CN109117553A - 一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法 - Google Patents

一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料表面强化处理领域，更具体地，涉及一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法。所述方法包括：测量待加工零件强化区域的形状参数，建立选择坐标系下的待强化区域曲面方程；确定激光光束入射角度与该入射条件下激光光束与x、y、z轴的夹角；根据待加工零件的材料属性制定优选的激光冲击强化工艺，明确垂直入射条件下所需的激光光束能量；采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整；根据激光能量修正的数学判定规则，调整待强化曲面所有位置的激光能量，获得适用于等强度激光冲击能量分布规律的激光光束。该方法可实现等强度激光冲击所要求的光束能量分布的精准判定，采用修正分布规律的激光光束可实现曲面结构零件的等强度强化处理。

Description

一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化处理领域，更具体地，涉及一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法。
背景技术
激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。由于激光具有较好的可达性，能精确定位，因此激光冲击强化技术能够处理一些传统表面强化工艺不能处理的部位。
利用激光冲击冲击强化技术对齿轮齿面、涡轮盘榫槽、整体叶盘叶片零件进行处理时，特殊的形状结构要求激光光束以不同角度斜入射至强化区域。另外，待加工零件的强化区域为复杂曲面结构时，若不同位置采取相同的激光光束进行冲击处理，势必造成残余应力等表面完整性强化效果在整个待强化区域的不均匀分布。目前，如何修正光束能量分布使待强化零件在激光非垂直入射条件下获得等能量密度加工，从而完成材料的等强度激光冲击强化是技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，根据待强化曲面的形状变化对不同位置激光能量进行补偿，保持强化区域整体激光能量密度的不变(等功率密度)，从而实现等强度激光冲击处理，提升残余应力等表面完整性参数的分布均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，包括以下步骤：
S101：测量待加工零件强化区域的形状参数，建立待强化区域的曲面方程F(x,y,z)＝0；
S102：确定激光光束入射角度为θ，此条件下激光光束与x轴夹角为α，与y轴夹角为β，与z轴夹角为γ；
S103：根据待加工零件的材料属性制定优选的强化工艺，明确垂直入射条件下所需的激光光束能量E0；
S104：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置在激光光束入射角度为θ时所需激光能量修正量；
S105：根据步骤S104的激光能量补偿方式，调整待强化曲面所有位置的激光能量，获得适用于等强度激光冲击能量分布规律的激光光束。
进一步的，步骤S104的具体步骤为：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置(x0,y0,z0)处在激光光束入射角度为θ时所需激光能量需修正为：
进一步的，根据修正公式对单个光斑辐照区域进行能量修正，将计算结果以激光能量空间分布的形式进行表达，最终通过技术方式制备符合上述能量分布规律的激光光束
与现有技术相比，有益效果是：本发明根据待强化曲面的形状变化对不同位置激光能量进行补偿，保持强化区域整体激光能量密度的不变(等功率密度)，从而实现等强度激光冲击处理，提升残余应力等表面完整性参数的分布均匀性。
附图说明
图1是本发明整体结构主视图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1所示，一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，包括以下步骤：
S101：测量待加工零件强化区域的形状参数，建立待强化区域的曲面方程F(x,y,z)＝0；
S102：确定激光光束入射角度为θ，此条件下激光光束与x轴夹角为α，与y轴夹角为β，与z轴夹角为γ；
S103：根据待加工零件的材料属性制定优选的强化工艺，明确垂直入射条件下所需的激光光束能量E0；
根据不同的材料选择不同的激光冲击强化工艺，具体的，根据不同的材料属性选择对应的吸收层和约束层的材料以及厚度、脉冲能量、脉冲宽度、光斑形状与尺寸等激光参数；冲击次数、路径以及激光能量密度，由于激光能量密度直接决定了激光诱导冲击波的压力，因此最为核心的部分为激光能量密度的选择，在根据工程经验选定合适的激光能量密度后，会根据公式I0＝E/Sτ(I0:激光能量密度；E:脉冲能量；S:光斑面积；τ:脉冲宽度)进一步明确激光能量等参数。
不同金属材料在不同的激光能量密度条件下获得较好的强化效果，例如，铝合金通常选择的激光能量密度在4GW/cm2左右，而钛合金则为7GW/cm2。在初步确定激光脉冲宽度以及光束直径等参数后，可根据最优激光能量密度优选合适的激光光束能量。激光能量密度的选取范围可通过材料力学性质与激光冲击波压力的数值关系来判断。根据科研人员的理论计算与技术人员的实际验证，激光冲击诱导的冲击压力至少需大于待加工材料在高应变率状态下的弹性极限。通过材料在高应变率条件下的强度等性质可反推使其产生强化效果所需的冲击压力范围，基于激光能量密度与其所产生最大冲击压力的关系公式又可反推出可产生要求冲击压力的所需激光能量密度范围。
在本实施例中，目前最常使用约100μm厚度的黑色胶带作为烧蚀介质，即吸收层，以保护样品免受热效应；使用厚度约2mm的去离子水幕作为透明约束层。激光光斑形状大多为圆形，而光斑尺寸则需依据要求(待加工零件的尺寸限制等)在约1mm～8mm的直径范围内进行选择。
S104：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置在激光光束入射角度为θ时所需激光能量修正量；
S105：根据步骤S104的激光能量补偿方式，调整待强化曲面所有位置的激光能量，获得适用于等强度激光冲击能量分布规律的激光光束。
进一步的，步骤S104的具体步骤为：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置(x0,y0,z0)处在激光光束入射角度为θ时所需激光能量需修正为：
在本实施例中，根据修正公式对单个光斑辐照区域进行能量修正，将计算结果以激光能量空间分布的形式进行表达，最终通过技术方式制备符合上述能量分布规律的激光光束。
具体的，由于通过修正公式可以得到待强化区域任一位置的修正激光能量，因此可借助计算机获得修正激光能量随加工位置变化的分布云图，激光能量空间分布形式借助该云图进行表达。在获得不同单个光斑不同位置所需的修正激光能量后，借助激光空间整形元件或者通过激光电源的电压调节均能制备所需能量分布规律的激光光束。
在本实施例步骤S101中，针对对象是非规则形状的工件，数学判定过程一般均要求借助计算机完成。通过计算机得出强化位置的曲面方程，进行下一步的计算。
本专利提出的数学判定方法同样适用于规则形状的待强化区域，例如规则的球面区域(方程：x2+y2+z2＝0)在激光垂直入射条件下(α＝90°，β＝90°，γ＝90°)，球面区域最高位置((x,y,z)＝(0,0,1))的激光能量应按S104公式计算结果保持(E＝E0)。
在步骤S104中，在对曲面结构进行激光冲击处理时，必然存在激光光束斜入射的区域，该类区域由于光束投影面积的增大而导致实际的激光能量密度降低，斜入射区域激光能量的补偿需通过激光光束能量的提高来实现。本步骤提出修正公式以计算待强化区域的任一位置的实际所需激光光束能量。
其中，所需的激光光束能量均需要在激光器可达的技术指标内，若计算得到的激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则可以采用小尺寸(若采用圆形激光光束，则减小光束直径)的激光光束辐照更小的单次冲击面积，使得待加工曲面的曲率变化范围进一步缩小，从而降低所需的最大激光光束能量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：测量待加工零件强化区域的形状参数，建立待强化区域的曲面方程F(x,y,z)＝0；
S102：确定激光光束入射角度为θ，此条件下激光光束与x轴夹角为α，与y轴夹角为β，与z轴夹角为γ；
S103：根据待加工零件的材料属性制定激光冲击强化工艺，明确垂直入射条件下所需的激光光束能量E0；
S104：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置在激光光束入射角度为θ时所需激光能量修正量；
S105：根据步骤S104的激光能量补偿方式，调整待强化曲面所有位置的激光能量，获得适用于等强度激光冲击能量分布规律的激光光束。
2.根据权利要求1所述的一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，其特征在于，步骤S104的具体步骤为：采用能量补偿方式对待强化曲面的斜入射位置进行工艺调整，确定强化位置(x0,y0,z0)处在激光光束入射角度为θ时所需激光能量需修正为：
3.根据权利要求2所述的一种适用于等强度激光冲击的光束能量分布判定方法，其特征在于，根据修正公式对单个光斑辐照区域进行能量修正，将计算结果以激光能量空间分布的形式进行表达，最终通过技术方式制备符合上述能量分布规律的激光光束。
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