強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化方法和系統的製作方法

2023-04-26 04:22:51 1

專利名稱：強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料表面雷射強化的領域，特別是涉及一種宏觀及微觀強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化的方法和系統。
背景技術：
材料的雷射表面強化多由雷射束經聚焦形成的高斯圓光斑或經過特定的光束轉換系統形成的矩形、線形等具有一定形狀的花樣光斑直接作用於材料表面，通過數控工具機控制工件與雷射束的相對運動軌跡及光閘的啟閉對材料表面或其要求部位進行表面強化處理。
清華大學、中科院物理所和中國大恆公司利用光束二元光學轉換技術將能量為高斯分布的光束轉換為能量均勻分布的線形光束，並將其應用於齒輪和凸輪的表面強化。把光束變換和數控技術結合也可實現模具表面不同的強化軌跡(江蘇理工大學周建忠等(《模具工業》，2000，Vol.4，52)，《農業機械學報》，2001，Vol.32，116)或對要求的部位或表面進行強化。在這些強化工藝中，線形光束的能量分布是均勻的，而其它大多數情況下光束的有效轉換僅僅是改變了焦平面上光斑的形狀(其能量分布仍是高斯分布)。因此，利用上述光束形狀轉換技術對材料表面進行強化處理時，其強化區的組織結構在宏觀上是均勻的，微觀上沒有太大的差別。通常雷射束經聚焦後形成直徑很小的光斑，儘管雷射脈衝重複率可以達到上千次乃至上萬次，但處理大、中型模具表面仍需要較長的時間，而且由於光斑為圓形，在進行表面強化時為了完全地處理材料表面，就難免產生光斑的重疊，這樣會引起表面強化的不均勻，影響處理效果。眾所周知，材料合理的強韌性配合是其優異性能的根本保證。因此，如果能使材料表面具有韌性區域和硬質區域周期或非周期交替分布，無疑可以賦予材料優異的表面性能。採用光束變換是實現這一目的的有效方法。光束變換可以從光束的時間特性和空間特性兩個方面進行，時間特性如脈衝雷射的頻率，脈寬等，空間特性如模式分布，光斑形狀等。利用二元光學轉換元件可以對光束進行空間特性的變換。

發明內容
本發明的目的之一克服上述已有處理方法和裝置在強化處理材料表面後，其強化區的組織結構在宏觀上是均勻的，微觀上沒有太大的差別的缺陷；本發明的目的之二利用基於Dammann周期性位相光柵原理研製的二元光學轉換元件，安置在光束變換光路中，通過二元光學轉換元件，經時間、空間轉換後的每個光斑尺度內多支雷射束呈點陣周期或非周期分布，把高斯雷射束轉變為焦平面上呈點陣分布的多支對稱或非對稱束，這樣，在材料的雷射處理表面的每個光斑尺度內，可以靈活有效地控制雷射束與材料的相互作用軌跡，實現材料表面的組織結構在微觀上具有非均勻分布，使材料表面達到優異的強韌性配合，從而提供一種宏觀及微觀強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化的方法和系統。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的宏觀及微觀強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化系統，包括雷射器、擴束鏡和聚焦透鏡，雷射加工頭、光導纖維，光電檢測器和工控計算機；其中雷射器的輸出光路上按順序設置擴束鏡和聚焦透鏡；雷射器輸出端經與光導纖維連接在雷射加工頭上，光電檢測器將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，輸入工控計算機；其特徵在於還包括一基於Dammann周期性位相光柵原理研製的二元光學轉換元件，該二元光學轉換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間。
所述的二元光學轉換元件，為在光學玻璃基片上採用刻蝕法製備出的具有2臺階結構表面浮雕輪廓相位型光學元件，其中臺階高度為0-20um。
本發明提供的宏觀及微觀強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化的方法，包括以下步驟(1)根據基於材料表面輪廓形狀建立的加工軌跡數據，將雷射加工頭置於初始加工位置，啟動雷射器輸出雷射，宏觀上強化軌跡的周期分布是通過調整前後2個光斑之間間隔程度來實現，所述的光斑之間間隔程度通過調整雷射加工頭和材料表面之間的相對運動速度v的大小來調整的；(2)同時，通過光電檢測器將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，工控計算機接收到高電平電壓信號時，發送停止指令給控制器，使雷射加工頭停止運動；(3)經過預定設計的單位加工時段後，關閉雷射器，光電檢測器將採集到的光信號轉化為低電平電壓信號，輸送到工控計算機中去，工控計算機接收到低電平電壓信號時，發送運動指令給控制器，指令雷射加工頭開始運動，並移動至下一個加工點位置上；(4)重複上述步驟，直至待強化區域全部完成為止；還包括一機器人，該機器人具有3-5軸聯動的加工臂，如中國專利公開號CN1215644加工裝置。機器人兩次運動位置之間光斑的距離a，就是工藝要求中周期分布之光斑間隔。
所述的加工時間段至少為一個雷射脈衝寬度。
所述加工時段內雷射束與材料的相互作用時間為b/v，其中機器人速度為v，強化周期為b，通過調整雷射加工頭和材料表面之間的相對運動速度v的大小來調整光斑的周期間隔程度。
所述的光斑大小為m，強化周期為b(b＞m)，則光斑間隔就是a＝b-m。所述的光斑間隔為0～1mm，光斑作用區長度為1～10mm。
如圖3所示，宏觀上強化光斑的周期分布是通過調整前後2個光斑之間間隔程度來實現，其中光斑大小為m，強化周期為b(b＞m)，則光斑間隔就是a＝b-m。
由於通過在本發明的裝置中更換不同的二元光學轉換元件，可以方便地控制微觀強化軌跡，這樣即可在方形光斑的焦平面上形成點陣周期或非周期分布的多支細束，在雷射器輸出時間段內可在材料表面有效地控制雷射束的強化軌跡與分布。
如上所述，根據預定的強化周期，通過控制雷射束與材料表面之間的相對運動速度，可使雷射束在材料表面獲得宏觀上呈周期或非周期分布的強化軌跡；同時，由於該裝置中設置一二元光學轉換元件，使雷射經時間、空間轉換後的每個光斑尺度內也具有點陣周期或非周期分布的強化軌跡。這樣，經雷射表面強化處理後的材料表面，宏觀上呈現出具有強化區、介於強化區和基體之間的過渡區和基體區的周期或非周期性梯度分布；在每個光斑尺度內，同樣具有點陣強化區、介於點陣之間的過渡區和基體區的周期或非周期性梯度分布。因此，利用本發明所提出的宏觀和微觀強化軌跡及分布相結合的材料表面雷射強化新方法，可以使材料的宏觀表面在微觀結構上具有非均勻分布，即強化區彌散分布於高韌性的基體上，從而賦予了材料優異的強韌性配合。
本發明的優點在於該方法在材料表面可實現宏觀和微觀上強化區、過渡區、基體區周期或非周期性的梯度分布，根據材料使用性能要求和表面輪廓形狀有效地對其表面進行定位、定量表面強化處理，解決了現有的材料表面常規連續雷射強化工藝中出現的材料組織結構一致、強韌性不能有效匹配等問題。尤其是每個光斑內微觀強化軌跡的形成，在每個光斑尺度內實現了硬質強化區、過渡區及高韌性基體區的周期或非周期性梯度分布，高硬度的硬質強化區彌散分布於高韌性基體上，極大地提高了材料表面強度、韌性等綜合使用性能，為在高溫、衝擊、腐蝕等惡劣環境條件下，承受強烈摩擦磨損作用的耐磨運動零部件(如大型模具、石化機械裝備中的高溫高壓閥門密封運動副、航空發動機高溫封嚴摩擦副等)的雷射表面強化，提供了一種行之有效的、具有非常廣闊的工業應用前景方法和裝置。


圖1是刻蝕法製作2階二元光學轉換元件示意圖，其中圖1也是刻蝕法製作多階二元光學轉換元件工藝示意2a是採用二元光學轉換元件把高斯光束轉變為焦平面上點陣周期分布的多支對稱束示意圖(點陣為3×3，共9支細雷射束)圖2b同上，點陣為7×7(49支細雷射束)圖2c是採用二元光學轉換元件把高斯光束轉變為焦平面上環形分布2d是採用二元光學轉換元件把高斯光束轉變為焦平面上7×7缺級分布3是本發明的雷射光路系統示意4是本發明實施例中處理試樣的宏觀強化軌跡示意5是本發明實施例1雷射處理後的材料表面形貌，可見宏觀周期強化軌跡6是本發明實施例中的雷射強化系統的示意7是本發明實施例2雷射處理後的材料表面形貌，可見宏觀周期強化軌跡8是本發明實施例2雷射處理後的材料橫截面二維顯微維氏硬度分布，可見材料表面形成了強化區、過渡區與基體區的周期性梯度分布。
附圖標示1、輸入雷射束2、擴束鏡3、二元光學變換元件4、聚焦透鏡 5、轉換後輸出的多支雷射束6、試樣 7、光斑8、雷射器9、工控計算機10、機器人11、雷射加工頭 12、光電檢測器 13、光導纖維14、通訊電纜具體實施方式
結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明參照附圖1，基於Dammann周期性位相光柵原理設計二元光學轉換元件的一般方法首先以一維光柵進行優化設計，然後在X和Y方向作二維擴展。該方法設計較為方便，但不利於衍射效率的提高，更無法實現任意二維衍射圖樣的設計。為了簡化設計，採用二臺階刻蝕法製備二元光學轉換元件，在x和y方向均勻採樣，使一個周期單元形成網格型孔徑，則此單元的位相分布由每個矩形孔徑單元的位相分布共同決定，在設計中，將每個矩形孔徑單元的取為1或者0，以此來代表其位相取二值的情況。利用解析計算能解出小分束比光柵的結構參數，而當分束比M≥2時，則必須採用優化設計。製作工藝分按照形成臺階方法的不同，又分為加法和減法兩種工藝途徑。圖1表示的是減法工藝，又稱刻蝕法，本實施例就是採用該方法在基底表面形成圖1所示兩臺階結構的表面浮雕輪廓相位型光學元件，其中臺階高度為0-20um。
實施例1參照附圖3，在雷射器8輸出光的光路上順序設置一擴束鏡2和聚焦鏡4，並在擴束鏡2和聚焦鏡4之間加上一塊φ50mm的、可使光束形成3×3點陣的二元光學轉換元件3，即圖1所示光學轉換元件3。
參照附圖4和5，雷射器8輸出端與雷射加工頭11之間通過光導纖維13連接；雷射器8通過通訊電纜14與雷射加工頭11電聯結，雷射加工頭11的運動由工控計算機9控制，光電檢測器12將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，輸入工控計算機9。
從雷射器8發出的雷射束1進入光束變換器的擴束鏡2擴束後透過光學轉換元件3形成具有點陣分布的矩形光束；再經過聚焦鏡4在焦平面上形成多支雷射束5，其成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑內的光束點陣由3×3構成(如圖2a)，點陣中每個點上的能量密度分布相同，功率密度從7～15J/mm2。還可以利用這種具有點陣周期或非周期分布特徵的雷射處理裝置中，再與框架式機器人結合，可以實現對大型模具等材料表面宏觀及微觀周期或非周期強化，二元光學轉換元件在光路中的位置如圖3所示。在材料的表面強化過程中，宏觀上雷射運動軌跡可通過控制機器人系統和雷射器系統的相對運動實現；如圖5所示。微觀上，藉助於每個光斑中雷射束的點陣周期或非周期分布可獲得材料表面的特殊強化效果。
實施例2本實施例採用實施例1的系統，不同的是採用500WYAG脈衝雷射器8(峰值功率可達7KW)，和雷射加工頭11安裝在具有五自由度框架式機器人10上(如中國專利公開號CN1215644加工裝置)，雷射器參數脈寬24ms，脈衝重複率4Hz；採用可使光束形成3×3點陣的二元光學轉換元件3，採用單個脈衝，波形為矩形，光斑尺寸1.25×1.25mm2，光斑上的總能量密度是7.5J/mm2，對9×9×15mm3的球墨鑄鐵試樣6的9×15mm2表面進行雷射處理，處理後的表面如圖6所示。
具體材料表面雷射強化的方法，包括以下步驟(1)加工系統啟動後，根據試樣6的材料表面的宏觀加工軌跡資料庫，調整雷射加工頭11到起始位置，起始位置一般為加工表面的一個稜邊處，如圖5所示的第一個加工點，該起始位置可由測量數據或CAD給出；(2)到位信號由機器人10從I/O輸入口傳送給工控計算機9，工控計算機9即行通過通訊電纜14發送出光指令給雷射器8，雷射器8輸出光24ms，同時，光電檢測器12將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，通過光纖13輸入到工控計算機9中去，工控計算機9接收到高電平電壓信號時，發送停止指令給機器人本身的控制器，控制機器人(加工頭)停止運動，保證此時間段內雷射加工頭11相對於加工點位置保持靜止，形成第一個加工斑點；(3)關閉雷射器停止發光的瞬間，光電檢測器12將採集到的光信號轉化為低電平電壓信號，輸送到工控計算機9中去，工控計算機9通過I/O輸入口發送運動指令給機器人10的控制模塊，指令機器人10開始運動，調動機器人10以6mm/s速度運動，運動250ms，移動距離1.5mm後，到達第二個加工位置；如果調整速度為5mm/s，則間隔距離為0；如果調整速度為8mm/s，則可實現宏觀加工軌跡中周期間隔為0.75mm。
當移動機器人10移至下一個加工點時，重複上述步驟。
這樣，在宏觀加工直線軌跡上兩個相鄰光斑8之間形成的間隔為移動距離和光斑尺寸之差，即1.5mm-1.25mm＝0.25mm。光束在每個加工(光斑)位置的停留時間為24ms。經耐磨性測試(環塊磨損試驗機，載荷1500N，磨損時間8h，20號機油潤滑)表明，雷射處理面是未處理面耐磨性的2.8倍(處理層20μm內)。
實施例3本實施例的結構同實施例1，不同之處在於本實施例採用空間呈7×7點陣分布的二元光學轉換元件，並設置在實施例的裝置光路系統中。採用平均功率為2000W的YAG雷射器8，該雷射器8參數為脈寬80ms，脈衝重複率2Hz；採用波形為矩形的單脈衝，光斑尺寸為3×3mm2，光斑上的能量密度是12.4J/mm2，機器人10運動時的速度為50mm/s，在宏觀加工直線軌跡上兩個相連光斑之間的間隔為0.2mm，在每個光斑位置上的停留時間為80ms。對9×9×15的球墨鑄鐵試樣6的9×15表面進行雷射處理，處理後的表面如圖7所示，經耐磨性測試(環塊磨損試驗機，載荷1500N，磨損時間60h，20號機油潤滑)表明，雷射處理面是未處理面耐磨性的11.5倍(處理層100μm處)。雷射表面強化處理後橫截面(一個光斑範圍)上的顯微硬度分布如圖8。可見，硬度最高的區域有7塊，這與光束的7×7點陣的某一列(行)相對應。因此，光束的點陣分布形成了明顯的周期微觀強化軌跡，使材料表面獲得了優異的強韌配合。
在本實施例中，由於雷射器峰值功率較低，為保證強化層深度，出光時間為80ms(由工藝試驗確定)，機器人10沿給定的軌跡運動速度是50mm/s，運動時間為64ms，於是宏觀周期強化軌跡上的兩個光斑之間就形成了0.2mm的間隔(50mm/s×64ms-3mm＝0.20mm)。
在以上的實施例中，在雷射器的光束變換系統中的擴束鏡和聚焦鏡之間加上一塊φ50mm的二元光學轉換元件，從雷射器8發出的雷射束進入光束變換器經擴束鏡擴束後透過光學轉換元件形成具有點陣周期分布的矩形光束；再經過聚焦鏡在焦平面上形成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑內的光束點陣由3×3、7×7、25×25等構成(如圖2)，點陣中每個點上的能量密度分布相同，功率密度從7～15J/mm2。比較本發明和普通的現有技術，採用本雷射強化方法具有不增加工藝過程控制的難度，控制系統仍然採用原有的框架式機器人系統或數控系統，強化過程的微觀強化軌跡可簡單通過更換二元光學轉換元件實現，宏觀強化軌跡可根據實際工藝要求通過調整機器人(加工頭)和雷射器的相對運動狀態和速度來實現。兩者結合就可方便地實現大型工件表面的強化軌跡為宏觀及微觀上呈周期或非周期分布的雷射表面強化。該發明可應用於脈衝和連續雷射器，然而，本發明絕不僅僅局限與此。上述實施例也表明，該發明也可和其它各種光束轉化相結合使用，從而達到所要求的強化效果。
權利要求
1.一種強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化系統，包括雷射器、擴束鏡和聚焦透鏡，雷射加工頭、光導纖維，光電檢測器和工控計算機；其中雷射器的輸出光路上按順序設置擴束鏡和聚焦透鏡；雷射器輸出端經與光導纖維連接在雷射加工頭上，光電檢測器將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，輸入工控計算機；其特徵在於還包括一基於Dammann周期性位相光柵原理研製的二元光學轉換元件，該二元光學轉換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間。
2.按權利要求1所述的強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化系統，其特徵在於所述的二元光學轉換元件，為在光學玻璃基片上採用刻蝕法製備出的具有2個臺階結構的相位元件。
3.按權利要求2所述的強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化系統，其特徵在於所述的臺階高度為0-20um。
4.一種應用權利要求1所述的強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化系統進行強化的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)根據基於材料表面輪廓形狀建立的加工軌跡數據，將雷射加工頭置於初始加工位置，啟動雷射器輸出雷射，宏觀上強化軌跡的周期分布是通過調整前後2個光斑之間間隔程度來實現，所述的光斑之間間隔程度通過調整雷射加工頭和材料表面之間的相對運動速度v的大小來調整的；(2)同時，通過光電檢測器將採集到的光信號轉化為高電平電壓信號，工控計算機接收到高電平電壓信號時，發送停止指令給控制器，使雷射加工頭停止運動；(3)經過預定設計的單位加工時段後，關閉雷射器，光電檢測器將採集到的光信號轉化為低電平電壓信號，輸送到工控計算機中去，工控計算機接收到低電平電壓信號時，發送運動指令給控制器，指令雷射加工頭開始運動，並移動至下一個加工點位置上；(4)重複上述步驟，直到待強化區域全部完成為止；
5.按權利要求4所述的強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化方法，其特徵在於，其宏觀強化軌跡中光斑之間的間隔為0～1mm，光斑作用區長度為1～10mm。
6.按權利要求4所述的強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化方法，其特徵在於，所述的加工時間段至少為一個脈衝寬度。
全文摘要
本發明涉及強化軌跡及分布可控的材料表面雷射強化的方法和系統。該系統包括雷射器、擴束鏡和聚焦透鏡，雷射加工頭和光導纖維，計算機；其中雷射器的輸出光路上按順序設置擴束鏡和聚焦透鏡；雷射器輸出端經與光導纖維連接在雷射加工頭上，雷射加工頭的運動由計算機控制；其特徵在於還包括一基於Dammann周期性位相光柵原理研製的二元光學轉換元件，該二元光學轉換元件設置在擴束鏡和聚焦透鏡之間。該方法通過更換二元光學轉換元件實現微觀控制，宏觀強化軌跡可根據實際工藝要求通過調整加工頭和雷射器的相對運動狀態和速度來實現。兩者結合就可方便地實現大型工件表面的強化軌跡為宏觀及微觀上呈周期或非周期分布的雷射表面強化。
文檔編號H01S3/101GK1534099SQ20041000847
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月12日 優先權日2003年3月28日
發明者虞鋼, 陳瑤, 巴發海, 程驚雷, 甘翠華, 穀雨, 蔣鏡昱, 王俊, 李新, 張金城, 王立新, 寧偉健, 鄭彩雲, 席明哲, 賈豔華, 崔春陽, 虞 鋼 申請人:中國科學院力學研究所