CN113930607B - 一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法，属于激光冲击强化技术领域，包括大能量激光器发射原始激光，原始激光经偏振调节单元、第一分布式分束单元、第二分布式分束单元后得到a*a束激光；a*a束激光中的透射激光经聚焦光学单元聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑；a*a束激光中的成像激光被能量分析仪接收；根据成像激光的能量分布计算得到透射激光的能量分布，并根据透射激光的能量分布，控制移动台移动，同时控制三维运动单元运动调整工件的位置，使分布式聚焦光斑均匀的设置在工件表面；能够解决现有激光冲击强化装置体积大、能耗高、效率低，且强化效果不均匀的问题。

Description

一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法
技术领域
本发明涉及一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法，属于激光冲击强化技术领域。
背景技术
激光冲击强化是利用高峰值功率的强脉冲激光作用在涂覆金属表面的吸收层，提高金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种激光加工技术。
经过对光路的多年创新研究，现有的几种不同类型的激光冲击强化装置，大体采用以下两种方式来实现提高加工效率的目的：方式一为采用单激光器进行单光束加工，此方式需要对材料进行先后多次冲击，效率低下；方式二为采用两台激光器发射两路激光进行两面冲击，此方式虽能提升效率，但是设备整体体积较大、能耗较高。对于工业应用上，迫切需要一种体积小、能耗低、效率高，同时能保证强化效果的设备。
发明内容
本发明提供了一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法，能够解决现有激光冲击强化装置体积大、能耗高、效率低，且强化效果不均匀的问题。
一方面，本发明提供了一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统，所述系统包括大能量激光器、偏振调节单元、第一分布式分束单元、第二分布式分束单元、聚焦光学单元及精调单元；
所述大能量激光器用于发射原始激光；所述原始激光的原始大光斑的圆形冲击面均分为a个区域，所述a大于或等于2；
所述偏振调节单元、所述第一分布式分束单元、所述第二分布式分束单元及所述聚焦光学单元沿所述原始激光传输方向依次设置；
所述偏振调节单元用于将所述原始激光处理为偏振激光并输出，所述偏振激光包括偏振态与所述原始激光平行的激光及偏振态与所述原始激光垂直的激光，偏振态与所述原始激光垂直的激光占所述偏振激光能量的0.5％-2％；
所述第一分布式分束单元用于将所述偏振激光分割为传输方向互相平行的a束激光，a束激光对应在a个所述区域内传输；
所述第二分布式分束单元用于将每个所述区域内的激光再次分割为传输方向互相平行的a束激光，至此得到a*a束激光；
所述精调单元包括偏振分光片，所述偏振分光片设置在所述第二分布式分束单元与所述聚焦光学单元之间，用于透射a*a束激光中偏振态与所述原始激光平行的透射激光；
所述聚焦光学单元用于将所述透射激光聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，所述聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑，待加工的工件设置在所述聚焦光学单元输出所述分布式聚焦光斑的一侧；
所述偏振分光片还用于反射所述a*a束激光中偏振态与所述原始激光垂直的成像激光；
所述精调单元还用于根据所述成像激光监控所述a*a束激光的能量分布，调制所述分布式聚焦光斑的能量分布，使所述分布式聚焦光斑分布在所述工件表面。
可选的，所述a*a束激光中的每束激光均能量相等。
可选的，所述第一分布式分束单元及所述第二分布式分束单元均包括多个分束镜及多个反射镜；
每一所述分束镜用于将通过的所述激光分割为一束与所述原始激光平行的激光和一束与所述原始激光垂直的激光；
所述反射镜用于将与所述原始激光垂直的激光束调整为与所述原始激光平行的激光束。
可选的，所述精调单元还包括能量分析仪、计算机及分布式移动系统；
所述能量分析仪用于接收所述成像激光，并实时监测所述成像激光的能量分布；
所述计算机与所述能量分析仪电连接，用于根据所述成像激光的能量分布计算得到所述透射激光的能量分布；
所述分布式移动系统包括a*a个移动台，所述第二分布式分束单元中最终出射a*a激光的分束镜或反射镜分别设置在对应的所述移动台上；
所述计算机还用于根据所述透射激光的能量分布，控制所述移动台移动，改变a*a束激光之间的相互间距，以调整所述分布式聚焦光斑的能量分布。
可选的，所述加工系统还包括送水单元，所述送水单元用于在所述工件表面铺设水膜。
可选的，所述加工系统还包括三维运动单元，所述工件设置于所述三维运动单元上，所述三维运动单元用于调整所述工件的位置。
可选的，所述加工系统还包括控制子系统，所述控制子系统用于控制所述大能量激光器、所述三维运动单元及所述送水单元工作。
另一方面，本发明提供了一种应用于上述任一项所述的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的加工方法，所述方法包括：
控制所述大能量激光器发射原始激光；所述原始激光经所述偏振调节单元、所述第一分布式分束单元、所述第二分布式分束单元后得到a*a束激光；所述a*a束激光中的所述透射激光经所述聚焦光学单元聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，所述聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑；所述a*a束激光中的所述成像激光被能量分析仪接收；
所述计算机根据所述成像激光的能量分布计算得到所述透射激光的能量分布，并根据所述透射激光的能量分布，控制所述移动台移动，优化分布式聚焦光斑的均匀性，同时控制所述三维运动单元运动调整所述工件的位置，使精调后的所述分布式聚焦光斑均匀的设置在所述工件表面。
所述三维运动单元带动所述工件进行预设工艺路径的冲击强化操作。
本发明能产生的有益效果包括：
采用本发明的自适应的分布式激光冲击强化加工系统对能量分布不均匀的冲击大光斑进行能量调制，采用分布式冲击方式，将冲击大光斑分割调制成能量均匀的、对称分布的类正方形光斑，从而解决了局部上、整体上的强化效果不均匀的问题。
相比较于现有的冲击强化装置，本发明的自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法在保证强化效果的同时，采用单台激光器作为光源并匀化冲击光斑，体积更小、能耗更低、效率更高、强化均匀性更好。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的原始大光斑的四个能量分布区域示意图；
图3为本发明实施例提供的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的分布式聚焦光斑横截面形状示意图；
图4为本发明实施例提供的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的分布式聚焦光斑与原始大光斑的冲击效果对比图；
图5为本发明实施例提供的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的4*4束激光产生装置示意图。
部件和附图标记列表：
1、大能量激光器；2、偏振调节单元；3、第一分布式分束单元；3.1、分束镜；3.2、反射镜；4、第二分布式分束单元；5、聚焦光学单元；6、精调单元；6.1、偏振分光片；6.2、能量分析仪；6.3、计算机；6.4、分布式移动装置；7、三维运动单元；8、工件；9、送水单元；10、控制子系统；101、原始激光；102、偏振激光；103、4束激光；104、4*4束激光；105、透射激光；106、成像激光；107、分布式聚焦光斑；108、原始大光斑；103.1、激光A；103.2、激光B；103.3、激光C；103.4、激光D。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
如图1-5所示，一方面，本发明实施例提供了一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统，系统包括大能量激光器1、偏振调节单元2、第一分布式分束单元3、第二分布式分束单元4、聚焦光学单元5、精调单元6、送水单元9、三维运动单元7及控制子系统10。
大能量激光器1用于发射原始激光101；原始激光101的原始大光斑108的圆形冲击面均分为a个区域，a大于或等于2。
偏振调节单元2、第一分布式分束单元3、第二分布式分束单元4及聚焦光学单元5沿原始激光101传输方向依次设置。
偏振调节单元2用于将原始激光101处理为偏振激光102并输出，偏振激光102包括偏振态与原始激光101平行的激光及偏振态与原始激光101垂直的激光，偏振态与原始激光101垂直的激光占偏振激光102能量的0.5％-2％。
第一分布式分束单元3用于将偏振激光102分割为传输方向互相平行的a束激光，a束激光对应在a个区域内传输。
第二分布式分束单元4用于将每个区域内的激光再次分割为传输方向互相平行的a束激光，至此得到a*a束激光，且a*a束激光中的每束激光均能量相等。
精调单元6包括偏振分光片6.1，偏振分光片6.1设置在第二分布式分束单元4与聚焦光学单元5之间，用于透射a*a束激光中偏振态与原始激光101平行的透射激光105。
聚焦光学单元5用于将透射激光105聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑107，待加工的工件8设置在聚焦光学单元5输出分布式聚焦光斑107的一侧。
偏振分光片6.1还用于反射a*a束激光中偏振态与原始激光101垂直的成像激光106。
精调单元6还用于根据成像激光106监控a*a束激光的能量分布，调制分布式聚焦光斑107的能量分布，使分布式聚焦光斑107分布在工件8表面。
第一分布式分束单元3及第二分布式分束单元4均包括多个分束镜3.1及多个反射镜3.2，分束镜3.1和反射镜3.2与激光的偏振态无关；
每一分束镜3.1用于将通过的激光分割为一束与原始激光101平行的激光和一束与原始激光101垂直的激光；
反射镜3.2用于将与原始激光101垂直的激光束调整为与原始激光101平行的激光束。
精调单元6还包括能量分析仪6.2、计算机6.3及分布式移动系统；能量分析仪6.2用于接收成像激光106，并实时监测成像激光106的能量分布；计算机6.3与能量分析仪6.2电连接，用于根据成像激光106的能量分布计算得到透射激光105的能量分布；分布式移动系统包括a*a个移动台，第二分布式分束单元4中最终出射a*a激光的分束镜3.1或反射镜3.2分别设置在对应的移动台上。
计算机6.3还用于根据透射激光105的能量分布，控制移动台移动，改变a*a束激光之间的相互间距，以调整分布式聚焦光斑107的能量分布。
送水单元9用于在工件8表面铺设水膜，水膜作为能量约束层。
工件8设置于三维运动单元7上，三维运动单元7用于调整工件8的位置。三维运动单元7实现x/y/z三轴运动，带动工件8按规划的工艺路径进行运动。
控制子系统10用于控制大能量激光器1、三维运动单元7及送水单元9工作。
具体的，如图1所示，本实施例中大能量激光器1用于发射一束原始激光101，该原始激光101通过偏振调节单元2处理后输出一束偏振激光102，偏振激光102中水平偏振激光102与竖直偏振激光102之比为99:1。
如图1、图2所示，该偏振激光102再通过第一分布式分束单元3被分割为4束激光103，包括激光A103.1、激光B103.2、激光C103.3和激光D103.4，且每束激光的能量占偏振激光102的1/4。原始大光斑108为传统未经处理的激光光斑，其冲击面呈圆形，将其对此的分为第一区域、第二区域、第三区域及第四区域，分别为原始大光斑108圆形冲击面的右上角、左上角、左下角、右下角这四个区域。经第一分布式分束单元3出射的4束激光103分别在原始大光斑108的第一区域、第二区域、第三区域及第四区域内传输，并针对这四个区域分别进行第二级分布式光斑能量均匀化设计。
如图1、图3所示，激光A103.1、激光B103.2、激光C103.3和激光D103.4分别进入第二分布式分束单元4，被分割为4*4束激光104，这4*4束激光104互相平行且沿原始激光101传输方向传输，4*4束激光104中每束激光的能量相等。
4*4束激光104经偏振分光片6.1后，出射占比99％能量的透射激光105和占比1％能量的成像激光106。
其中，透射激光105进入聚焦光学单元5，经聚焦光学单元5后，这4*4束激光104被聚焦成16个能量互相有重叠的聚焦小光斑，形成分布式聚焦光斑107，分布式聚焦光斑107的光斑冲击面呈类正方形状，每个正方形冲击面内中心线上的能量分布均匀，呈平顶式分布，从局部上提高了冲击强化效果的均匀性。
成像激光106由能量分析仪6.2接收，实时监测成像激光106的能量分布，并通过计算机6.3分析光斑对称性，得到透射激光105的能量分布，计算机6.3发出指令控制分布式移动装置6.4运行，自适应的实现对4*4束激光104光斑能量分布的精细调制，使分布式聚焦光斑107落在工件8表面，实现均匀化的激光冲击强化。
如图4所示，采用本发明生成的分布式聚焦光斑107能能更有效的填充整个工件8表面，不残留空余未冲击面或不对同一位置进行过多次重复冲击，进一步的从宏观上提高冲击强化效果的均匀性。
如图5所示，第一分布式分束单元3包括3个分束镜3.1与3个反射镜3.2，第二分布式分束单元4均包括12个分束镜3.1与12个反射镜3.2。
分布式移动装置6.4由16个移动台组成，与分布式聚焦光斑107数量相等，第二分布式分束单元4中最终出射4*4激光的分束镜3.1或反射镜3.2分别设置在对应的移动台上，通过控制移动台运动带动对应的分束镜3.1或反射镜3.2运动，改变a*a束激光之间的相互间距，实现对分布式聚焦光斑107能量分布的精细调制。
偏振激光102入射第一分布式分束单元3，经一个分光镜变成两束激光。两束激光中一束激光经过一个分束镜3.1输出激光A103.1；依次经过一个分束镜3.1、一个反射镜3.2输出激光B103.2。
两束激光中另一束激光依次经过一个反射镜3.2、一个分束镜3.1输出激光C103.3；依次经过一个反射镜3.2、一个分束镜3.1、一个反射镜3.2输出激光D103.4，形成4路激光。
另一方面，本发明实施例提供了一种应用于上述任一项的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的加工方法，方法包括：控制大能量激光器1发射原始激光101；原始激光101经偏振调节单元2、第一分布式分束单元3、第二分布式分束单元4后得到a*a束激光；a*a束激光中的透射激光105经聚焦光学单元5聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑107；a*a束激光中的成像激光106被能量分析仪6.2接收。
计算机6.3根据成像激光106的能量分布计算得到透射激光105的能量分布，并根据透射激光105的能量分布，控制移动台移动，优化分布式聚焦光斑107的均匀性，同时控制三维运动单元7运动调整工件8的位置，使精调后的分布式聚焦光斑107均匀的设置在工件8表面。
三维运动单元7带动所述工件8进行预设工艺路径的冲击强化操作。
采用本发明的自适应的分布式激光冲击强化加工系统对能量分布不均匀的冲击大光斑进行能量调制，采用分布式冲击方式，将冲击大光斑分割调制成能量均匀的、对称分布的类正方形光斑，从而解决了局部上、整体上的强化效果不均匀的问题。
相比较于现有的冲击强化装置，本发明的自适应的分布式激光冲击强化加工系统与方法在保证强化效果的同时，采用单台激光器作为光源并匀化冲击光斑，体积更小、能耗更低、效率更高、强化均匀性更好。
以上，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种自适应的分布式激光冲击强化加工系统，其特征在于，所述系统包括大能量激光器、偏振调节单元、第一分布式分束单元、第二分布式分束单元、聚焦光学单元及精调单元；
所述大能量激光器用于发射原始激光；所述原始激光的原始大光斑的圆形冲击面均分为a个区域，所述a大于或等于2；
所述偏振调节单元、所述第一分布式分束单元、所述第二分布式分束单元及所述聚焦光学单元沿所述原始激光传输方向依次设置；
所述偏振调节单元用于将所述原始激光处理为偏振激光并输出，所述偏振激光包括偏振态与所述原始激光平行的激光及偏振态与所述原始激光垂直的激光，偏振态与所述原始激光垂直的激光占所述偏振激光能量的0.5%-2%；
所述第一分布式分束单元用于将所述偏振激光分割为传输方向互相平行的a束激光，a束激光对应在a个所述区域内传输；
所述第二分布式分束单元用于将每个所述区域内的激光再次分割为传输方向互相平行的a束激光，至此得到a*a束激光；
所述精调单元包括偏振分光片，所述偏振分光片设置在所述第二分布式分束单元与所述聚焦光学单元之间，用于透射a*a束激光中偏振态与所述原始激光平行的透射激光；
所述聚焦光学单元用于将所述透射激光聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，所述聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑，待加工的工件设置在所述聚焦光学单元输出所述分布式聚焦光斑的一侧；
所述偏振分光片还用于反射所述a*a束激光中偏振态与所述原始激光垂直的成像激光；
所述精调单元还用于根据所述成像激光监控所述a*a束激光的能量分布，调制所述分布式聚焦光斑的能量分布，使所述分布式聚焦光斑分布在所述工件表面；
所述精调单元还包括能量分析仪、计算机及分布式移动系统；
所述能量分析仪用于接收所述成像激光，并实时监测所述成像激光的能量分布；
所述计算机与所述能量分析仪电连接，用于根据所述成像激光的能量分布计算得到所述透射激光的能量分布；
所述分布式移动系统包括a*a个移动台，所述第二分布式分束单元中最终出射a*a激光的分束镜或反射镜分别设置在对应的所述移动台上；
所述计算机还用于根据所述透射激光的能量分布，控制所述移动台移动，以调整所述分布式聚焦光斑的能量分布。
2.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于，所述a*a束激光中的每束激光均能量相等。
3.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于，所述第一分布式分束单元及所述第二分布式分束单元均包括多个分束镜及多个反射镜；
每一所述分束镜用于将通过的所述激光分割为一束与所述原始激光平行的激光和一束与所述原始激光垂直的激光；
所述反射镜用于将与所述原始激光垂直的激光束调整为与所述原始激光平行的激光束。
4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，所述加工系统还包括送水单元，所述送水单元用于在所述工件表面铺设水膜。
5.根据权利要求4所述的加工系统，其特征在于，所述加工系统还包括三维运动单元，所述工件设置于所述三维运动单元上，所述三维运动单元用于调整所述工件的位置。
6.根据权利要求5所述的加工系统，其特征在于，所述加工系统还包括控制子系统，所述控制子系统用于控制所述大能量激光器、所述三维运动单元及所述送水单元工作。
7.一种应用于权利要求1-6任一项所述的自适应的分布式激光冲击强化加工系统的加工方法，其特征在于，所述方法包括：
控制所述大能量激光器发射原始激光；所述原始激光经所述偏振调节单元、所述第一分布式分束单元、所述第二分布式分束单元后得到a*a束激光；所述a*a束激光中的所述透射激光经所述聚焦光学单元聚焦为a*a个互相有重叠的聚焦小光斑，所述聚焦小光斑共同构成呈类正方形状的分布式聚焦光斑；所述a*a束激光中的所述成像激光被能量分析仪接收；
所述计算机根据所述成像激光的能量分布计算得到所述透射激光的能量分布，并根据所述透射激光的能量分布，控制所述移动台移动，同时控制三维运动单元运动调整所述工件的位置，使精调后的所述分布式聚焦光斑均匀的设置在所述工件表面。
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