CN111299819B - 一种折射式激光加工头偏转激光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种折射式激光加工头偏转激光的方法。包括：在折射式激光加工头内的激光传输方向上设置1～3片楔形棱镜，激光在通过棱镜的传输过程中，每个棱镜的入射面与其入射激光均垂直，使得激光通过棱镜后折射偏转作用于加工部位，折射偏转后的激光束聚焦在加工部位获得较大功率密度，其中，每个棱镜的顶角度数介于该棱镜的布儒斯特角与全反射角度之间。折射式激光加工头内设置的棱镜能将激光偏转到隐蔽面内加工位置，减少了镜面反射，同时提高了激光加工的功率密度，能够实现对内孔、隐蔽面等复杂环境的激光冲击强化，激光冲击波沿被加工件的法线传播，避免了对镜面破坏。

Description

一种折射式激光加工头偏转激光的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种折射式激光加工头偏转激光的方法。
背景技术
在航空航天领域的复杂构件精密加工中，存在大量非规则构件等复杂环境需采用激光加工。例如，在进行内孔、隐蔽面、水下等激光冲击强化或其它激光加工(如激光清洗)的场合，现有技术一般采用大倾角入射方式(倾角为入射角)进行激光加工，主要存在功率密度小、水面反射、激光可能损伤临近叶片等问题。此外，在进行内孔、隐蔽面激光冲击强化时，由于空间限制，激光冲击强化加工位置离反射镜位置过近，强激光的破坏、冲击波的冲击使反射镜容易损伤。
用于整体叶盘叶片边缘激光加工的加工头，可采用线偏振光折射式设计或者接近全反射角的折射式设计，激光以垂直入射方式进入大劈角楔镜或折射镜(劈角为镜片入射面与折射面的夹角)，以布儒斯特角折射，减少镜面反射，以邻近全反射角的折射式设计大幅度改变激光角度和功率密度，进行隐蔽面激光加工。
因此，发明人提供了一种折射式激光加工头偏转激光的方法。
发明内容
本发明的激光头中采用1～3片大劈角棱镜能将激光偏转到隐蔽面内加工位置，减少了镜面反射，提高了激光加工的功率密度，解决了针对内孔、隐蔽面等复杂环境的激光冲击强化时，反射镜容易损伤的问题。
本发明的实施例提出了一种折射式激光加工头偏转激光的方法，该评方法包括：
在折射式激光加工头内的激光传输方向上设置1～3片大劈角楔形棱镜，激光在通过棱镜的传输过程中，每个棱镜的入射面与其入射激光均垂直，使得激光通过棱镜后折射偏转作用于加工部位，折射偏转后的激光束聚焦在加工部位获得较大功率密度，其中，每个棱镜的顶角度数介于该棱镜的布儒斯特角与全反射角度之间。
优选地，所述棱镜采用直角棱镜，所述直角棱角的一个直角面作为入射面，相邻的另一斜面作为偏转折射面。
优选地，所述折射式激光加工头内采用石英玻璃材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于34.6°与43.5°之间。
优选地，所述折射式激光加工头内采用K9玻璃材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于33.7°与41.5°之间。
优选地，所述折射式激光加工头内采用YAG晶体材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于29°与33.6°之间。
优选地，当设置2片或3片的棱镜时，越靠近折射式激光加工头处的棱镜外形尺寸越小。
优选地，所述折射式激光加工头的外壳为折弯形状，并且外壳在各棱镜的顶角位置处折弯。
综上，本发明的折射式激光加工头偏转激光的方法，通过在在折射式激光加工头内的激光传输方向上设置1～3片大劈角棱镜。能够将激光光路偏转后作用于隐蔽面，减少了镜面反射，同时还增加了激光功率密度，满足激光冲击强化同时，避免了反射镜损伤，解决了航空、航天领域的整体叶盘、叶轮等结构激光冲击强化中必须局部空间激光冲击强化激光传输技术难题，实现了很好的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为采用本发明一种折射式激光加工头偏转激光的方法。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了任何等同修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
在航空制造技术中，在相关零部件上进行内孔、隐蔽面激光冲击强化时，由于空间限制，激光冲击强化加工位置离反射镜位置过近，强激光的破坏、冲击波的冲击使反射镜容易损伤。
基于现有技术不足，本发明公开了一种折射式激光加工头偏转激光的方法，参见图1所示，该方法包括：
在折射式激光加工头内的激光传输方向上设置1～3片大劈角楔形棱镜，其设置方式需满足：激光在通过棱镜的传输过程中，每个棱镜的入射面与其入射激光均垂直，同一角度棱镜，入射面与入射激光垂直可以实现最大角度的偏转角度，使得激光通过棱镜后折射偏转作用于加工部位，减少了镜面反射，折射偏转后的激光束聚焦在加工部位获得较大功率密度，其中，每个棱镜的顶角度数介于该棱镜的布儒斯特角与全反射角度之间。
需要说明的是，图1的实施例是以设置2片大劈角棱镜为例说明，实践中，也可以根据需要设置不限于1～3片的棱镜，均属于本申请的原理之内保护。
作为一种优选实施方式，当设置2片或3片的棱镜时，越靠近折射式激光加工头处的棱镜外形尺寸越小。所述折射式激光加工头的外壳为折弯形状，并且外壳在各棱镜的顶角位置处折弯。该激光加工头可设计成不同外形尺寸的型号，便于更换维护，能够满足适用于受空间限制的内孔及隐蔽面激光作用。
作为另一种优选实施方式，棱镜可以采用直角棱镜，将直角棱角的一个直角面作为入射面，相邻的另一斜面作为偏转折射面。通过采用直角棱镜，方便设置棱镜位置，有利于使入射激光垂直于棱镜面的入射面，减少了镜面反射，最大程度避免了对镜面的破坏，同时提供激光照射的功率密度。
本申请中棱镜的顶角选取原则是介于布儒斯特角与全反射角度之间，顶角的角度越接近全反射角(必需小于全反射角)，功率密度增加幅度约大，越接近布儒斯特角，线偏振光反射损失越小。
因此，作为其中一种优选实施方式，折射式激光加工头内可以采用K9玻璃材质的棱镜，在采用光学折射率为1.5的K9玻璃棱镜时，所述棱镜的顶角介于33.7°与41.5°之间。经试验证明，采用如图1所述的2片该顶角的K9玻璃棱镜，激光经过2次折射就能实现58度角的偏转，宽度缩小4倍以上，相当于功率密度增加4倍。该实施例的棱镜能够使得激光通过棱镜折射后获得较大偏转角，同时满足了功率密度的提高。
作为第二种优选实施方式，折射式激光加工头内可以采用石英玻璃材质的棱镜，在采用光学折射率为1.45的英玻璃棱镜时，所述棱镜的顶角介于34.6°与43.5°之间。同理，该顶角的石英玻璃棱镜能够使得激光通过棱镜折射后获得较大偏转角，同时满足了功率密度的提高。
作为第三种优选实施方式，折射式激光加工头内也可采用YAG晶体材质的棱镜，在采用光学折射率为1.8的YAG晶体玻璃棱镜时，所述棱镜的顶角介于29°与33.6°之间。同理，该顶角的YAG晶体棱镜能够使得激光通过棱镜折射后获得较大偏转角，同时满足了功率密度的提高。
综上，本发明通过设置有1～3片棱镜的折射式激光加工头能够将激光偏转到隐蔽面内，经偏转聚焦后增加了激光照射在加工部位的功率密度，实现隐蔽面的激光冲击强化，激光冲击波由于主要沿工件法线传播，对镜面破坏较少，在加工冲击强化过程中，通过临近工件面吹气清理溅射的水雾，实现连续的激光冲击强化。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种折射式激光加工头偏转激光的方法，其特征在于，包括：
在折射式激光加工头内的激光传输方向上设置1～3片楔形棱镜，激光在通过棱镜的传输过程中，每个棱镜的入射面与其入射激光均垂直，使得激光通过棱镜后折射偏转作用于加工部位，折射偏转后的激光束聚焦在加工部位获得较未折射偏转大的功率密度，其中，每个棱镜的顶角度数介于该棱镜的布儒斯特角与全反射角度之间；
所述棱镜采用直角棱镜，所述直角棱镜的一个直角面作为入射面，相邻的另一斜面作为偏转折射面；
当设置2片或3片的棱镜时，越靠近折射式激光加工头处的棱镜外形尺寸越小；
所述折射式激光加工头的外壳为折弯形状，并且外壳在各棱镜的顶角位置处折弯。
2.根据权利要求1所述的折射式激光加工头偏转激光的方法，其特征在于，所述折射式激光加工头内采用石英玻璃材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于34.6°与43.5°之间。
3.根据权利要求1所述的折射式激光加工头偏转激光的方法，其特征在于，所述折射式激光加工头内采用K9玻璃材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于33.7°与41.5°之间。
4.根据权利要求1所述的折射式激光加工头偏转激光的方法，其特征在于，所述折射式激光加工头内采用YAG晶体材质的棱镜时，所述棱镜的顶角介于29°与33.6°之间。
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