一种激光冲击强化方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种激光冲击强化方法及装置，方法包括将激光器输出的偏振光转化为与约束层入射面平行的线偏振光；将所述的线偏振光的入射方向与待强化工件的夹角设置为30°～45°的范围对工件进行激光冲击强化。本发明提高了激光冲击强化能量利用效率，减少激光反射对待强化零件的损失，可实现零反射或者反射系数很小，有效解决激光冲击强化过程中不能采用大倾角激光冲击强化的问题。
【专利说明】一种激光冲击强化方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光冲击强化技术，具体的讲是一种激光冲击强化方法及装置。
【背景技术】
[0002]激光冲击强化采用强脉冲激光通过对激光透明的约束介质在金属表面并吸收层吸收后产生高温高压等离子体，并导致强冲击波使金属材料产生塑性变形并获得表层残余压应力从而提高金属结构的疲劳性能。
[0003]激光冲击强化是激光加工中唯一要求激光通过透明约束层然后到达加工工件进行加工的表面强化技术，目前常用的约束介质是水，由于激光冲击强化的特殊性，激光峰值功率密度高并且要求变化范围小(GW/cm2以上，变化范围10%以内)，需要穿过透明约束层到达工件强化位置，有些结构必须要大倾角倾斜入射，激光的反射不仅会造成能量损失造成工艺不稳定，也会造成反射区域的工件损伤。激光冲击强化过程中强脉冲激光要通过水层到金属表层，由于光波通过不同折射率的界面要产生反射，反射系数与光的偏振状态、激光与界面法线的夹角有关系，待强化位置无遮挡条件下一般采用激光垂直入射方式，不考虑激光3%左右反射损失，也不造成反射损伤，但对某些复杂结构由于空间干涉激光只能倾斜入射，现有技术中激光冲击强化一般采用的圆偏振光在大倾角激光冲击强化时会产生较大的反射，不仅导致激光冲击强化的能量降低，而且反射的激光会导致附近加工表面的损伤。
【发明内容】
[0004]为提高激光冲击强化能量利用效率，减少激光反射对结果的损失，本发明提供了一种激光冲击强化方法，包括:将激光器输出的偏振光转化为与约束层入射面平行的线偏振光；将所述的线偏振光的入射方向与待强化工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
[0005]激光冲击强化一般采用激光与待强化的工作面垂直的方向入射到工件表面，这种情况下激光在水面的反射系数比较小，在3%左右，因此可以忽略不计。发明人在研究反射系数公式时发现，当偏振方向垂直入射面(反射I)和偏振方向平行入射面的偏振光(反射2)时，两种偏振方向激光反射系数跟角度的变化规律如图1所示(图示中系数为矢量)，偏振方向平行入射面的偏振光，当激光在水面以空气/水界面的布儒斯特角53.1度作为入射角入射时，激光在水面无反射，接近该角度时，激光反射系数很低。本发明利用线偏振激光在两界面反射特性，采用布儒斯特角接近的角度进行激光冲击强化，实现零反射或者反射系数很小，有效解决激光冲击强化过程中不能采用大倾角激光冲击强化的问题。
[0006]此外，本发明还提供了一种激光冲击强化装置，包括:转化模块，用于将激光器输出的偏振光转化为与约束层入射面平行的线偏振光；控制模块，用于控制旋光器或者工件方位以将所述的线偏振光的入射方向与工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
[0007]本发明实施例中转化模块包括:偏振分光镜，用于将激光器输出的圆偏振光转化为与约束成入射面平行和垂直的线偏振光；旋光器，用于将与约束层入射面垂直的线偏振光转变成与约束层入射面平行的线偏振光。
[0008]本发明提高了激光冲击强化能量利用效率，减少激光反射对结果的损失，利用线偏振激光在两界面反射特性，采用布儒斯特角接近的角度进行激光冲击强化，实现零反射或者反射系数很小，有效解决激光冲击强化过程中不能采用大倾角激光冲击强化的问题。
[0009]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0011]图1为偏振反向激光反射系数跟角度的变化规律图；
[0012]图2为本发明一种激光冲击强化方法的流程图；
[0013]图3为本发明一实施方式示意图；
[0014]图4为激光器输出为圆偏振光通过偏振分光镜分解后的不意图。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]本发明提供了一种激光冲击强化方法，如图2所示，包括:
[0017]步骤S101，将激光器输出的偏振光转化为与水面约束层垂直的线偏振光；
[0018]步骤S102，将线偏振光的入射方向与待强化工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
[0019]其中，本实施例中激光器输出的偏振光转为圆偏振光(如果是椭圆偏振光，同样参照圆偏振光方案执行)或线偏振光。在本发明实施例中，将线偏振光的入射方向与工件的夹角方向设置为36.9°时,激光无反射。
[0020]此外，本发明还提供了一种激光冲击强化装置，装置包括:
[0021]旋光器，将激光器输出的偏振光转化为与水面约束层垂直的线偏振光；
[0022]控制模块，用于控制旋光器以将所述的线偏振光的入射方向与工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
[0023]如图3所示，为本发明一实施例的示意图，其利用圆偏振激光转化为线偏振光进行激光强化，将激光器输出的圆偏振光301通过偏振分光镜302转化为与约束层入射面垂直的线偏振光304和与约束层入射面平行的线偏振光303，与约束层入射面垂直的线偏振光304通过旋光器305进一步转化为与约束层入射面平行的线偏振光，线偏振光304的方向是306中入射面垂直方向，将待强化工件306与线偏振光的入射方向设置成30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化工艺处理。304的偏振方向实际为垂直纸面方向(水平方向)。
[0024]通常采用的激光器输出为圆偏振光，如图4所示，采用X、Y、Z三坐标系，X，Z组成的平面代表图3中入射面，粗线箭头X为激光传播方向，圆偏振光是绕粗线螺旋线前进的，通过偏振分光镜后可分解为垂直偏振方向(图4中Z向)与水平偏振方向((图4中Y向)，与约束层入射面垂直的线偏振光((图4中Y向偏振光)通过旋光器转化为与约束层入射面平行的线偏振光((图4中Z向)，然后工件与激光入射方向成36.9°，在此情况下激光无反射。即使工件与激光入射方向不能严格地成36.9°，而是成30°?45°的范围，激光在水面的反射也很小，可以用于激光冲击强化加工工艺。
[0025]如果激光器输出的直接就是线偏振光，如果是垂直线偏振光，可直接按照以上方法进行激光冲击强化，如果是水平线偏振光，可采用90°旋光器将水平线偏振光改变成垂直线偏振光，然后工件与激光入射方向成30?45°的范围,激光在水面的反射也很小,可以用于激光冲击强化加工工艺。
[0026]本发明实施例中，由于在工件整体叶盘等结构激光冲击强化过程中，不可避免地存在激光大倾角斜入射激光冲击强化的方案，采用本技术方案可以减小激光在水面的反射，提高激光冲击强化能量利用效率、减少反射激光对结构的损失。
[0027]利用线偏振激光在两界面反射特性，采用布儒斯特角接近的角度进行激光冲击强化，实现零反射或者反射系数很小，有效解决激光冲击强化过程中不能采用大倾角激光冲击强化的问题，整体叶盘等复杂结构激光冲击强化不可避免存在大倾角激光冲击强化问题，本专利成功解决激光在水面的反射难题，对本领域的工艺推广具有重要意义。
[0028]本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种激光冲击强化方法，其特征在于，所述的方法包括: 将激光器输出的偏振光转化为与约束层入射面平行的线偏振光； 将所述的线偏振光的入射方向与待强化工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
2.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征在于，所述的激光器输出的偏振光为圆偏振光或线偏振光。
3.如权利要求1所述的激光冲击强化方法，其特征在于，所述的方法包括: 将所述的线偏振光的入射方向与工件的夹角方向设置为36.9°。
4.一种激光冲击强化装置，其特征在于，所述的装置包括: 转化模块，用于将激光器输出的偏振光与约束层入射面平行的线偏振光； 控制模块，用于控制旋光器以将所述的线偏振光的入射方向与工件的夹角设置为30°?45°的范围对工件进行激光冲击强化。
5.如权利要求4所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述的激光器输出的偏振光为圆偏振光或线偏振光。
6.如权利要求5所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述的转化模块包括: 偏振分光镜，用于将激光器输出的圆偏振光转化为与约束成入射面平行和垂直的线偏振光; 旋光器，用于将与约束层入射面垂直的线偏振光转变成与约束层入射面平行的线偏振光。
7.如权利要求4所述的激光冲击强化装置，其特征在于，将所述的线偏振光的入射方向与工件的夹角方向设置为36.9°。
【文档编号】C21D10/00GK104357648SQ201410539316
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】邹世坤, 曹子文, 巩水利, 车志刚 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所