[发明专利]激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别涉及一种利用光束整形后的边缘能量增强的条带型激光束进行大面积金属部件的激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法。

背景技术

金属材料的激光表面硬化多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或者离焦后的光斑直接作用于材料表面，通过数控机床控制工件与激光束的相对运动轨迹及光闸的启闭对材料表面或其要求部位进行表面硬化。对于大面积金属表面的硬化，硬化所需激光功率密度小，激光处理区域比较大，要求处理后的金属组织在大面积上有均匀结构和表面质量，这就要求光斑具有一定的面积，从而增加扫描面积，提高加工速度。

目前的加工方法往往是通过对激光束进行离焦，扩大光斑后进行连续扫描表面硬化，这种方法虽然提高了扫描面积，增加了加工效率，但是由于光束本身为高斯或者超高斯分布，加工后的硬化层形貌为月牙形，难以满足激光表面硬化对组织结构和硬化层质量的要求。近年来，在激光表面硬化过程中为了实现一个均匀的激光作用区，激光束往往被整形为均匀分布的矩形光斑或者线形光斑。

在这些硬化工艺中，虽然激光束被整形为均匀分布，但是理论和实验研究表明，均匀的激光照射不一定能得到均匀的热作用，更不能得到均匀的激光表面硬化区域的组织结构，由均匀强度分布的光斑作用下产生的硬化层为月牙形分布。

解决这一问题的根本方法是根据激光与材料相互作用原理，控制激光与材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化，为了满足大面积金属激光表面硬化对加工效率和硬化层均匀度的两方面的要求，本发明提出了一种激光连续扫描表面硬化方法，这种方法的关键是利用二元光学元件将激光束整形为具有两端能量增强的条带型点阵光斑，然后用整形后的光斑进行激光连续扫描表面硬化，这种激光表面硬化的优点是提高加工效率的同时，大大改善了材料的硬化层均匀度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种能够将激光束整形为具有两端能量增强的条带型点阵型光斑的光束整形方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够将激光束整形为具有两端能量增强的条带型点阵光斑的设备。

本发明的第三目的在于提供一种采用具有两端能量增强的条带型光斑进行大面积金属表面激光连续扫描硬化处理的方法。

本发明的激光束整形方法，具体步骤为：

1）采用二元光学标量衍射理论，根据条带型点阵光斑内衍射级个数（光斑长度）、衍射级能量比例（光斑两端衍射级强度增强量），及衍射效率和均匀度要求，计算出二元光学元件的位相分布；

2）根据条带光斑内各个衍射级之间的距离确定元件位相的周期数，根据激光器输出光束的直径已经表面硬化设备对元件直径的要求确定元件口径，根据激光束波长确定元件刻蚀深度，从而制作光束整形二元光学元件；

3）将光束整形二元光学元件安装到激光表面硬化装置中，激光束照射步骤2）中的二元光学元件，即可将激光束整形为具有两端能量增强的条带型点阵光斑。

进一步，所述激光束光源为Nd:YAG激光器，波长为1064nm。

进一步，所述激光束整形方法中，光束整形为单列排布的点阵光斑，光斑分布为1X25~37的点阵。

进一步，所述激光束通过所述光学转换元件整形得到的光斑为具有两端能量增强的单列点阵光斑。

进一步，整形后的光斑内小光斑的间隔为单个小光斑直径的长度。

本发明的激光硬化处理设备，包括激光器、扩束镜、二元光学元件和聚焦透镜，二元光学元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器照射扩束镜产生平行光束经所述二元光学元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到具有两端能量增强的单列点阵光斑。

本发明的激光连续扫描表面硬化方法，具体为：在上述激光硬化处理设备的聚焦透镜的焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行光束经光学转换元件和聚焦透镜，具有两端能量增强的单列点阵光斑照射所述待处理材料，并以预定的速度移动光束或者待处理材料。

进一步，所述整形后的激光束是用于激光连续扫描金属表面硬化过程，扫描方向与光束的长边垂直。

进一步，所述待处理材料为金属材料。

本发明根据激光与材料相互作用原理，控制激光与材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。通过所设计制作的二元光学元件对激光器直接输出的光束整形，得到具有两端能量增强的条带型单列点阵光斑，采用此种光斑对大面积金属材料表面进行激光连续扫描硬化，使材料硬度增加的同时，大大提高了硬化层的均匀度和加工效率。