平行光束；
[0034]其中，所述光束矫形组件包括依次设置的平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元，所述平凸柱面透镜单元设置于所述光束整形组件的出光侧，所述平凹柱面透镜单元设置于所述平凸柱面透镜单元的出光侧。
[0035]可选地，根据所述预设强化加工路径，调整光束矫形组件，包括：
[0036]根据所述预设强化加工路径，调整所述平凸柱面透镜单元中和所述平凹柱面透镜单元中的透镜旋转相同的角度，以及在预设的距离阈值范围内调整所述平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元之间的距离。
[0037]如上所述，本专利技术提供了一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，光束整形组件接收光源件发射的圆形激光束，整形调整后生成圆形平行光束；圆形平行光束经平凸柱面透镜单元后持续压缩为椭圆形光束，椭圆形光束经平凹柱面透镜单元后生成椭圆形平行光束；光束聚焦组件接收椭圆形平行光束后进行聚焦，以生成高功率密度的椭圆形平行光束。高功率密度的椭圆形平行光束在光束入射面与零件表面的交线上拉长后，冲击光斑痕迹为圆形。
[0038]本专利技术提供的光斑动态矫形的方法，根据待强化区域的结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，包括：基座；光束整形组件，设置于所述基座的一侧，用于接收光束并生成圆形平行光束；光束矫形组件，安装于所述基座上，用于将所述圆形平行光束压缩为椭圆形平行光束,所述光束矫形组件包括依次设置的平凸柱面透镜单元和平凹柱面透镜单元，所述平凸柱面透镜单元设置于所述光束整形组件的出光侧，所述平凹柱面透镜单元设置于所述平凸柱面透镜单元的出光侧；以及光束聚焦组件，设置于所述平凹柱面透镜单元的出光侧。2.根据权利要求1所述的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，所述平凸柱面透镜单元包括：第一支架，安装于所述基座上靠近所述光束整形组件的一端；平凸柱面透镜，活动安装于所述第一支架上，所述平凸柱面透镜的凸面朝向所述光束整形组件的出光侧，用于将所述圆形平行光束持续压缩为椭圆形光束。3.根据权利要求2所述的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，所述平凸柱面透镜单元还包括：第一驱动部，安装于所述第一支架上，所述第一驱动部的输出端连接所述平凸柱面透镜，用于控制所述平凸柱面透镜绕垂直于自身轴线的方向旋转。4.根据权利要求1所述的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，所述平凹柱面透镜单元包括：第二支架，安装于所述基座上靠近所述光束聚焦组件的一端；平凹柱面透镜，安装于所述第二支架上，所述平凹柱面透镜的平面朝向所述平凸柱面透镜单元的出光侧，用于生成所述椭圆形平行光束。5.根据权利要求4所述的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，所述平凹柱面透镜单元还包括：第二驱动部，安装于所述第二支架上，所述第二驱动部的输出端连接所述平凹柱面透镜，用于控制所述平凹柱面透镜绕垂直于自身轴线的方向旋转。6.根据权利要求5所述的斜入射激光冲击强化的光斑动态矫形装置，其特征在于，所述平凹柱面透镜单元还包括：滑动部，所述滑动部包括滑轨和滑动平台，所述滑轨设置于所述基座上靠近所述光束聚焦组件的一端，所述滑动平台与所述滑轨滑动连...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂祥樊，王亚洲，李阳，何艳磊，陈翠玲，聂勇强，何卫锋，
申请(专利权)人：西安天瑞达光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：