CN101020944A

CN101020944A - 激光冲击成形强化系统

Info

Publication number: CN101020944A
Application number: CN 200610161633
Authority: CN
Inventors: 张永康; 李国杰; 鲁金忠; 殷苏民; 任旭东
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2007-08-22

Abstract

本发明涉及激光冲击成形系统，特指将重复频率千兆瓦激光器、5轴工作台、工业控制计算机控制系统构成的激光冲击成形强化系统，其中重复率千兆瓦钕玻璃激光器包括激光器光学系统、激光器电源与控制系统等。激光器光学系统包括依次相连的多模叠加的电光调Q振荡器，可饱和吸收被动光隔离器、预放大器，以及与预放大器分别相连的两个前置主放大器、两个后置主放大器，级间使用空间适配器耦合，叠加式工作台具有三个直线滑动平台，分别是X、Y、Z，另有由支撑平台与旋转台组成的B、C两个旋转平台，本发明将各部件统集成于一个系统，大幅降低了激光冲击设备的成本，实现了激光冲击波参数与工件运动轨迹的精确控制和冲击成形过程的在线监控。

Description

激光冲击成形强化系统

技术领域

本发明涉及强激光应用技术，特指将重复频率千兆瓦激光器、5轴工作台、工业控制计算机控制系统构成的激光冲击成形强化系统，实现了激光冲击波参数与工件运动轨迹的精确控制和冲击成形过程的在线监控。

技术背景

激光冲击强化(Laser Shock Processing，简写LSP)，又称为激光喷丸，是利用高功率密度(GW/cm²量级)、短脉冲(ns量级)强激光冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜或直接冲击金属表面，其吸收激光能量后温度迅速升高，发生气化、电离、膨胀，诱发高幅值冲击波，即光能转变为冲击波机械能；高达数GPa的冲击波压力使材料表层发生微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。

激光冲击成形(Laser Shock Forming，简写LSF)，是利用高功率短脉冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波，并利用冲击波或应力波来开发各种用途的技术。激光冲击成形(Laser Shock Forming，LSF)是利用强激光诱导高幅冲击波的力学效应使板料产生塑性变形的一种新技术。从激光器发出的高功率密度(GW/cm²量级)、短脉冲(ns量级)的强激光束，冲击覆盖在金属表面上的激光吸收保护膜或直接冲击金属表面，使其汽化电离、形成高温高压的等离子体，等离子体的爆炸诱发高压冲击波。由于冲击波压力达到10⁹Pa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使板料产生宏观塑性变形。通过选择激光脉冲能量和脉冲宽度，可控制板料变形量；通过数控系统控制激光冲击轨迹、叠加方式和作用区域的脉冲次数，可实现板料的局部或大面积成形。如采用预先制作好的凹凸模，可实现薄金属板料的激光冲击仿形。

根据我们的相关文献与专利的查阅，美国Lawrence Livermore国家实验室申报的激光喷丸成形发明专利，与激光冲击成形很相近，但在专利中没有涉及具体的激光装置。美国LSP Technologies公司研制的激光冲击强化装置，输出脉冲能量50J、脉冲宽度20ns、磷酸盐钕玻璃、重复频率1.25Hz，采用机器人进行工件的冲击强化，没有激光冲击成形的功能。国内中国科学技术大学吴鸿兴等人有“钕玻璃激光冲击处理机”的发明专利，申请号：00112122.7，该专利只涉及高功率钕玻璃激光发射装置。

激光冲击强化与激光冲击成形都是利用强激光束诱发的高压冲击波，所用激光器输出激光功率均为千兆瓦。到目前为止，国内外还没有集激光冲击强化与激光冲击成形于一体的强激光制造系统的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于，将激光冲击强化与激光冲击成形两种激光冲击处理技术集于一个系统，降低激光冲击制造设备的生产与维护的成本，提高加工精度和工作效率，加速激光冲击制造业的市场化。

本发明的目的由以下方式实现：

本发明通过现场总线将重复率千兆瓦钕玻璃激光器、五轴工作台、工业控制计算机连接起来，使用激光冲击处理软件将三者集成一个系统。其中重复率千兆瓦钕玻璃激光器包括激光器光学系统、激光器电源与控制系统等。激光器光学系统包括依次相连的多模叠加的电光调Q振荡器，可饱和吸收被动光隔离器、预放大器，以及与预放大器分别相连的两个前置主放大器、两个后置主放大器，级间使用空间适配器耦合，可饱和吸收被动光隔离器位于振荡器输出端，其用途是抑制系统放大自发辐射能量(ASE)。振荡器和放大器均采用全腔循环水冷，保证重复频率工作下钕玻璃棒、泵浦氙灯和聚光腔的散热。电光调Q振荡器包括依次组合的1.054μm波长激光全反射镜、KD^*P电光调Q晶体、1.054μm波长激光偏振器、钕玻璃棒状激光工作物质、激光振荡器输出耦合镜。重复率千兆瓦钕玻璃激光器的电源与控制系统，包括各级充电电压控制、各级氙灯触发及调Q触发延迟电路控制、光闸开关控制、重复工作频率选择等，均预设计算机控制接口。

要实现复杂形状工件的激光冲击强化和激光冲击成形，必须要有一个能实现多轴复合运动的工作平台。目前普通机床的五坐标的工作台一般都是龙门式或立柱式的，不能满足冲击的运动要求，因此本发明提出了一种叠加式的五轴工作平台。叠加式工作台具有三个直线滑动平台，分别是X、Y、Z，另有由支撑平台与旋转台组成的B、C两个旋转平台，其中X方向直线滑动平台在最下方，Y方向直线滑动平台在X方向上方，Y向直线滑动平台上安装C方向支撑平台，C向支撑平台上安装C向旋转台，C向旋转台上安装Z方向直线滑动平台，在Z向直线滑动平台侧面安装B方向支撑平台，在B方向支撑平台上安装B向旋转工作台，五轴工作平台的动力驱动装置设有X、Y、Z三个方向的伺服电机。上件安装在B向旋转工作台上，根据被加工工件的形状，通过计算机的控制工作台的运动，选择工件表面与激光束的相交位置和相交角度，进行冲击，完成加工。

为了将重复频率千兆瓦钕玻璃激光器、五轴工作台、工业控制计算机等进行系统集成，形成一套完整、有机联系的激光冲击成形强化系统，本发明采用开放式分布控制系统，用一台工业控制计算机作为上位机，通过现场总线将重复率千兆瓦钕玻璃激光器、五轴工作台、工业控制计算机连接起来，通过激光冲击处理软件实现各环节的信息交换。根据系统的工作要求，各环节的控制器负责具体对象的控制，相互间的信息交换通过工业控制计算机进行处理，系统在工业控制计算机的协调和控制下可以进行手动操作，也可以根据激光冲击处理软件进行控制，实现相关功能。

本发明的优点在于：第一，将激光冲击强化与激光冲击成形两种激光冲击制造技术集成于一个系统，大幅降低了激光冲击设备的成本；第二，激光冲击成形强化系统的建立，极大地简化了激光冲击处理的操作流程，操作人员精简到只需一人通过计算机控制即可；第三，通过计算机控制激光冲击成形强化系统，避免了操作人员直接接触激光器，提高了操作安全性；第四，开发出激光冲击成形强化的控制系统(包括软件与硬件)，实现了激光冲击参数、轨迹的精确控制和冲击成形过程的在线监控，提高了激光冲击处理的效率。

附图说明

图1为激光冲击成形强化系统集成框图。

图2为激光器光学系统排布示意图

1.半导体光路指示激光器；2.1.054μm波长激光全反射镜；3.1.054μm波长激光半透半反分束镜；4.钕玻璃棒状激光工作物质；5.1.054μm波长激光空间适配扩束镜；6.可饱和吸收被动光隔离器；7.激光振荡器输出耦合镜；8.1.054μm波长激光偏振器；9.KD^*P电光调Q晶体。

图3为五轴工作平台结构示意图

10.Z向伺服电机；11.Z向直线滑动平台；12.B向旋转台；13.B向支撑平台；14.C向旋转台；15.C向支撑平台；16.Y向直线滑动平台；17.X向直线滑动平台；18.Y向伺服电机；19.X向伺服电机

具体实施方式

激光冲击成形强化系统，核心组成是重复率千兆瓦钕玻璃激光器。激光器可以采用手动控制和自动控制两种不同的方法进行控制。手动控制方式工作时在激光器充电电源控制面板上进行操作，通过不同按钮的控制实现相关参数的设定和控制；自动控制则在面板设定部分(氙灯触发延迟时间与调Q延迟时间等)固定参数外，通过外部的计算机实现激光冲击主要工艺参数的控制，主要控制参数是激光脉冲发射频率、触发开关及激光脉冲输出能量。

激光器光学排布如图2所示，双灯泵浦Φ8×200的电光调Q钕玻璃振荡器产生多模叠加激光脉冲种籽信号，中心波长λ₀＝1.054μm，脉冲能量≤1.5J，脉冲宽度≤20ns。种籽信号通过Cr⁴⁺：YAG可饱和吸收被动隔离器(6)隔离放大自发辐射能量(ASE)，然后进入空间适配扩束镜扩束，扩束后进入双灯泵浦Φ14×350的钕玻璃预放大器，经过预放大后的脉冲能量≈10J。预放大后的激光束经空间适配扩束镜扩束，再通过两个正交放置的45°全反射光学铰链反射180°，支撑到45°半透半反分束镜(3)，透射光束直接进入双灯泵浦钕玻璃Φ16×350前置主放大器I-1；反射光束使用一个45°全反射镜反射进入并联的双灯泵浦钕玻璃Φ16×350前置主放大器I-2；通过前置主放大器放大后的脉冲能量之和≈20～25J，通过前置主放大器放大之后的光束分别经空间适配扩束镜扩束，进入双灯泵浦钕玻璃Φ20×350后置主放大器II-1、II-2放大最终输出，后置主放大器放大后脉冲能量之和≈40～50J。

五轴工作平台设有数控接口，通过激光冲击处理软件控制X、Y、Z三个方向的滑动和B、C两个方向转动，可以精确控制固定在旋转工作平台上的工件的冲击轨迹，误差≤±0.1mm。工业控制计算机与激光器电源、五轴工作平台通过接口连接，各控制单元与接口之间采用现场总线(CAN)连接。

本发明激光冲击处理程序可实现以下控制功能：

1.通过0-5V数控电压精确控制激光器电源的充电电压，从而控制激光器的输出激光脉冲能量；

2.通过对五轴工作平台的运动控制(直线运动控制精度≥0.1mm，转动控制精度≥0.1°)，将工件固定在工作平台上，实现了对激光冲击轨迹的精确控制与优化；

3.通过外触发同步接口，控制激光器氙灯及电光调Q的触发频率与开关；

4.使用程序控制激光冲击处理的辅助功能开关：循环水冷机、流水约束层水阀、光闸等；

5.系统状态显示：主要显示各从机的工作状态、工作台各坐标的限位情况、水阀的工作状态、光闸的工作状态、循环水冷机工作状态等。

Claims

1.激光冲击成形强化系统，其特征是通过现场总线将重复率千兆瓦钕玻璃激光器、五轴工作台、工业控制计算机连接起来，使用激光冲击处理软件将三者集成一个系统；其中重复率千兆瓦钕玻璃激光器包括激光器光学系统、激光器电源与控制系统。

2.根据权利要求1所述的激光冲击成形强化系统，其特征在于：所述五轴工作台具有X、Y、Z三个方向直线滑动平台(11、16、17)，以及由支撑平台和旋转台组成的B、C两个旋转平台，其中X向直线滑动平台(17)在最下方，Y向直线滑动平台(17)在X方向的上方，Y向直线滑动平台(17)上安装C向支撑平台(15)，C向支撑平台(15)上安装C向旋转台(14)，C向旋转台(14)上安装Z向直线滑动平台(11)，在Z向直线滑动平台(11)侧面安装B向支撑平台(13)，在B向支撑平台(13)上安装B向旋转工作台(12)，五轴工作平台的动力驱动装置设有X、Y、Z三个方向的伺服电机(19、18、10)。

3.根据权利要求1所述的激光冲击成形强化系统，其特征在于：所述的激光器光学系统包括依次相连的电光调Q振荡器，可饱和吸收被动光隔离器(6)、预放大器，以及与预放大器分别相连的两个前置主放大器，两个后置主放大器；级间使用空间适配器耦合。

4.根据权利要求3所述的激光冲击成形强化系统，其特征在于：所述的振荡器和放大器均采用全腔循环水冷。

5.根据权利要求3所述的激光冲击成形强化系统，其特征在于：重复率千兆钕玻璃激光器的激光器电源与控制系统，包括各级充电电压控制、各级氙灯触发及调Q触发延迟电路控制、光闸开关控制、重复工作频率选择，均预设计算机控制接口。

6.根据权利要求3所述的激光冲击成形强化系统，其特征在于：电光调Q振荡器包括依次组合的1.054μm波长激光全反射镜(2)、KD*P电光调Q晶体(9)、1.054μm波长激光偏振器(8)、钕玻璃棒状激光工作物质(4)、激光振荡器输出耦合镜(7)。