一種激光沖擊強(qiáng)化金屬零件表面的功率密度補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種激光沖擊強(qiáng)化金屬零件表面的功率密度補(bǔ)償方法，屬于激光加工技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 常規(guī)的激光打孔、切割、焊接等加工技術(shù)中，激光W小焦距球面透鏡（一般小于 F300)匯聚，在焦點(diǎn)位置與材料發(fā)生作用，相當(dāng)于W最大功率密度作用在材料上。
[0003] 激光沖擊強(qiáng)化處理為一種利用高功率密度短脈沖激光束穿過水約束層福射在祀 材表面吸收層，吸收層迅速氣化電離形成高溫等離子體，高溫等離子體受水約束層限制，于 是膨脹爆炸形成高壓沖擊波，高壓沖擊波傳入祀材內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化過程中，激 光束與祀材表面法線夾角為零，但由于工程應(yīng)用時強(qiáng)化對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激光束與祀材法線 必須傾斜才能進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，然而傾斜入射激光束光斑在祀材表面投影會被拉長，如 圖1所示，假設(shè)作用面為金屬零件表面2,激光束1傾斜入射方向與金屬零件表面2的法線的 夾角為0，則入射光斑面積4在金屬零件表面2上的投影光斑面積3增大1/COS0，由功率密度 公式^化為激光功率密度，τ為脈寬，A為光斑在祀材表面投影面積)可知，激光功率密 Af 度降至ICOS0，影響激光沖擊強(qiáng)化效果。同時，傾斜入射激光沖擊強(qiáng)化祀材時，由于水約束層 會對激光束產(chǎn)生很大的反射率，所W要求激光與作用面法線的夾角小于60%并且激光沖擊 處理要求激光作用區(qū)域的功率密度誤差也不能超出10%。因此要保持激光作用區(qū)域的功率 密度穩(wěn)定或者光斑形狀穩(wěn)定，需要采用功率密度補(bǔ)償?shù)姆桨浮Ｄ壳凹す鈨A斜入射的激光沖 擊處理要保證功率密度穩(wěn)定采用的方法一般是增加激光脈沖功率密度或者縮小激光光斑 大小等方法，但采用雙面強(qiáng)化或者其它特殊要求時，不僅需要雙面的功率密度匹配，還需要 形狀的匹配，位置的匹配，需要有一種可調(diào)節(jié)壓縮比例、保持光線軸屯、、功率密度誤差不超 出10%的精確補(bǔ)償方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提供了一種激光沖擊強(qiáng)化金 屬零件表面的功率密度補(bǔ)償方法，其目的是利用柱面鏡或者柱面鏡組合，對激光作用延伸 方向進(jìn)行預(yù)壓縮，保證激光投影區(qū)域功率密度保持恒定，保證強(qiáng)化效果的技術(shù)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0006] 該種激光沖擊強(qiáng)化金屬零件表面的功率密度補(bǔ)償方法，其特征在于:該方法是指 激光束（1)傾斜入射方向與金屬零件表面(2)的法線夾角Θ小于60°時，并且激光沖擊強(qiáng)化過 程中，使金屬零件表面(2)與透鏡之間的距離大于300mm，應(yīng)采用W下方法之一對激光傾斜 入射光斑(7)的功率密度進(jìn)行補(bǔ)償：
[0007] 方法一、將單個凸柱面鏡(5)放置在激光束（1)對金屬零件表面(2)的入射路徑上， 凸柱面鏡(5)的中屯、線與激光束（1)的中屯、線重合，入射激光束（1)通過凸柱面鏡(5)聚焦在 金屬零件表面(2)上，凸柱面鏡(5)的焦距η為400~2000mm，凸柱面鏡（5)的中屯、點(diǎn)距離金 屬零件表面(2)的距離D1應(yīng)滿足W下公式：
[000引 Dl=flcos 目 公式 1
[0009] 該方法先通過凸柱面鏡(5)對激光束（1)的入射光斑面積(4)進(jìn)行單向壓縮R COS0 形成單向壓縮光斑(6)，然后由激光束（1)與金屬零件表面(2)法線夾角Θ，對單向壓縮光斑 (6)長軸方向進(jìn)行壓縮，實現(xiàn)金屬零件表面(2)上激光傾斜入射光斑(7)與入射光斑面積(4) 相等，該方法效果:實現(xiàn)激光傾斜入射的功率密度補(bǔ)償，誤差5 % W內(nèi)；避免激光沖擊強(qiáng)化過 程中水飛瓣對凸柱面鏡(5)的污染，延長凸柱面鏡(5)更換周期；
[0010] 方法二、將一個凸柱面鏡(5)和一個凹柱面鏡(8)依次放置在激光束（1)對金屬零 件表面(2)的入射路徑上，凸柱面鏡（5)與凹柱面鏡（8)的中屯、線與激光束（1)的中屯、線重 合，入射激光束（1)通過凸柱面鏡(5)與凹柱面鏡(8)構(gòu)成的壓束鏡效果所形成的平行光束 聚焦在金屬零件表面(2)上，凸柱面鏡巧)和凹柱面鏡(8)的焦距n、f2均為400~2000mm，凸 柱面鏡(5)和凹柱面鏡(8)的中屯、點(diǎn)之間的距離D2滿足W下公式：
[00川 D2 = n-f2 公式 2
[0012] f2/fl = cos 目 公式 3
[0013] 該方法先通過凸柱面鏡(5)對激光束（1)的入射光斑面積(4)進(jìn)行單向壓縮R COS0 形成單向壓縮光斑(6)，并且凸柱面鏡(5)與凹柱面鏡(8)構(gòu)成的壓束鏡效果形成平行光束， 然后由激光束（1)與金屬零件表面(2)法線夾角Θ，對單向壓縮光斑(6)長軸方向進(jìn)行壓縮， 實現(xiàn)金屬零件表面(2)上激光傾斜入射光斑(7)與入射光斑面積(4)相等，該方法效果：凸柱 面鏡(5)與凹柱面鏡(8)組合形成壓束鏡效果，實現(xiàn)滿足飛瓣安全距離的凹柱面鏡(8)與金 屬零件表面(2)之間任意距離功率密度補(bǔ)償，誤差5% W內(nèi)；避免激光沖擊強(qiáng)化過程中水飛 瓣對凹柱面鏡(8)的污染，延長凹柱面鏡(8)更換周期；
[0014] 方法Ξ、將一個聚焦透鏡(9)和一個凸柱面鏡(5)的組合一依次放置在激光束（1) 對金屬零件表面(2)的入射路徑上，或?qū)⒁粋€聚焦透鏡(9)、一個凸柱面鏡(5)和一個凹柱面 鏡(8)的組合二依次放置在激光束（1)對金屬零件表面(2)的入射路徑上，組合一和組合二 的的中屯、線與激光束（1)的中屯、線重合，入射激光束（1)通過組合一聚焦在金屬零件表面 (2)上，入射激光束（1)通過組合二構(gòu)成的壓束鏡效果所形成的平行光束聚焦在金屬零件表 面(2)上，凸柱面鏡（5)和凹柱面鏡(8)的焦距n、f2均為400~2000mm，聚焦透鏡(9)的焦距 為500~1000mm，凸柱面鏡(5)的中屯、點(diǎn)距離金屬零件表面(2)的距離D3滿足W下公式：
[0015] D3 = flcos 目 公式 4
[0016] 凸柱面鏡(5)和凹柱面鏡(8)的中屯、點(diǎn)之間的距離D4滿足W下公式：
[0017] D4 = fl-f2 公式 5
[0018] f2/fl = cos 目 公式 6
[0019] 通過調(diào)節(jié)聚焦透鏡(9)和凸柱面鏡（5)之間的距離，將激光傾斜入射光斑(7)的直 徑縮小至1~3mmW實現(xiàn)小光斑功率密度補(bǔ)償。
[0020] 該方法除方法一和方法二技術(shù)外，同時調(diào)節(jié)聚焦透鏡(9)和凸柱面鏡(5)之間的距 離使激光傾斜入射光斑(7)達(dá)到激光功率密度補(bǔ)償和調(diào)整光斑大小的目的，實現(xiàn)小光斑功 率密度補(bǔ)償，擴(kuò)寬激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用范圍。
[0021] 本發(fā)明技術(shù)方案的特點(diǎn)是在不改變激光光斑形狀的條件下，利用透鏡組合的方 式，通過對激光作用延伸方向進(jìn)行預(yù)壓縮的方式，保證壓束后激光保持原來的入射方向，實 現(xiàn)傾斜入射作用區(qū)域等同于垂直入射，不改變光斑形狀，比常規(guī)補(bǔ)償方法更靈活，使激光沖 處理工藝得到技術(shù)上的提升和進(jìn)步，擴(kuò)大了適用性。
【附圖說明】
[0022] 圖1為激光傾斜入射時光斑變化的原理圖
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