光束整形和可调节光束能量密度的系统及激光热处理工艺的制作方法

本发明涉及材料的激光热处理，具体涉及一种光束整形和可调节光束能量密度的系统及激光热处理工艺。

背景技术：

1、激光可以用来进行热处理，利用激光高功率密度的激光束对金属进行表面处理，实现对金属的相变硬化如表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火、表面合金化等，相比于传统的热处理工艺，激光热处理可以在材料表面产生不同的表面成分和组织结构。激光热处理一般使用多个激光光源，将多个激光光源产生的激光束聚焦在一个区域，对等处理区域进行热处理，每个激光光源的位置和参数均可以调整，以实现均匀的激光照射，但是对激光发生器的能量差异和衰减差异，控制和校准光场比较复杂，还有通过激光束的分束后再和束的多平面相位调整可控动态光束工艺，其通过将一个激光光束分割成多个小光束，然后在目标的表面上合并小光束，实现对待加工区域的均匀加热，然而这需要高精度的光束分割和合并技术，需要复杂的光学元件组成光学系统，激光束在传递过程中产生的损耗大，光学系统的效率低，而且在激光束的波长敏感，在不同波长的激光束下需要不同的光学元件设置，使用起来同样复杂，现需要一种可以控制激光束形状和光斑能量密度的激光系统，实现工件表面的均匀热处理且控制起来容易。

2、现有公布号为cn114571067a的专利申请公开了一种基于光束整形与光斑调节的激光抛光增材曲面方法，所述方法通过分束镜将点光源分为加工光与指示光，加工光经过柱面透镜整形成线光源，指示光处于行进方向上加工线光源之前，提供曲面形貌信息指导线光源加工光在道次间以及每道次中，通过光束偏转改变光斑面积从而调节能量密度，实现粗抛与精抛，该激光抛光方法仅对工件的表面进行处理，无法对工件表面一定深度的材料进行一致性高的热处理，且处理工件表面的均匀化程度不高。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种光束整形和可调节光束能量密度的系统，解决了现有激光热处理系统处理工件的激光束均匀程度低和对工件不同深度的热处理一致性低的问题。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、光束整形和可调节光束能量密度的系统，包括激光源、准直镜、空间光调制器、x向偏转反射镜、聚焦组件和y向偏转反射镜，所述空间光调制器包括依次设置的二元光栅和几何掩膜，所述激光源发射出的激光束依次通过所述准直镜、所述空间光调制器、所述x向偏转反射镜、所述聚焦组件和所述y向偏转反射镜，通过改变所述二元光栅的衍射周期对激光束进行整形，调节所述几何掩膜来改变激光束的能量密度分布，所述x向偏转反射镜和y向偏转反射镜用于激光束的动态扫描移动，可以在工件表面一定深度进行均匀的加热，再由冷却得到结构一致的硬化层结构。

4、进一步的，激光热效率与光斑的能量密度分布形式在加工中的能量密度模型如下

5、

6、

7、

8、根据罗森塔尔方程，在公式①中，λ是待加工材料的导热率，v是材料进给速度，b是吸收率，q是激光源功率，t0是环境温度，t为实际温度；

9、在公式②中，其中evtilized是最低能量率，ρ是待加工材料的密度，cp是材料的比热容，v是材料加工硬化区的体积，lp是加材料发生相变转化所需的热能，t0是环境温度、tf是材料表面最高温度，a3是材料硬化的上限温度，v是激光束扫描速度，a是材料的横截面积；

10、在公式③中，h为硬化效率指数，δh是材料硬度的平均增加值，a是材料淬火面的横截面积，ein对应提供的总体能量密度，可以评估热处理后材料表面硬化层的质量。

11、更进一步的，激光束的衍射角可以计算公式如下

12、t(sinα+sinβ)＝mλ；

13、β＝sinβ＝λ/t-sinα；

14、sinα＝0(α＜10°)；

15、β＝β/t；

16、t对应二元光栅的衍射周期，β是二元光栅衍射角度，α是二元光栅入射角度，m是二元光栅衍射级次，λ是入射光的波长，由二元光栅的对入射的激光束进行整形，使光斑能量密度均匀。

17、优选的，所述聚焦组件包括至少一个柱镜，所述柱镜是凸透镜，可以对激光束进行汇聚。

18、更优选的，所述激光源的发生的激光束振荡波形包括正弦波、矩形波、三角波、串联圆形波和串联椭圆形波，根据材料的不同选择不同振荡波形的激光束达到最佳的热效率。

19、本发明的目的之二是提供一种激光热处理工艺，解决了现有激光热处理工艺使用复杂、热效率低的问题。

20、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

21、一种激光热处理工艺，由所述光束整形和可调节光束能量密度的系统实现，包括以下步骤：

22、s1、获取参数：查表得到待加工工件的相变温度以及工件的热处理深度数据；

23、s2、光束整形：所述激光源产生激光束，激光束通过所述准直镜后照射到所述空间光调制器上，经过准直后的激光束射入到所述二元光栅上，通过改变所述二元光栅的周期来改变激光束的衍射角度对激光束进行整形；

24、s3、光束能量密度调节：从所述二元光栅衍射出的激光束进入到所述几何掩膜，调节所述几何掩膜的光栅密度使激光束的能量均匀化；

25、s4、扫描处理：经过整形和能量均匀化的激光束以扫描移动方式对工件表面进行热处理。

26、进一步的，在步骤s4中，由所述x向偏转反射镜和所述y向偏转反射镜控制激光束照射工件表面的位置和速度，实现动态调节。

27、优选的，在步骤s4中，通过改变所述聚焦组件的位置，可以单方向改变激光束的移动。

28、优选的，在步骤s2中，经过所述二元光栅整形后的激光束光斑形状变化包括矩形和圆形。

29、更优选的，在步骤s3中，激光束能量密度的变化与时序相关。

30、本发明的有益效果为：

31、(1)该光束整形和可调节光束能量密度的系统上设有空间光调器，空间光调制器包括二元光栅和几何掩膜，二元光栅可以使经过的激光束发生衍射，通过调节二元光栅的衍射周期去除高阶光束，改变激光束的衍射角和衍射效率，消除连续级次衍射光束的重叠部分，对光斑进行整形，提高激光束的质量，减少待加工材料的损伤，再由几何掩膜的光栅密度控制激光束的能量密度的分布，使激光束照射到工件上的光斑能量均匀，热处理工件表面的质量均匀，激光束由x向偏转反射镜和y向偏转反射镜控制移动路径，使激光束能够扫描工件的表面，激光束具有多种扫描截面，还可以切换不同的振动波形，通过不同扫描截面与振动波形的组合，实现工件表面热处理的均匀化和热处理效率。

32、(2)该激光热处理工艺的通过获取工件处理深度与材料相变热熔状态的参数，确定最佳的加热材料的温度和阈值，再由光束整形和可调节光束能量密度的激光系统输出激光束，在激光束加热工件过程中，对激光束进行整形，输出不同截面的光斑以及对光斑的能量进行实时调节，激光束以扫描的方式对工件表面进行热处理，通过组合光斑截面及控制激光束能量密度的分布来优化热处理效率，获得质量均匀和相变完全的硬化表面，保证工件表面同一深度的金相组织性能一致。

33、(3)该激光热处理工艺中经过整形后的激光束振荡波形包括正弦波、矩形波、三角波、串联圆形波和串联椭圆形波，经过几何掩膜的激光束光斑包括矩形和圆形，激光束的不同振荡波形和光斑形状具有不同的加工能力，通过调节光斑截面和激光束振荡波形，根据材料本身的相变数据以及要求的热处理深度，可以优化在不同种类的材料和不同加工深度的加工路径，提升热处理性能。