[发明专利]一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法

说明书

技术领域

本发明是一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，属 于激光加工技术领域。

背景技术

常规的激光打孔、切割、焊接等加工技术中，激光以小焦距球面透 镜(一般小于F300)汇聚，在焦点位置与材料发生作用，相当于以最大 功率密度作用在材料上。

激光冲击强化处理为一种利用高功率密度短脉冲激光束穿过水约束层辐射在靶材表面吸收层，吸收层迅速气化电离形成高温等离子体，高温等离子体受水约束层限制，于是膨胀爆炸形成高压冲击波，高压冲击波传入靶材内部进行强化。激光冲击强化过程中，激光束与靶材表面法线夹角为零，但由于工程应用时强化对象结构复杂，激光束与靶材法线必须倾斜才能进行激光冲击强化，然而倾斜入射激光束光斑在靶材表面投影会被拉长，如图1所示，假设作用面为金属零件表面2，激光束1倾斜入射方向与金属零件表面2的法线的夹角为θ，则入射光斑面积4在金属零件表面2上的投影光斑面积3增大1/cosθ，由功率密度公式(E为激光功率密度，τ为脉宽，A为光斑在靶材表面投影面积)可知，激光功率密度降至Icosθ，影响激光冲击强化效果。同时，倾斜入射激光冲击强化靶材时，由于水约束层会对激光束产生很大的反射率，所以要求激光与作用面法线的夹角小于60°，并且激光冲击处理要求激光作用区域的功率密度误差也不能超出10％。因此要保持激光作用区域的功率密度稳定或者光斑形状稳定，需要采用功率密度补偿的方案。目前激光倾斜入射的激光冲击处理要保证功率密度稳定采用的方法一般是增加激光脉冲功率密度或者缩小激光光斑大小等方法，但采用双面强化或者其它特殊要求时，不仅需要双面的功率密度匹配，还需要形状的匹配，位置的匹配，需要有一种可调节压缩比例、保持光线轴心、功率密度误差不超出10％的精确补偿方法。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种激光 冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其目的是利用柱面镜或者 柱面镜组合，对激光作用延伸方向进行预压缩，保证激光投影区域功率 密度保持恒定，保证强化效果的技术。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其特征在于： 该方法是指激光束(1)倾斜入射方向与金属零件表面(2)的法线夹角θ小 于60°时，并且激光冲击强化过程中，使金属零件表面(2)与透镜之间的 距离大于300mm，应采用以下方法之一对激光倾斜入射光斑(7)的功率密 度进行补偿：

方法一、将单个凸柱面镜(5)放置在激光束(1)对金属零件表面(2)的 入射路径上，凸柱面镜(5)的中心线与激光束(1)的中心线重合，入射激 光束(1)通过凸柱面镜(5)聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)的焦 距f1为400～2000mm，凸柱面镜(5)的中心点距离金属零件表面(2)的距 离D1应满足以下公式：

D1＝f1cosθ公式1

该方法先通过凸柱面镜(5)对激光束(1)的入射光斑面积(4)进行 单向压缩Rcosθ形成单向压缩光斑(6)，然后由激光束(1)与金属零 件表面(2)法线夹角θ，对单向压缩光斑(6)长轴方向进行压缩，实现 金属零件表面(2)上激光倾斜入射光斑(7)与入射光斑面积(4)相等， 该方法效果：实现激光倾斜入射的功率密度补偿，误差5％以内；避免激 光冲击强化过程中水飞溅对凸柱面镜(5)的污染，延长凸柱面镜(5)更换 周期；

方法二、将一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)依次放置在激光束 (1)对金属零件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)的中 心线与激光束(1)的中心线重合，入射激光束(1)通过凸柱面镜(5)与凹柱 面镜(8)构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表面(2) 上，凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的焦距f1、f2均为400～2000mm，凸柱 面镜(5)和凹柱面镜(8)的中心点之间的距离D2满足以下公式：

D2＝f1-f2公式2

f2/f1＝cosθ公式3