CN104526157A - 一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置包括第一激光器、第二激光器、复合加工头和加工头驱动机构；复合加工头呈中空套筒状，安装在加工头驱动机构上，由加工头驱动机构驱动其绕自身轴线整体旋转；复合加工头包括环形筒壁、上盖板、下盖板、双楔形反射镜、第一45度反射镜、第二45度反射镜、反射式聚焦镜、聚焦透镜和保护镜。本发明采用连续激光束先对微造型位置周围区域进行加热，使其温度上升，同时微造型区域位置也被热传导加热，因此在具有周围区域预热效果的激光冲击波压力作用下，微造型坑更深，有利于脉冲激光束进行冲击波时的微造型加工效率的提升。本发明还同时提供了一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工方法。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置及方法。
背景技术
早在20世纪60年代，相关研究人员发现，当激光脉冲辐照在固体材料表面时，激光与材料相互作用产生冲击波的现象。随后激光诱导冲击波的力学效应便逐步应用到工程技术领域，如材料表面的激光冲击强化处理，即利用激光诱导的冲击波，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能；以及激光层裂发涂层界面结合强度的检测，即利用激光诱导的冲击波在不同材料结合界面处反射时产生拉应力的特性，来检测涂层与基体的结合强度。
随着对激光冲击波力学效应和光力耦合关系研究的深入和发展，开拓了一个全新的制造和加工领域一以激光的力学效应为主的光力制造理论与技术，在国防和民用工业中具有广泛的应用前景，如激光冲击成形、激光冲击强化、激光冲击消除有害残余应力、激光冲击表面微加工、激光冲击高压合成、激光层裂检测等。其中，激光冲击表面微加工又称激光冲击波微造型，它是利用激光诱导的冲击波作为成形力源，使金属板料发生微观塑性变形的技术，是一种全新的快速成形方法，也是激光冲击加工技术的一个重要应用领域。
激光冲击波微造型是一种近年来发展较快的现代化加工方法。但是，现有技术中的激光冲击波微造型受到若干缺点的限制，由于激光冲击波对其造型作用微区的高速高压冲压行为，使得加工塑性较差的金属材料时，微造型凹坑边缘部分发生冲击微裂纹甚至表面破裂飞溅，造成微造型加工质量差且难以控制，同时所需的激光脉冲能量要求很高，经常需要多脉冲重叠冲击才能满足微造型要求，加工效率不高。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种加工效率更高、加工质量更好的旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置；本发明还同时提供了一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置，包括用于输出冲击波激光束的第一激光器、用于输出连续激光束或长脉宽脉冲激光束的第二激光器、复合加工头和加工头驱动机构；
所述复合加工头呈中空套筒状，安装在加工头驱动机构上，由加工头驱动机构驱动其绕自身轴线整体旋转；
所述复合加工头包括环形筒壁、上盖板、下盖板、双楔形反射镜、第一45度反射镜、第二45度反射镜、反射式聚焦镜、聚焦透镜和保护镜；
所述环形筒壁的侧壁上开设有穿透环形筒壁的第一激光入射口，所述第一激光入射口的外表面安装有可透过冲击波激光束的镀膜玻璃；所述第一激光器输出的冲击波激光束透过镀膜玻璃经由第一激光入射口进入到环形筒壁内部；所述反射式聚焦镜通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在环形筒壁的内表面上，所述位置调整机构使得反射式聚焦镜能够沿着水平方向移动；
所述上盖板和下盖板分别安装在环形筒壁的上下两端，将环形筒壁的内腔封闭；所述上盖板的中心位置开设有穿透上盖板的第二激光入射口，所述双楔形反射镜通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在上盖板的下表面，所述位置调整机构使得双楔形反射镜能够沿着水平方向移动；
所述第一45度反射镜通过一镜片夹具固定安装在上盖板的下表面；所述双楔形反射镜具有相互平行的第一楔形反射面和第二楔形反射面，第一楔形反射面与第一激光入射口的位置对应，第二楔形反射面与第二激光入射口的位置对应；
所述下盖板的中心位置开设有穿透下盖板的透光孔，透光孔与下盖板的外边缘之间开设有透光环槽，所述透过孔和透光环槽上均安装有保护镜；所述第二45度反射镜和聚焦透镜通过一镜片夹具固定安装在所述下盖板的上表面；
所述第一激光入射口、双楔形反射镜、聚焦透镜和保护镜的安装方位应使得第一激光器发射的冲击波激光束透过第一激光入射口沿水平方向入射到双楔形反射镜的第一楔形反射面，经过第一楔形反射面转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜，经过聚焦透镜的聚焦后，透过保护镜入射到工件表面的冲击波模板的待冲击区域上；
所述第一45度反射镜、第二45度反射镜和反射式聚焦镜的安装方位应使得第二激光器发射的连续激光束或长脉宽脉冲激光束透过第二激光入射口沿竖直方向入射到双楔形反射镜的第二楔形反射面，经过第二楔形反射面转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜，经过第一45度反射镜的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜，经过第二45度反射镜的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜，经过反射式聚焦镜的反射和聚焦后，输出至工件表面的冲击波模板的非冲击区域。
本发明还同时提供了一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工方法，包括如下步骤：
(1)准备冲击波模板，所述冲击波模板上根据微造型凹坑图形排布有待冲击区域和非冲击区域；
(2)在待加工工件需要微造型的位置放置及装夹冲击波模板，并使得工件上需要加工微造型凹坑的位置与冲击波模板上的待冲击区域重合；所述冲击波模板工件之间的间隙小于0.05mm，
(3)移动复合加工头，使得冲击波激光束经过传输和聚焦光路后，垂直入射到工件表面的冲击波模板的任意一个未加工过的待冲击区域上，并且冲击波激光束的聚焦焦点位于该待冲击区域的表面几何中心位置；
(4)调节复合加工头内部光路元件方位，使得连续激光束或长脉宽脉冲激光束经过传输和聚焦光路后，正好聚焦在工件上由步骤(3)确定的未加工过的待冲击区域附近表面，并且使得其聚焦焦点所在位置与步骤(3)中的冲击波激光束的聚焦焦点所在位置之间的距离等于待冲击区域的微造型凹坑半径；
(5)调节复合加工头的旋转速度，使得当双楔形反射镜的第一楔形反射面转到与冲击波激光束的入射方向垂直时，第一激光器恰好输出冲击波激光束；
(6)打开第二激光器，使其输出连续激光束或长脉宽脉冲激光束，激光束透过第二激光入射口沿竖直方向入射到双楔形反射镜的第二楔形反射面，经过第二楔形反射面转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜5，过第一45度反射镜的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜6经过第二45度反射镜的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜，经过反射式聚焦镜7反射和聚焦后，输出至工件表面的冲击波模板12冲击区域上；
(7)打开第一激光器，使其输出冲击波激光束，冲击波激光束透过第一激光入射口沿水平方向入射到双楔形反射镜的第一楔形反射面，经过第一楔形反射面的转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜，经过聚焦透镜的聚焦后，透过保护镜入射到工件表面的冲击波模板的待冲击区域上进行微造型；
(8)关闭第一激光器和第二激光器；
(9)重复步骤(3)-(8)，直至完成所有位置的微造型。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用了多光束复合激光冲击波微造型的方式，连续激光束先对微造型位置周围区域进行了加热，使其温度上升(但保持熔点以下)，同时以微造型区域位置也被热传导加热到稍低一点温度，众所周知钢铁材料温度升高则变形抗力降低、塑性增大，更有利于其压力成型，因此在具有周围区域预热效果的激光冲击波压力作用下，微造型坑更深，或者说同等深度的微造型坑所需的激光脉冲能量更低，即同等脉冲激光能量的加工效率更高，有利于脉冲激光束进行冲击波时的微造型加工效率的提升。
2、本发明中采用连续激光束先对微造型位置周围区域进行了加热，使其温度上升，变形抗力下降，塑性增大；同时微造型区域位置也被加热，塑性大大变好，使得在微造型时更不易在微造型坑附近发生裂纹现象，可显著提升微造型加工质量。
3、本发明中的复合加工头可以整体旋转，使得复合加工头散热更好，更有利于在复合加工头保护镜附近形成气流保护层，保护镜不易脏。
4、本发明中反射式聚焦镜可沿水平方向径向移动，通过移动反射式聚焦镜，可以调节各个激光束的焦点相对位置，配合复合加工头的旋转，可以实现不同直径的微造型坑，这种调节方式比现有传统激光冲击微造型单纯靠调焦斑直径的方式更为灵活，适应范围更广。
5、本发明装置的结构紧凑，易于拆装校准。
附图说明
图1为本发明所述旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置，包括用于输出冲击波激光束的第一激光器、用于输出连续激光束或长脉宽(脉冲宽度在毫秒量级及以上)脉冲激光束的第二激光器、复合加工头和加工头驱动机构；
所述复合加工头呈中空套筒状，安装在加工头驱动机构上，由加工头驱动机构驱动其绕自身轴线(图中虚线所示)整体旋转；其中，加工头驱动机构可以由数控机床主轴等机构来实现，复合加工头通过常规拉刀结构或安装支架结构与数控机床的主轴相连。
所述复合加工头包括环形筒壁1、上盖板2、下盖板3、双楔形反射镜4、第一45度反射镜5、第二45度反射镜6、反射式聚焦镜7、聚焦透镜8和保护镜9；
所述环形筒壁1的侧壁上开设有穿透环形筒壁1的第一激光入射口11，所述第一激光入射口11的外表面安装有可透过冲击波激光束的镀膜玻璃；所述第一激光器输出的冲击波激光束透过镀膜玻璃经由第一激光入射口11进入到环形筒壁1内部；所述反射式聚焦镜7通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在环形筒壁1的内表面上，所述位置调整机构使得反射式聚焦镜7能够沿着水平方向移动；其中，位置调整机构可以由调节螺栓、滚珠丝杠等机构来实现。
上盖板2和下盖板3分别安装在环形筒壁1的上下两端，将环形筒壁1的内腔封闭；所述上盖板2的中心位置开设有穿透上盖板2的第二激光入射口21。
所述双楔形反射镜4，是由两个直角反射棱镜背靠背组合构成的斜六面体镜片，具有两个可将光束直角转向的平行反射镜面，即第一楔形反射面41和第二楔形反射面42，镜片表面镀有反射膜，从而水平入射的激光束经过第一楔形反射面41的反射后将垂直出射，同时垂直入射的激光束经过第二楔形反射面42的反射后将水平出射。
所述双楔形反射镜4通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在上盖板2的下表面，所述位置调整机构使得双楔形反射镜4能够沿着水平方向移动；所述第一45度反射镜5通过一镜片夹具固定安装在上盖板2的下表面；第一楔形反射面41与第一激光入射口11的位置对应，第二楔形反射面42与第二激光入射口21的位置对应；
所述下盖板3的中心位置开设有穿透下盖板3的透光孔，透光孔与下盖板3的外边缘之间开设有透光环槽，所述透过孔和透光环槽上均安装有保护镜9；所述第二45度反射镜6和聚焦透镜8通过一镜片夹具固定安装在所述下盖板3的上表面；
所述第一激光入射口11、双楔形反射镜4、聚焦透镜8和保护镜9的安装方位应使得第一激光器发射的冲击波激光束透过第一激光入射口11沿水平方向入射到双楔形反射镜4的第一楔形反射面41，经过第一楔形反射面41转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜8，经过聚焦透镜8的聚焦后，透过保护镜9入射到工件10表面的冲击波模板12的待冲击区域上；冲击波激光束的走向如图1中的点划线所示(最后的聚焦光束行进光路垂直于工件表面，且光束中心轴线与复合加工头整体旋转的中心轴线重合)。
其中，冲击波模板12为激光冲击波微造型加工中一个不可缺少的部分，冲击波模板12的整体为平面玻璃，其可透射第一激光器和第二激光器发射的激光束，在冲击波模板12与待加工工件表面的一侧的特定区域，涂有吸收冲击波激光束的涂层(如黑漆等)，该特定区域称为待冲击区域；其他没有涂层的位置为非冲击区域；待冲击区域与非冲击区域的排布图形根据微造型图形而设计，即待冲击区域就是需要微造型的凹坑区域。
冲击波激光束的发射时机要与复合加工头的旋转周期配合，只有转到双楔形反射镜4的第一楔形反射面41转到与冲击波激光束的入射方向垂直时才发射冲击波激光束。
所述第一45度反射镜5、第二45度反射镜6和反射式聚焦镜7的安装方位应使得第二激光器发射的连续激光束或长脉宽脉冲激光束，也称为热处理激光束，其透过第二激光入射口21沿竖直方向入射到双楔形反射镜4的第二楔形反射面42，经过第二楔形反射面42转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜5，经过第一45度反射镜5的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜6，经过第二45度反射镜6的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜7，经过反射式聚焦镜7的反射和聚焦后，输出至工件10表面的冲击波模板12的非冲击区域。热处理激光束的走向如图1中的双点划线所示。
采用上述装置进行多光束复合激光冲击波微造型时，输出两束激光，即冲击波激光束和热处理激光束。冲击波激光束为高峰值功率的脉冲激光束，用于激光冲击波微造型；热处理激光束为连续激光束或长脉宽的脉冲激光束，用于对微造型周围区域进行加热。两束激光的光路独立，故波长、脉冲频率、脉宽、功率等参数均可不同。
具体来讲，采用上述装置进行多光束复合激光冲击波微造型的方法包括如下步骤：
(1)准备冲击波模板12，冲击波模板12上的待冲击区域与非冲击区域根据要求的微造型凹坑图形而排布；
(2)在待加工的工件10需要加工的位置装夹放置冲击波模板12，冲击波模板12与工件10之间的间隙小于0.05mm，并使得工件10需要加工微造型凹坑的位置与冲击波模板12上的待冲击区域重合；
(3)移动复合加工头，使得冲击波激光束经过传输和聚焦光路后，垂直入射到工件表面的冲击波模板12的任意一个未加工过的待冲击区域上，并且冲击波激光束的聚焦焦点位于该待冲击区域的表面几何中心位置；
(4)调节复合加工头内部光路元件方位，使得连续激光束或长脉宽脉冲激光束经过传输和聚焦光路后，正好聚焦在工件上由步骤(3)确定的未加工过的待冲击区域附近表面，并且使得其聚焦焦点所在位置与步骤(3)中的冲击波激光束的聚焦焦点所在位置之间的距离等于待冲击区域的微造型凹坑半径；
(5)控制复合加工头按照固定的周期旋转，使得复合加工头的旋转周期与冲击波激光束的发射时机配合，只有双楔形反射镜4的第一楔形反射面41转到与冲击波激光束的入射方向垂直时才发射冲击波激光束；
(6)打开第二激光器，使其输出连续激光束或长脉宽脉冲激光束，激光束透过第二激光入射口21沿竖直方向入射到双楔形反射镜4的第二楔形反射面42，经过第二楔形反射面42转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜5，经过第一45度反射镜5的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜6，经过第二45度反射镜6的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜7，经过反射式聚焦镜7的反射和聚焦后，输出至工件表面的冲击波模板12的非冲击区域上；
(7)打开第一激光器，使其输出冲击波激光束，冲击波激光束透过第一激光入射口11沿水平方向入射到双楔形反射镜4的第一楔形反射面41，经过第一楔形反射面41转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜8，经过聚焦透镜8的聚焦后，透过保护镜9入射到工件表面的冲击波模板12的待冲击区域上进行微造型；
(8)关闭第一激光器和第二激光器；
(9)重复步骤(3)-(8)，直至完成所有位置的微造型。
Claims (2)
1.一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工装置，其特征在于，包括用于输出冲击波激光束的第一激光器、用于输出连续激光束或长脉宽脉冲激光束的第二激光器、复合加工头和加工头驱动机构；
所述复合加工头呈中空套筒状，安装在加工头驱动机构上，由加工头驱动机构驱动其绕自身轴线整体旋转；
所述复合加工头包括环形筒壁(1)、上盖板(2)、下盖板(3)、双楔形反射镜(4)、第一45度反射镜(5)、第二45度反射镜(6)、反射式聚焦镜(7)、聚焦透镜(8)和保护镜(9)；
所述环形筒壁(1)的侧壁上开设有穿透环形筒壁(1)的第一激光入射口(11)，所述第一激光入射口(11)的外表面安装有可透过冲击波激光束的镀膜玻璃；所述第一激光器输出的冲击波激光束透过镀膜玻璃经由第一激光入射口(11)进入到环形筒壁(1)内部；所述反射式聚焦镜(7)通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在环形筒壁(1)的内表面上，所述位置调整机构使得反射式聚焦镜(7)能够沿着水平方向移动；
所述上盖板(2)和下盖板(3)分别安装在环形筒壁(1)的上下两端，将环形筒壁(1)的内腔封闭；所述上盖板(2)的中心位置开设有穿透上盖板(2)的第二激光入射口(21)，所述双楔形反射镜(4)通过一镜片夹具和一位置调整机构安装在上盖板(2)的下表面，所述位置调整机构使得双楔形反射镜(4)能够沿着水平方向移动；
所述第一45度反射镜(5)通过一镜片夹具固定安装在上盖板(2)的下表面；所述双楔形反射镜(4)具有相互平行的第一楔形反射面(41)和第二楔形反射面(42)，第一楔形反射面(41)与第一激光入射口(11)的位置对应，第二楔形反射面(42)与第二激光入射口(21)的位置对应；
所述下盖板(3)的中心位置开设有穿透下盖板(3)的透光孔，透光孔与下盖板(3)的外边缘之间开设有透光环槽，所述透过孔和透光环槽上均安装有保护镜(9)；所述第二45度反射镜(6)和聚焦透镜(8)通过一镜片夹具固定安装在所述下盖板(3)的上表面；
所述第一激光入射口(11)、双楔形反射镜(4)、聚焦透镜(8)和保护镜(9)的安装方位应使得第一激光器发射的冲击波激光束透过第一激光入射口(11)沿水平方向入射到双楔形反射镜(4)的第一楔形反射面(41)，经过第一楔形反射面(41)转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜(8)，经过聚焦透镜(8)的聚焦后，透过保护镜(9)入射到工件(10)表面的冲击波模板(12)的待冲击区域上；
所述第一45度反射镜(5)、第二45度反射镜(6)和反射式聚焦镜(7)的安装方位应使得第二激光器发射的连续激光束或长脉宽脉冲激光束透过第二激光入射口(21)沿竖直方向入射到双楔形反射镜(4)的第二楔形反射面(42)，经过第二楔形反射面(42)转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜(5)，经过第一45度反射镜(5)的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜(6)，经过第二45度反射镜(6)的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜(7)，经过反射式聚焦镜(7)的反射和聚焦后，输出至工件(10)表面的冲击波模板(12)的非冲击区域。
2.一种旋转光束预热的激光冲击波微造型加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备冲击波模板(12)，所述冲击波模板(12)上根据微造型凹坑图形排布有待冲击区域和非冲击区域；
(2)在待加工工件需要微造型的位置放置及装夹冲击波模板(12)，并使得工件上需要加工微造型凹坑的位置与冲击波模板(12)上的待冲击区域重合；所述冲击波模板(12)与工件之间的间隙小于0.05mm；
(3)移动复合加工头，使得冲击波激光束经过传输和聚焦光路后，垂直入射到工件表面的冲击波模板(12)的任意一个未加工过的待冲击区域上，并且冲击波激光束的聚焦焦点位于该待冲击区域的表面几何中心位置；
(4)调节复合加工头内部光路元件方位，使得连续激光束或长脉宽脉冲激光束经过传输和聚焦光路后，正好聚焦在工件上由步骤(3)确定的未加工过的待冲击区域附近表面，并且使得其聚焦焦点所在位置与步骤(3)中的冲击波激光束的聚焦焦点所在位置之间的距离等于待冲击区域的微造型凹坑半径；
(5)调节复合加工头的旋转速度，使得当双楔形反射镜(4)的第一楔形反射面(41)转到与冲击波激光束的入射方向垂直时，第一激光器恰好输出冲击波激光束；
(6)打开第二激光器，使其输出连续激光束或长脉宽脉冲激光束，激光束透过第二激光入射口(21)沿竖直方向入射到双楔形反射镜(4)的第二楔形反射面(42)，经过第二楔形反射面(42)的转折之后，沿水平方向入射进入第一45度反射镜(5)，经过第一45度反射镜(5)的转折之后，向下沿竖直方向入射进入第二45度反射镜(6)，经过第二45度反射镜(6)的转折之后，沿水平方向入射进入反射式聚焦镜(7)，经过反射式聚焦镜(7)的反射和聚焦后，输出至工件表面的冲击波模板(12)的非冲击区域上；
(7)打开第一激光器，使其输出冲击波激光束，冲击波激光束透过第一激光入射口(11)沿水平方向入射到双楔形反射镜(4)的第一楔形反射面(41)，经过第一楔形反射面(41)的转折之后，向下沿竖直方向入射进入聚焦透镜(8)，经过聚焦透镜(8)的聚焦后，透过保护镜(9)入射到工件表面的冲击波模板(12)的待冲击区域上进行微造型；
(8)关闭第一激光器和第二激光器；
(9)重复步骤(3)-(8)，直至完成所有位置的微造型。
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Denomination of invention: Rotating beam preheating laser shock wave micro-texturing machining device and method Effective date of registration: 20200325 Granted publication date: 20160420 Pledgee: China Minsheng Banking Corp Wenzhou branch Pledgor: ZHEJIANG JIATAI LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020330000121 |