CN112317458A - 一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备与方法 - Google Patents

Abstract

本申请适用于激光加工技术领域，提供了一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备与方法，一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备包括用于承载工件的工作台组件、能够产生红外激光、绿光激光和紫外激光的激光光源组件、设置于激光的光路上的光路切换组件、第一物镜组件，以及第二物镜组件；第一物镜组件和第二物镜组件均设置于工作台组件用于承载工件的一侧，光路切换组件能够在第一状态和第二状态之间切换以分别将激光偏折至第一物镜组件和第二物镜组件。通过设置具有第一状态和第二状态的光路切换组件，可以控制激光分别偏折并耦合至第一物镜组件和第二物镜组件，可以在同一台激光加工装置上实现激光清洗和激光冲击强化加工。

Description

一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备与方法

技术领域

本申请涉及激光加工技术领域，特别涉及一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备与方法。

背景技术

激光清洗和激光冲击强化加工是一种将光的能量经过聚焦后在焦点上达到极高的能量密度，进而通过光的光效应或者热效应来实现表面加工的技术。激光清洗和激光冲击强化加工不需要与工件接触的刀具，且具有加工速度快、工件表面变形小、加工方式多样，以及可加工各种材料的工件的特点，已经被广泛应用于航空航天、汽车轮船、机械制造、电梯制造、广告制作、家用电器制造、医疗器械、五金、装饰、金属对外加工服务等各种制造行业。

传统的激光清洗加工装置存在功能单一的缺点，在加工流程涉及多种具体的激光加工方法的情景下，往往需要配置多台激光光源组件和相应的光学系统，设备结构复杂，且实际使用过程中需要耗费大量的时间调整光路和对准工件，加工效率低下，激光清洗能达到表面光亮，表面强度很难提高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，旨在解决传统的激光加工装置备结构复杂且加工效率低下的技术问题。

本申请是这样实现的，一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，包括用于承载待加工的工件的工作台组件、能够产生激光的激光光源组件、设置于所述激光的光路上的光路切换组件、第一物镜组件，以及第二物镜组件；所述激光光源组件能够产生红外激光、绿光激光和紫外激光；所述第一物镜组件和所述第二物镜组件均设置于所述工作台组件用于承载所述工件的一侧，所述光路切换组件能够在第一状态和第二状态之间切换以分别将所述激光偏折至所述第一物镜组件和所述第二物镜组件。

在本申请的一个实施例中，所述光路切换组件包括设置于所述激光的光路上且与所述激光的传播方向呈第一预设夹角的第一反射镜，以及连接所述第一反射镜的第一滑轨；所述第一反射镜能够沿所述第一滑轨滑动。

在本申请的一个实施例中，所述第一物镜组件用于对所述工件进行激光清洗，所述第一物镜组件包括第一控制镜组，以及设置于所述第一控制镜组和所述工作台组件之间的第一聚光镜组；所述第二物镜组件用于对所述工件进行激光冲击强化，所述第二物镜组件包括第二控制镜组，以及设置于所述第二控制镜组和所述工作台组件之间的第二聚光镜组。

在本申请的一个实施例中，所述第一控制镜组包括第一振镜和第二振镜，所述光路切换组件处于所述第一状态时，所述第一振镜设置于所述激光经过所述光路切换组件反射后的光路上，所述第二振镜设置于所述激光经过所述第一振镜反射后的光路上；所述第一控制镜组具有呈第二预设夹角的第一轴线和第二轴线，所述第一振镜能够绕所述第一轴线转动，所述第二振镜能够绕所述第二轴线转动，所述第一轴线与所述第二轴线垂直。

在本申请的一个实施例中，所述第二控制镜组包括第一楔形透镜和第二楔形透镜，所述光路切换组件处于所述第二状态时，所述第一楔形透镜和所述第二楔形透镜依次设置于所述激光经过所述光路切换组件后的光路上；所述第二控制镜组具有平行于所述激光经过处于所述第二状态时的光路切换组件后的光路的第三轴线，所述第一楔形透镜和所述第二楔形透镜均能够绕所述第三轴线转动。

在本申请的一个实施例中，所述工作台组件包括用于承载工件的工件吸附台、连接所述工件吸附台的旋转控制台，以及连接所述旋转控制台的三维移动控制台。

在本申请的一个实施例中，所述激光光源组件包括能够产生激光的多波长短脉冲激光器，以及设置于所述多波长短脉冲激光器和所述光路切换组件之间的激光扩束器和光束整形器。

在本申请的一个实施例中，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括防氧化装置，所述防氧化装置包括储存有高压惰性气体的储气瓶、连接所述储气瓶的气阀，以及连接所述气阀的输气管，所述输气管能够将所述储气瓶内的高压惰性气体输送至所述工件；所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括用于清除所述工件在加工过程中产生的废料的吸尘装置。

在本申请的一个实施例中，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括冷却装置，所述冷却装置包括循环水冷机，以及连接所述循环水冷机和所述激光光源组件的输水管，所述输水管能够在所述循环水冷机和所述激光光源组件之间形成水回路。

本申请还提供了一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法包括：

工件安装至工作台组件，启动用于向待加工的工件输出惰性气体的防氧化装置、用于清除所述工件在加工过程中产生的废料的吸尘装置，以及用于降低所述工件的温度的冷却装置，所述防氧化装置、所述吸尘装置和所述冷却装置连续工作；

光路切换组件切换至第一工作状态，激光光源组件发出的激光经所述光路切换组件折射向第一物镜组件；

计算机设备根据所述工件的物理性质，同时控制所述工作台组件带动所述工件运动，以及所述第一物镜组件的运动，从而控制所述激光扫描所述工件表面，从所述第一物镜组件照射向所述工件的所述激光在所述防氧化装置形成的惰性气体区域内对所述工件进行激光清洗；

所述光路切换组件切换至第二工作状态，在所述工件表面依次覆盖涂层和约束层，提高所述激光的能量至第一功率，并调整所述激光的频率至第一频率，所述激光光源组件发出的激光经所述光路切换组件后射向第二物镜组件；

所述计算机设备同时控制所述工作台组件带动所述工件运动，以及所述第二物镜组件的运动，从而控制所述激光扫描所述工件表面，从所述第二物镜组件照射向所述工件的所述激光对工件进行激光冲击强化

实施本申请任一实施例提供的一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，至少具有以下有益效果：

本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，通过设置具有第一状态和第二状态的光路切换组件，可以控制激光光源组件产生的激光分别偏折并耦合至第一物镜组件和第二物镜组件，通过配置第一物镜组件和第二物镜组件的具体结构并辅以相应的激光光照，可以在同一台激光加工装置上实现多种方法的激光加工；

进一步的，可以通过配置第一物镜组件和第二物镜组件的具体结构，以及配置相应的激光光照，在同一台激光加工装置上实现激光清洗和激光冲击强化的功能，激光清洗和激光冲击强化均需要脉宽窄、能量高的激光照射，这样，能够在无需调整激光光源组件的发光状态的前提下，实现多功能的激光加工。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请的一个实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备的具体结构示意图；

图2是本申请的一个实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备的简化结构示意图；

图3是本申请的一个实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备的光学元件的简化结构示意图；

图4是本申请的一个实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法的流程图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-工作台组件；11-工件吸附台；12-旋转控制台；13-三维移动控制台；2-激光光源组件；21-多波长短脉冲激光器；211-第一短脉冲激光器；212-第二短脉冲激光器；213-第三短脉冲激光器；22-激光扩束器；23-光束整形器；3-光路切换组件；4-第一物镜组件；41-第一控制镜组；42-第一聚光镜组；5-第二物镜组件；51-第二控制镜组；52-第二聚光镜组；6-防氧化装置；7-吸尘装置；8-工件

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请查阅图1至图3，本申请的一个实施例提供了一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，包括用于承载待加工的工件8的工作台组件1、能够产生激光的激光光源组件2、设置于激光的光路上的光路切换组件3、第一物镜组件4，以及第二物镜组件5；激光光源组件2能够产生红外激光、绿光激光和紫外激光；第一物镜组件4和第二物镜组件5均设置于工作台组件1用于承载工件8的一侧，光路切换组件3能够在第一状态和第二状态之间切换以分别将激光偏折至第一物镜组件4和第二物镜组件5。

作为本实施例的一个具体方案，激光光源组件2可以采用多波长短脉冲激光器21作为激光发生器，多波长短脉冲激光器21可以包括多个短脉冲激光器，比如，可以包括能够产生红外激光的第一短脉冲激光器211、能够产生绿色激光的第二短脉冲激光器212，以及能够产生紫外激光的第三短脉冲激光器213；更为具体的，第一短脉冲激光器211能够产生1064nm的红外激光，第二短脉冲激光器212能够产生532nm的绿色激光，第三短脉冲激光器213可以产生355nm的紫外激光。这样的配置能够满足激光清洗与激光冲击强化的加工需求，其中，1064nm的红外激光和532nm的绿色激光十分适用于激光清洗，而355nm的紫外激光具备单光子能量高，通过进一步提高紫外激光的功率密度，可以使得紫外激光十分适用于工件表面的激光冲击强化。

具体而言，本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备是这样工作的：

请查阅图1至图4，激光光源组件2能够产生与相应的激光加工方案相适配的激光。比如，对工件8进行激光清洗和激光冲击强化时，激光光源组件2可以产生脉宽窄、能量高的脉冲激光。

工作台组件1承载工件8，且用于控制工件8的相对移动，比如，工作台组件1可以包括承载工件8的工件8吸附台11、连接工件8吸附台11的旋转控制台12，以及连接旋转控制台12的三维移动控制台13。旋转控制台12能够控制工件8绕Z轴旋转(本申请各实施例中，以竖直向上方向为Z轴正方向)，三维移动控制台13可以控制工件8在三维空间内的高精度移动，以控制工件8与第一物镜组件4之间的位置关系，或者控制工件8与第二物镜组件5之间的位置关系，进而控制激光在工件8表面进行扫描加工。

光路切换组件3可以切换光路的偏折状态，当光路切换组件3处于第一状态时，能够将激光偏折至第一物镜组件4，进而对工件8进行第一种模式的加工；当光路切换组件3处于第二状态时，能够将激光偏折至第二物镜组件5，进而对工件8进行第二种模式的加工。

在本申请的一些实施例中，第一物镜组件4可以是用于对工件8进行激光清洗的，第二物镜组件5可以是用于对工件8进行激光冲击强化的。

实施本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，至少具有以下有益技术效果：

本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，通过设置具有第一状态和第二状态的光路切换组件3，可以控制激光光源组件2产生的激光分别偏折并耦合至第一物镜组件4和第二物镜组件5，通过配置第一物镜组件4和第二物镜组件5的具体结构并辅以相应的激光光照，可以在同一台激光加工装置上实现多种方法的激光加工；

进一步的，可以通过配置第一物镜组件4和第二物镜组件5的具体结构并辅以相应的激光光照，在同一台激光加工装置上实现激光清洗和激光冲击强化的功能，激光清洗和激光冲击强化均需要脉宽窄、能量高的激光照射，这样，能够在无需调整激光光源组件2的发光状态的前提下，实现多功能的激光加工。

请查阅图1至图3，作为本实施例的一个具体方案，用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括用于检测激光加工质量的视觉检测设备91，以及用于控制工作台组件1、第一物镜组件4、第二物镜组件5和视觉检测设备91的计算机设备92。

在本申请的一个实施例中，光路切换组件3包括设置于激光的光路上且与激光的传播方向呈第一预设夹角的第一反射镜(图中未示出)，以及连接第一反射镜的第一滑轨(图中未示出)；第一反射镜能够沿第一滑轨滑动。

作为本实施例的一个具体方案，第一预设夹角为45°，即第一反射镜45°斜对激光光源组件2发出的激光设置。第一滑轨可以是沿激光光源组件2发出的激光所在的方向设置的，第一反射镜沿第一滑轨移动时，第一反射镜会在45°斜对第一物镜组件4的位置(第一状态)和45°斜对第二物镜组件5的位置(第二状态)之间切换，从而将激光分别偏折并耦合至第一物镜组件4和第二物镜组件5；第一滑轨也可以是沿Z轴设置的，或者是沿平行于第一反射镜所在平面设置的，第一反射镜沿第一滑轨移动时，第一反射镜会在45°斜对第一物镜组件4的位置(第一状态)和偏离激光光路的位置(第二状态)之间切换，从而将激光分别偏折并耦合至第一物镜组件4和第二物镜组件5。

作为本实施例的一个具体方案，光路切换组件3还包括定位弹簧(图中未示出)，定位弹簧的其中一端抵接第一反射镜，定位弹簧能够对第一反射镜施加一个预压力，使第一反射镜能够严格地以45°角斜对第一物镜组件4，确保第一反射镜反射后的激光能够被顺利耦合至第一物镜组件4中。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，第一物镜组件4用于对工件8进行激光清洗，第一物镜组件4包括第一控制镜组41，以及设置于第一控制镜组41和工作台组件1之间的第一聚光镜组42；第二物镜组件5用于对工件8进行激光冲击强化，第二物镜组件5包括第二控制镜组51，以及设置于第二控制镜组51和工作台组件1之间的第二聚光镜组52。

在激光清洗的过程中，激光光源组件2发出的激光经过第一反射镜的折射被耦合至第一物镜组件4中，经过第一控制镜组41的偏折后被第一聚光镜组42聚焦在工件8的表面，最终被工件8表面上的污染物层所吸收。污染层在大能量的激光光照下形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波并将污染物变成碎片，进一步的，碎片能够在用于向工件8鼓吹惰性气体的防氧化装置6和吸尘装置7的作用下被剔除。激光清洗具有效率高、便于清洗孔槽内壁、不损伤基底、噪音小和方便快捷等优点。

在激光冲击强化的过程中，激光光源组件2发出的激光经过第一反射镜的折射被耦合至第二物镜组件5中，经过第二控制镜组51的偏折后被第二聚光镜组52聚焦在工件8的表面。工件8表面依次向外设置有吸光且易被气化的涂层，以及透光的约束层，大功率的短脉冲激光在极短时间内照射工件8表面的涂层，涂层气化发出的冲击波在约束层的束缚下对工件8表面进行脉冲冲击，导致极高的压应力，使工件8表面发生塑性变形，形成密集的位错、空位和空位团，从而改变工件8表面的组织和力学性能，提高工件8表面硬度、抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。激光冲击强化时一种洁净无污染的表面处理方法，同时激光冲击具有柔性强的有点，可以处理工件8表面的圆角、拐角等应力集中的部位。

激光清洗具有效率高、便于清洗孔槽内壁、不损伤基底、噪音小和方便快捷等优点，但是经过激光清洗的工件8(以金属制工件8为例)存在质地软、易生锈和容易疲劳等问题；而激光冲击强化能够通过高冲击压力，使工件8表面产生塑性变形层，形成密集的位错、空位和空位团，从而改变工件8表面的组织和力学性能，提高工件8的表面硬度、抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能，且具有便于加工孔槽内壁、无机械损伤、无热应力损伤和对工件8表面粗糙度无影响等优点。通过在激光加工设备中集成激光清洗的加工方式和激光冲击强化的加工方式，能够通过激光冲击强化弥补激光清洗加工的缺点，且激光清洗和激光冲击强化能够适配的工件8种类相近，便于形成优势互补，清理工件表面氧化层的同时还能起到对工件8进行表面处理的功能。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，第一控制镜组41包括第一振镜(图中未示出)和第二振镜(图中未示出)，第一振镜设置于激光经过处于第一状态时的光路切换组件3反射后的光路上，第二振镜设置于激光经过第一振镜反射后的光路上；第一振镜能够绕第一轴线转动，第二振镜能够绕第二轴线转动，第一轴线与第二轴线呈第二预设夹角(优选为直角)。

通过控制第一振镜绕第一轴线的转动，并控制第二振镜绕第二轴线的转动，可以控制经过第一控制镜组41后的激光的出光方向，激光进一步经过第一聚光镜组42的聚焦并扫描工件8表面，实现激光清洗。

同样的，本实施例中，第二控制镜组51也可以采用和第一控制镜组41相同的结构，相应的，此时第二控制镜组51的工作方法和效果也与第一控制镜组41相同。

作为本实施例的一个具体方案，第一聚光镜组42采用具有正光焦度的聚光镜组，能够将经过第一振镜和第二振镜的折射后的光线准直后，沿Z轴的负方向照射向工件8。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，第二控制镜组51包括第一楔形透镜(图中未示出)和第二楔形透镜(图中未示出)，第一楔形透镜和第二楔形透镜依次设置于激光经过处于第二状态时的光路切换组件3后的光路上；第一楔形透镜和第二楔形透镜均能够绕第三轴线转动，第三轴线平行于激光经过处于第二状态时的光路切换组件3后的光路。

第一楔形透镜和第二楔形透镜均垂直于光轴设置，第一楔形透镜可以小幅度偏折激光光束，第二楔形透镜可以小幅度偏折激光光束。通过控制第一楔形透镜绕第三轴线的转动，并控制第二楔形透镜绕第三轴线的转动，可以控制经过第一控制镜组41后的激光的出光方向，激光进一步经过第一聚光镜组42的聚焦并扫描工件8表面，实现激光冲击强化。

具体的，第一楔形透镜和第二楔形透镜平行放置，并与第三轴线垂直，激光的入射方向则平行于第三轴线。第一楔形透镜和第二楔形透镜可绕第三轴线可控相对旋转，当第一楔形透镜和第二楔形透镜的相对偏转角为零时，激光经过第一楔形透镜和第二楔形透镜后的合成转折角亦为零，此时聚焦光斑落在第二聚光镜组52的主点位置。当第一楔形透镜和第二楔形透镜同步共同旋转时，在工件8上形成聚焦光斑。当第一楔形透镜和第二楔形透镜绕第三轴线产生相对转动时，激光光束经第一楔形透镜和第二楔形透镜后产生偏折，焦在偏离第三轴线某一距离的焦面上，进一步的，第一楔形透镜和第二楔形透镜同步旋转并在水平面上移动工件8，激光在工件8表面形成的光斑将沿圆轮廓迂回，即可实现激光束冲击强化加工。

同样的，本实施例中，第一控制镜组41也可以采用和第二控制镜组51相同的结构，相应的，此时第一控制镜组41的工作方法和效果也与第二控制镜组51相同。

作为本实施例的一个具体方案，第二聚光镜组52采用具有正光焦度的聚光镜组，能够将经过第一楔形透镜和第二楔形透镜的折射后的光线准直后，沿与Z轴负方向呈第三预设夹角的方向照射向工件8。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，激光光源组件2包括能够产生激光的多波长短脉冲激光器21，以及设置于多波长短脉冲激光器21和光路切换组件3之间的激光扩束器22和光束整形器23。

本实施例中，激光光源组件2采用多波长短脉冲激光器21，更为优选的，可以采用多波长激光同轴光纤激光器和半导体激光器的组合激光器，组合式的多波长短脉冲激光器21有利于实现两种激光清洗和激光冲击强化这两种激光技术的优势叠加，满足不同加工条件和要求，能够有效减少铜、铝等难加工材料的缺陷，增加工件8的良品率。

激光清洗和激光冲击强化的原理均基于高功率密度的相关激光与工件8的表面在特定气氛(真空，保护气，过程气)下的相互作用导致的表面改性。本实施例中，光束整形器23采用衍射光学元件(Difractive Optical Element，DOE)进行光束整形。衍射光学元件能够适配于多种类型的输入激光(如单模高斯激光、多模激光等)，在激光焦面上形成指定的光斑形状和光强分布，还能够实现在激光传播方向特定的光强分布。对于激光清洗和激光冲击强化作业，衍射光学元件能够根据实际需求产生多种相应的效果，如，产生平顶分布的圆光斑或矩形光斑；产生线形分布光斑；将非均匀多模激光进行匀化；产生环形以及多环等光斑分布；产生一维、二维多束激光分布；在传输方向上形成多焦点以及长焦深分布等。

本实施例中，通过采用衍射光学元件作为多波长光束整形器23，能够获得高度均匀、边界陡峭的激光，同时使得激光具有特定形状的平顶光斑，光斑尺寸一般在几微米到几十微米的范围。通过光束整形器23整形之后的激光光斑具有均匀性高，边界陡峭的特点。应当理解，本实施例中，由于光束整形器23的使用对激光的准直性有较高要求，多波长短脉冲激光器21发出的激光的M2参数应当小于1.3的单模激光；如果激光的M2参数过大，需要配置相应的光阑和准直系统，或空间滤波器(spatial filter)对入射激光进行处理。光束整形器23包括依次设置于激光光路上的平顶光整形元件和聚焦镜，光束平顶光整形元件对入射的激光进行相位调制后，激光在聚焦镜的近焦平面上得到想得到的平顶光斑；需要强调的是平顶光斑并不是聚焦镜的焦平面上获得的，而是在距离聚焦镜的焦平面数微米的平面上，因此安装光束整形器23时需要进行细致的三维调节以获得平顶效果。

通过设置光束整形器23，能够在工件表面形成微米级尺度的高度均匀、边缘陡峭的光斑，在激光加工中能够得到非常精密的加工效果，可以消除热效应等因素的影响。

多波长光束整形器23是对一组特定的光学参数设计的，虽然能够适用于各种波长的激光的整形，但是光束整形器23对于其他一些参数的变化非常敏感，如果激光波长、入射光直径、入射方向或工作距离发生变化，都会严重影响平顶激光光斑的质量。

作为本实施例的一个优选方案，激光扩束器22设置于多波长短脉冲激光器21和光束整形器23之间。这样，在对激光进行波前整形之前，可以首先对激光进行扩束准直，使得激光在照射到光束整形器23时具有更大的光斑直径，进而使得光束整形器23具有更小的衍射极限。对于光束整形器23而言，其能够获得的最小光斑是其衍射极限的1.5倍。因此，在激光照射光束整形器23之前扩大入射光束直径，可以在工件8的表面获得更小的激光光斑，同时能够提升光束整形器23对平顶光斑的纠错能力。

作为本实施例的一个具体方案，光束整形器23位于激光的束腰处。这样，即使激光本身具有一定的发散角，激光通过光束整形器23后的平顶效果依然明显。如果光束整形器23偏离激光的束腰位置，则照射到工件8表面的光斑大小和入射激光光束的光斑大小和发散角有关，虽然同样能够达到波前整形为平顶光斑的效果，但是激光通过光束整形器23获得的平顶光斑位置会发生改变，平顶光斑不能产生在光束最窄的位置，不利于激光能量的集中。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括防氧化装置6，防氧化装置6包括储存有高压惰性气体的储气瓶、连接储气瓶的气阀，以及连接气阀的输气管，输气管能够将储气瓶内的高压惰性气体输送至工件8；用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括用于清除工件8在加工过程中产生的废料的吸尘装置7。

储气瓶中储存有大量的高压的惰性气体，如氦气等；在气阀打开后，储气瓶中的气体即可在气压作用下沿输气管被输送至工件8的加工位置，并在工件8的加工位置处形成具有保护功能的气体氛围，避免激光清洗和激光冲击强化的过程中，工件8因在激光照射下升温而被氧化。在本申请各实施例中，控制设备控制气路装置开启并等待一段时间后，方可开始激光加工。

请查阅图1至图3，在本申请的一个实施例中，用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括冷却装置(图中未示出)，冷却装置包括循环水冷机，以及连接循环水冷机和激光光源组件2的输水管，输水管能够在循环水冷机和激光光源组件2之间形成水回路。

循环水冷机通过输水管形成的水回路对激光光源组件2进行降温；同样可选的，循环水冷机也可以通过输水管形成的水回路对工件8吸附台11进行降温。具体而言，循环水冷机包括连接输水管的制冷器和水泵，输水管中的水在水泵的作用下沿水回路循环流动，流入制冷器的水在制冷器的卡诺循环作用下降温后，被重新泵入激光光源组件2并带走激光光源组件2工作过程中产生的热能。在本申请各实施例中，控制设备控制冷却装置开启后，方可启动激光光源组件2。

请查阅图4，本申请还提供了一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法，其特征在于，用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法包括：

S100：工件8安装至工作台组件1，启动用于向待加工的工件8输出惰性气体的防氧化装置6、用于清除工件在加工过程中产生的废料的吸尘装置7，以及用于降低工件的温度的冷却装置，防氧化装置6、吸尘装置7和冷却装置连续工作；

S200：光路切换组件3切换至第一工作状态，激光光源组件2发出的激光经所述光路切换组件3折射向第一物镜组件4；

S300：计算机设备92根据工件8的物理性质，同时控制工作台组件1带动工件8运动，以及第一物镜组件4的运动，从而控制激光扫描工件8表面，从第一物镜组件4照射向工件8的激光在防氧化装置6形成的惰性气体区域内对工件8进行激光清洗；

S400：光路切换组件3切换至第二工作状态，在工件8表面依次覆盖涂层和约束层，提高激光的能量至第一功率，并调整激光的频率至第一频率，激光光源组件2发出的激光经光路切换组件3后射向第二物镜组件5；

S500：计算机设备92同时控制工作台组件1带动工件8运动，以及第二物镜组件5的运动，从而控制激光扫描工件8表面，从第二物镜组件5照射向工件8的激光对工件8进行激光冲击强化。

具体的，在本实施例中，计算机设备92通过光机电协同控制，控制工作台组件1带动工件8运动，以及第一物镜组件4的运动时，需要根据激光波长、入射光直径和入射方向调整工作距离，即第一聚光镜组42的靠近工件8的一端与工件8的距离。光束整形器23对于光学参数的变化非常敏感，光束整形器23的位置与激光波长、入射光直径和入射方向决定了激光形成平顶光斑的位置和激光能量密度最大的位置，通过上述参数的合理配置，并控制激光加工的工作距离，可以使得激光在工件8表面汇聚为最小光斑的同时，具有优秀的平顶特性，光束截面能量均匀，能源利用率高，激光清洗效果好。

同样，计算机设备92通过光机电协同控制，控制工作台组件1带动工件8运动，以及第二物镜组件5的运动时，需要根据激光波长、入射光直径和入射方向调整工作距离，即第一聚光镜组52的靠近工件8的一端与工件8的距离。光束整形器23对于光学参数的变化非常敏感，光束整形器23的位置与激光波长、入射光直径和入射方向决定了激光形成平顶光斑的位置和激光能量密度最大的位置，通过上述参数的合理配置，并控制激光加工的工作距离，可以使得激光在工件8表面汇聚为最小光斑的同时，具有优秀的平顶特性，光束截面能量均匀，能源利用率高，激光冲击强化效果好。

在本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法的S400步骤中，提高激光的能量至第一功率，并调整激光的频率至第一频率具体包括：提高激光的能量直至工件8表面的激光光斑的能量密度大于109W/cm²，调整激光的频率至激光的波长为355nm，以使得激光光斑具备短波长、高功率密度的特点，有利于进一步提高激光冲击强化的效果。

实施本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法，至少具有以下有益技术效果：

本实施例提供的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法，通过控制光路切换组件3在第一状态和第二状态之间切换，可以控制激光光源组件2产生的激光分别偏折并耦合至第一物镜组件4和第二物镜组件5，通过配置第一物镜组件4和第二物镜组件5的具体结构并辅以相应的激光光照，可以在同一台激光加工装置上实现多种方法的激光加工；

进一步的，可以通过配置第一物镜组件4和第二物镜组件5的具体结构并辅以相应的激光光照，在同一台激光加工装置上实现激光清洗和激光冲击强化的功能，激光清洗和激光冲击强化均需要脉宽窄、能量高的激光照射，这样，能够在无需调整激光光源组件2的发光状态的前提下，实现多功能的激光加工。

激光清洗具有效率高、便于清洗孔槽内壁、不损伤基底、噪音小和方便快捷等优点，但是经过激光清洗的工件8(以金属制工件8为例)存在质地软、易生锈和容易疲劳等问题；而激光冲击强化能够通过高冲击压力，使工件8表面产生塑性变形层，形成密集的位错、空位和空位团，从而改变工件8表面的组织和力学性能，提高工件8的表面硬度、抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能，且具有便于加工孔槽内壁、无机械损伤、无热应力损伤和对工件8表面粗糙度无影响等优点。通过在激光加工的流程与方法中集成激光清洗和激光冲击强化，能够通过激光冲击强化弥补激光清洗加工的缺点，且激光清洗和激光冲击强化能够适配的工件8种类相近，便于形成优势互补，清理工件表面氧化层的同时还能起到对工件8进行表面处理的功能。

以上所述仅为本申请的可选实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，包括用于承载待加工的工件的工作台组件、能够产生激光的激光光源组件、设置于所述激光的光路上的光路切换组件、第一物镜组件，以及第二物镜组件；所述激光光源组件能够产生红外激光、绿光激光和紫外激光；所述第一物镜组件和所述第二物镜组件均设置于所述工作台组件用于承载所述工件的一侧，所述光路切换组件能够在第一状态和第二状态之间切换以分别将所述激光偏折至所述第一物镜组件和所述第二物镜组件。

2.如权利要求1所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述光路切换组件包括设置于所述激光的光路上且与所述激光的传播方向呈第一预设夹角的第一反射镜，以及连接所述第一反射镜的第一滑轨；所述第一反射镜能够沿所述第一滑轨滑动。

3.如权利要求2所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述第一物镜组件用于对所述工件进行激光清洗，所述第一物镜组件包括第一控制镜组，以及设置于所述第一控制镜组和所述工作台组件之间的第一聚光镜组；所述第二物镜组件用于对所述工件进行激光冲击强化，所述第二物镜组件包括第二控制镜组，以及设置于所述第二控制镜组和所述工作台组件之间的第二聚光镜组。

4.如权利要求3所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述第一控制镜组包括第一振镜和第二振镜，当所述光路切换组件处于所述第一状态时，所述第一振镜设置于所述激光经过所述光路切换组件反射后的光路上，所述第二振镜设置于所述激光经过所述第一振镜反射后的光路上；所述第一控制镜组具有呈第二预设夹角的第一轴线和第二轴线，所述第一振镜能够绕所述第一轴线转动，所述第二振镜能够绕所述第二轴线转动，所述第一轴线与所述第二轴线垂直。

5.如权利要求3所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述第二控制镜组包括第一楔形透镜和第二楔形透镜，当所述光路切换组件处于所述第二状态时，所述第一楔形透镜和所述第二楔形透镜依次设置于所述激光经过所述光路切换组件后的光路上；所述第二控制镜组具有平行于所述激光经过处于所述第二状态时的光路切换组件后的光路的第三轴线，所述第一楔形透镜和所述第二楔形透镜均能够绕所述第三轴线转动。

6.如权利要求1-5任一项所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述工作台组件包括用于承载工件的工件吸附台、连接所述工件吸附台的旋转控制台，以及连接所述旋转控制台的三维移动控制台。

7.如权利要求1-5任一项所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述激光光源组件包括能够产生激光的多波长短脉冲激光器，以及设置于所述多波长短脉冲激光器和所述光路切换组件之间的激光扩束器和光束整形器。

8.如权利要求1-5任一项所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括防氧化装置，所述防氧化装置包括储存有高压惰性气体的储气瓶、连接所述储气瓶的气阀，以及连接所述气阀的输气管，所述输气管能够将所述储气瓶内的高压惰性气体输送至所述工件；所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括用于清除所述工件在加工过程中产生的废料的吸尘装置。

9.如权利要求1-5任一项所述的用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备，其特征在于，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工设备还包括冷却装置，所述冷却装置包括循环水冷机，以及连接所述循环水冷机和所述激光光源组件的输水管，所述输水管能够在所述循环水冷机和所述激光光源组件之间形成水回路。

10.一种用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法，其特征在于，所述用于激光清洗和激光冲击强化的复合加工方法包括：

工件安装至工作台组件，启动用于向待加工的工件输出惰性气体的防氧化装置、用于清除所述工件在加工过程中产生的废料的吸尘装置，以及用于降低所述工件的温度的冷却装置，所述防氧化装置、所述吸尘装置和所述冷却装置连续工作；

光路切换组件切换至第一工作状态，激光光源组件发出的激光经所述光路切换组件折射向第一物镜组件；

计算机设备根据所述工件的物理性质，同时控制所述工作台组件带动所述工件运动，以及所述第一物镜组件的运动，从而控制所述激光扫描所述工件表面，从所述第一物镜组件照射向所述工件的所述激光在所述防氧化装置形成的惰性气体区域内对所述工件进行激光清洗；

所述光路切换组件切换至第二工作状态，在所述工件表面依次覆盖涂层和约束层，提高所述激光的能量至第一功率，并调整所述激光的频率至第一频率，所述激光光源组件发出的激光经所述光路切换组件后射向第二物镜组件；

所述计算机设备同时控制所述工作台组件带动所述工件运动，以及所述第二物镜组件的运动，从而控制所述激光扫描所述工件表面，从所述第二物镜组件照射向所述工件的所述激光对工件进行激光冲击强化。

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