专利名称：强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料表面激光强化的领域，特别是涉及一种宏观及微观强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化的方法和系统。
背景技术：
材料的激光表面强化多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或经过特定的光束转换系统形成的矩形、线形等具有一定形状的花样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强化处理。
清华大学、中科院物理所和中国大恒公司利用光束二元光学转换技术将能量为高斯分布的光束转换为能量均匀分布的线形光束，并将其应用于齿轮和凸轮的表面强化。把光束变换和数控技术结合也可实现模具表面不同的强化轨迹(江苏理工大学周建忠等(《模具工业》，2000，Vol.4，52)，《农业机械学报》，2001，Vol.32，116)或对要求的部位或表面进行强化。在这些强化工艺中，线形光束的能量分布是均匀的，而其它大多数情况下光束的有效转换仅仅是改变了焦平面上光斑的形状(其能量分布仍是高斯分布)。因此，利用上述光束形状转换技术对材料表面进行强化处理时，其强化区的组织结构在宏观上是均匀的，微观上没有太大的差别。通常激光束经聚焦后形成直径很小的光斑，尽管激光脉冲重复率可以达到上千次乃至上万次，但处理大、中型模具表面仍需要较长的时间，而且由于光斑为圆形，在进行表面强化时为了完全地处理材料表面，就难免产生光斑的重叠，这样会引起表面强化的不均匀，影响处理效果。众所周知，材料合理的强韧性配合是其优异性能的根本保证。因此，如果能使材料表面具有韧性区域和硬质区域周期或非周期交替分布，无疑可以赋予材料优异的表面性能。采用光束变换是实现这一目的的有效方法。光束变换可以从光束的时间特性和空间特性两个方面进行，时间特性如脉冲激光的频率，脉宽等，空间特性如模式分布，光斑形状等。利用二元光学转换元件可以对光束进行空间特性的变换。
发明内容
本发明的目的之一克服上述已有处理方法和装置在强化处理材料表面后，其强化区的组织结构在宏观上是均匀的，微观上没有太大的差别的缺陷；本发明的目的之二利用基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，安置在光束变换光路中，通过二元光学转换元件，经时间、空间转换后的每个光斑尺度内多支激光束呈点阵周期或非周期分布，把高斯激光束转变为焦平面上呈点阵分布的多支对称或非对称束，这样，在材料的激光处理表面的每个光斑尺度内，可以灵活有效地控制激光束与材料的相互作用轨迹，实现材料表面的组织结构在微观上具有非均匀分布，使材料表面达到优异的强韧性配合，从而提供一种宏观及微观强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化的方法和系统。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的宏观及微观强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化系统，包括激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头、光导纤维，光电检测器和工控计算机；其中激光器的输出光路上按顺序设置扩束镜和聚焦透镜；激光器输出端经与光导纤维连接在激光加工头上，光电检测器将采集到的光信号转化为高电平电压信号，输入工控计算机；其特征在于还包括一基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。
所述的二元光学转换元件，为在光学玻璃基片上采用刻蚀法制备出的具有2台阶结构表面浮雕轮廓相位型光学元件，其中台阶高度为0-20um。
本发明提供的宏观及微观强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化的方法，包括以下步骤(1)根据基于材料表面轮廓形状建立的加工轨迹数据，将激光加工头置于初始加工位置，启动激光器输出激光，宏观上强化轨迹的周期分布是通过调整前后2个光斑之间间隔程度来实现，所述的光斑之间间隔程度通过调整激光加工头和材料表面之间的相对运动速度v的大小来调整的；(2)同时，通过光电检测器将采集到的光信号转化为高电平电压信号，工控计算机接收到高电平电压信号时，发送停止指令给控制器，使激光加工头停止运动；(3)经过预定设计的单位加工时段后，关闭激光器，光电检测器将采集到的光信号转化为低电平电压信号，输送到工控计算机中去，工控计算机接收到低电平电压信号时，发送运动指令给控制器，指令激光加工头开始运动，并移动至下一个加工点位置上；(4)重复上述步骤，直至待强化区域全部完成为止；还包括一机器人，该机器人具有3-5轴联动的加工臂，如中国专利公开号CN1215644加工装置。机器人两次运动位置之间光斑的距离a，就是工艺要求中周期分布之光斑间隔。
所述的加工时间段至少为一个激光脉冲宽度。
所述加工时段内激光束与材料的相互作用时间为b/v，其中机器人速度为v，强化周期为b，通过调整激光加工头和材料表面之间的相对运动速度v的大小来调整光斑的周期间隔程度。
所述的光斑大小为m，强化周期为b(b＞m)，则光斑间隔就是a＝b-m。所述的光斑间隔为0～1mm，光斑作用区长度为1～10mm。
如图3所示，宏观上强化光斑的周期分布是通过调整前后2个光斑之间间隔程度来实现，其中光斑大小为m，强化周期为b(b＞m)，则光斑间隔就是a＝b-m。
由于通过在本发明的装置中更换不同的二元光学转换元件，可以方便地控制微观强化轨迹，这样即可在方形光斑的焦平面上形成点阵周期或非周期分布的多支细束，在激光器输出时间段内可在材料表面有效地控制激光束的强化轨迹与分布。
如上所述，根据预定的强化周期，通过控制激光束与材料表面之间的相对运动速度，可使激光束在材料表面获得宏观上呈周期或非周期分布的强化轨迹；同时，由于该装置中设置一二元光学转换元件，使激光经时间、空间转换后的每个光斑尺度内也具有点阵周期或非周期分布的强化轨迹。这样，经激光表面强化处理后的材料表面，宏观上呈现出具有强化区、介于强化区和基体之间的过渡区和基体区的周期或非周期性梯度分布；在每个光斑尺度内，同样具有点阵强化区、介于点阵之间的过渡区和基体区的周期或非周期性梯度分布。因此，利用本发明所提出的宏观和微观强化轨迹及分布相结合的材料表面激光强化新方法，可以使材料的宏观表面在微观结构上具有非均匀分布，即强化区弥散分布于高韧性的基体上，从而赋予了材料优异的强韧性配合。
本发明的优点在于该方法在材料表面可实现宏观和微观上强化区、过渡区、基体区周期或非周期性的梯度分布，根据材料使用性能要求和表面轮廓形状有效地对其表面进行定位、定量表面强化处理，解决了现有的材料表面常规连续激光强化工艺中出现的材料组织结构一致、强韧性不能有效匹配等问题。尤其是每个光斑内微观强化轨迹的形成，在每个光斑尺度内实现了硬质强化区、过渡区及高韧性基体区的周期或非周期性梯度分布，高硬度的硬质强化区弥散分布于高韧性基体上，极大地提高了材料表面强度、韧性等综合使用性能，为在高温、冲击、腐蚀等恶劣环境条件下，承受强烈摩擦磨损作用的耐磨运动零部件(如大型模具、石化机械装备中的高温高压阀门密封运动副、航空发动机高温封严摩擦副等)的激光表面强化，提供了一种行之有效的、具有非常广阔的工业应用前景方法和装置。
图1是刻蚀法制作2阶二元光学转换元件示意图，其中图1也是刻蚀法制作多阶二元光学转换元件工艺示意2a是采用二元光学转换元件把高斯光束转变为焦平面上点阵周期分布的多支对称束示意图(点阵为3×3，共9支细激光束)图2b同上，点阵为7×7(49支细激光束)图2c是采用二元光学转换元件把高斯光束转变为焦平面上环形分布2d是采用二元光学转换元件把高斯光束转变为焦平面上7×7缺级分布3是本发明的激光光路系统示意4是本发明实施例中处理试样的宏观强化轨迹示意5是本发明实施例1激光处理后的材料表面形貌，可见宏观周期强化轨迹6是本发明实施例中的激光强化系统的示意7是本发明实施例2激光处理后的材料表面形貌，可见宏观周期强化轨迹8是本发明实施例2激光处理后的材料横截面二维显微维氏硬度分布，可见材料表面形成了强化区、过渡区与基体区的周期性梯度分布。
附图标示1、输入激光束2、扩束镜3、二元光学变换元件4、聚焦透镜 5、转换后输出的多支激光束6、试样 7、光斑8、激光器9、工控计算机10、机器人11、激光加工头 12、光电检测器 13、光导纤维14、通讯电缆具体实施方式
结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明参照附图1，基于Dammann周期性位相光栅原理设计二元光学转换元件的一般方法首先以一维光栅进行优化设计，然后在X和Y方向作二维扩展。该方法设计较为方便，但不利于衍射效率的提高，更无法实现任意二维衍射图样的设计。为了简化设计，采用二台阶刻蚀法制备二元光学转换元件，在x和y方向均匀采样，使一个周期单元形成网格型孔径，则此单元的位相分布由每个矩形孔径单元的位相分布共同决定，在设计中，将每个矩形孔径单元的取为1或者0，以此来代表其位相取二值的情况。利用解析计算能解出小分束比光栅的结构参数，而当分束比M≥2时，则必须采用优化设计。制作工艺分按照形成台阶方法的不同，又分为加法和减法两种工艺途径。图1表示的是减法工艺，又称刻蚀法，本实施例就是采用该方法在基底表面形成图1所示两台阶结构的表面浮雕轮廓相位型光学元件，其中台阶高度为0-20um。
实施例1参照附图3，在激光器8输出光的光路上顺序设置一扩束镜2和聚焦镜4，并在扩束镜2和聚焦镜4之间加上一块φ50mm的、可使光束形成3×3点阵的二元光学转换元件3，即图1所示光学转换元件3。
参照附图4和5，激光器8输出端与激光加工头11之间通过光导纤维13连接；激光器8通过通讯电缆14与激光加工头11电联结，激光加工头11的运动由工控计算机9控制，光电检测器12将采集到的光信号转化为高电平电压信号，输入工控计算机9。
从激光器8发出的激光束1进入光束变换器的扩束镜2扩束后透过光学转换元件3形成具有点阵分布的矩形光束；再经过聚焦镜4在焦平面上形成多支激光束5，其成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑内的光束点阵由3×3构成(如图2a)，点阵中每个点上的能量密度分布相同，功率密度从7～15J/mm2。还可以利用这种具有点阵周期或非周期分布特征的激光处理装置中，再与框架式机器人结合，可以实现对大型模具等材料表面宏观及微观周期或非周期强化，二元光学转换元件在光路中的位置如图3所示。在材料的表面强化过程中，宏观上激光运动轨迹可通过控制机器人系统和激光器系统的相对运动实现；如图5所示。微观上，借助于每个光斑中激光束的点阵周期或非周期分布可获得材料表面的特殊强化效果。
实施例2本实施例采用实施例1的系统，不同的是采用500WYAG脉冲激光器8(峰值功率可达7KW)，和激光加工头11安装在具有五自由度框架式机器人10上(如中国专利公开号CN1215644加工装置)，激光器参数脉宽24ms，脉冲重复率4Hz；采用可使光束形成3×3点阵的二元光学转换元件3，采用单个脉冲，波形为矩形，光斑尺寸1.25×1.25mm2，光斑上的总能量密度是7.5J/mm2，对9×9×15mm3的球墨铸铁试样6的9×15mm2表面进行激光处理，处理后的表面如图6所示。
具体材料表面激光强化的方法，包括以下步骤(1)加工系统启动后，根据试样6的材料表面的宏观加工轨迹数据库，调整激光加工头11到起始位置，起始位置一般为加工表面的一个棱边处，如图5所示的第一个加工点，该起始位置可由测量数据或CAD给出；(2)到位信号由机器人10从I/O输入口传送给工控计算机9，工控计算机9即行通过通讯电缆14发送出光指令给激光器8，激光器8输出光24ms，同时，光电检测器12将采集到的光信号转化为高电平电压信号，通过光纤13输入到工控计算机9中去，工控计算机9接收到高电平电压信号时，发送停止指令给机器人本身的控制器，控制机器人(加工头)停止运动，保证此时间段内激光加工头11相对于加工点位置保持静止，形成第一个加工斑点；(3)关闭激光器停止发光的瞬间，光电检测器12将采集到的光信号转化为低电平电压信号，输送到工控计算机9中去，工控计算机9通过I/O输入口发送运动指令给机器人10的控制模块，指令机器人10开始运动，调动机器人10以6mm/s速度运动，运动250ms，移动距离1.5mm后，到达第二个加工位置；如果调整速度为5mm/s，则间隔距离为0；如果调整速度为8mm/s，则可实现宏观加工轨迹中周期间隔为0.75mm。
当移动机器人10移至下一个加工点时，重复上述步骤。
这样，在宏观加工直线轨迹上两个相邻光斑8之间形成的间隔为移动距离和光斑尺寸之差，即1.5mm-1.25mm＝0.25mm。光束在每个加工(光斑)位置的停留时间为24ms。经耐磨性测试(环块磨损试验机，载荷1500N，磨损时间8h，20号机油润滑)表明，激光处理面是未处理面耐磨性的2.8倍(处理层20μm内)。
实施例3本实施例的结构同实施例1，不同之处在于本实施例采用空间呈7×7点阵分布的二元光学转换元件，并设置在实施例的装置光路系统中。采用平均功率为2000W的YAG激光器8，该激光器8参数为脉宽80ms，脉冲重复率2Hz；采用波形为矩形的单脉冲，光斑尺寸为3×3mm2，光斑上的能量密度是12.4J/mm2，机器人10运动时的速度为50mm/s，在宏观加工直线轨迹上两个相连光斑之间的间隔为0.2mm，在每个光斑位置上的停留时间为80ms。对9×9×15的球墨铸铁试样6的9×15表面进行激光处理，处理后的表面如图7所示，经耐磨性测试(环块磨损试验机，载荷1500N，磨损时间60h，20号机油润滑)表明，激光处理面是未处理面耐磨性的11.5倍(处理层100μm处)。激光表面强化处理后横截面(一个光斑范围)上的显微硬度分布如图8。可见，硬度最高的区域有7块，这与光束的7×7点阵的某一列(行)相对应。因此，光束的点阵分布形成了明显的周期微观强化轨迹，使材料表面获得了优异的强韧配合。
在本实施例中，由于激光器峰值功率较低，为保证强化层深度，出光时间为80ms(由工艺试验确定)，机器人10沿给定的轨迹运动速度是50mm/s，运动时间为64ms，于是宏观周期强化轨迹上的两个光斑之间就形成了0.2mm的间隔(50mm/s×64ms-3mm＝0.20mm)。
在以上的实施例中，在激光器的光束变换系统中的扩束镜和聚焦镜之间加上一块φ50mm的二元光学转换元件，从激光器8发出的激光束进入光束变换器经扩束镜扩束后透过光学转换元件形成具有点阵周期分布的矩形光束；再经过聚焦镜在焦平面上形成矩形聚焦光斑，光斑大小在1～50mm2，光斑内的光束点阵由3×3、7×7、25×25等构成(如图2)，点阵中每个点上的能量密度分布相同，功率密度从7～15J/mm2。比较本发明和普通的现有技术，采用本激光强化方法具有不增加工艺过程控制的难度，控制系统仍然采用原有的框架式机器人系统或数控系统，强化过程的微观强化轨迹可简单通过更换二元光学转换元件实现，宏观强化轨迹可根据实际工艺要求通过调整机器人(加工头)和激光器的相对运动状态和速度来实现。两者结合就可方便地实现大型工件表面的强化轨迹为宏观及微观上呈周期或非周期分布的激光表面强化。该发明可应用于脉冲和连续激光器，然而，本发明绝不仅仅局限与此。上述实施例也表明，该发明也可和其它各种光束转化相结合使用，从而达到所要求的强化效果。
权利要求
1.一种强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化系统，包括激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头、光导纤维，光电检测器和工控计算机；其中激光器的输出光路上按顺序设置扩束镜和聚焦透镜；激光器输出端经与光导纤维连接在激光加工头上，光电检测器将采集到的光信号转化为高电平电压信号，输入工控计算机；其特征在于还包括一基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。
2.按权利要求1所述的强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化系统，其特征在于所述的二元光学转换元件，为在光学玻璃基片上采用刻蚀法制备出的具有2个台阶结构的相位元件。
3.按权利要求2所述的强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化系统，其特征在于所述的台阶高度为0-20um。
4.一种应用权利要求1所述的强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化系统进行强化的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)根据基于材料表面轮廓形状建立的加工轨迹数据，将激光加工头置于初始加工位置，启动激光器输出激光，宏观上强化轨迹的周期分布是通过调整前后2个光斑之间间隔程度来实现，所述的光斑之间间隔程度通过调整激光加工头和材料表面之间的相对运动速度v的大小来调整的；(2)同时，通过光电检测器将采集到的光信号转化为高电平电压信号，工控计算机接收到高电平电压信号时，发送停止指令给控制器，使激光加工头停止运动；(3)经过预定设计的单位加工时段后，关闭激光器，光电检测器将采集到的光信号转化为低电平电压信号，输送到工控计算机中去，工控计算机接收到低电平电压信号时，发送运动指令给控制器，指令激光加工头开始运动，并移动至下一个加工点位置上；(4)重复上述步骤，直到待强化区域全部完成为止；
5.按权利要求4所述的强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化方法，其特征在于，其宏观强化轨迹中光斑之间的间隔为0～1mm，光斑作用区长度为1～10mm。
6.按权利要求4所述的强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化方法，其特征在于，所述的加工时间段至少为一个脉冲宽度。
全文摘要
本发明涉及强化轨迹及分布可控的材料表面激光强化的方法和系统。该系统包括激光器、扩束镜和聚焦透镜，激光加工头和光导纤维，计算机；其中激光器的输出光路上按顺序设置扩束镜和聚焦透镜；激光器输出端经与光导纤维连接在激光加工头上，激光加工头的运动由计算机控制；其特征在于还包括一基于Dammann周期性位相光栅原理研制的二元光学转换元件，该二元光学转换元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间。该方法通过更换二元光学转换元件实现微观控制，宏观强化轨迹可根据实际工艺要求通过调整加工头和激光器的相对运动状态和速度来实现。两者结合就可方便地实现大型工件表面的强化轨迹为宏观及微观上呈周期或非周期分布的激光表面强化。
文档编号H01S3/101GK1534099SQ20041000847
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月28日
发明者虞钢, 陈瑶, 巴发海, 程惊雷, 甘翠华, 谷雨, 蒋镜昱, 王俊, 李新, 张金城, 王立新, 宁伟健, 郑彩云, 席明哲, 贾艳华, 崔春阳, 虞 钢 申请人:中国科学院力学研究所