一种能量可调谐的单双面激光冲击强化系统的制作方法

本发明涉及一种能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，属于激光冲击强化技术领域。

背景技术：

激光冲击强化技术通过高能激光束产生高压冲击波，诱发金属表面产生塑性形变，导致表层材料位错密度增加、晶粒细化，形成较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命；同时可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命，提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。

常规的激光冲击强化技术可实现对工件的单面冲击，然而在工件的实际使用中，需要正反两面都有较强的抗疲劳性能，比如航空发动机和燃气轮机叶片、齿轮、压力容器焊缝等。因此，需要在工艺中考虑工件的翻转加工，但这样显然至少会使得生产效率降低一半。对于非对称结构工件，正反两面相对处可能存在使用功能性不同，比如正面为较平坦的台面，反面为凸齿边缘，甚至两处金属材料都不同，如果此时双面冲击，两路激光能量相同且不可调，结果会导致正反两处冲击强化后效果不一致，达不到预期。另外，激光冲击强化技术是一种高能激光加工技术，本身高能激光对于环境的温湿度、洁净度要求就很严格。然而，该技术加工中常伴随大量水的使用，增加了系统的安全性、可靠性压力，不利于在环境复杂的工厂车间中进行规模化的生产投入。

技术实现要素：

本发明提供了一种能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，能够解决现有双面激光冲击强化系统稳定性和可靠性较差、加工效果单一的问题。

本发明提供了一种能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，所述系统包括：激光器和依次设置在所述激光器出射光路上的偏振片、二分之一波片、偏振分光片；所述激光器用于输出激光束至所述偏振片上；所述偏振分光片用于将从所述二分之一波片的出射的激光束分为竖直偏振分光束和水平偏振分光束，并反射所述竖直偏振分光束，透射所述水平偏振分光束；所述系统还包括旋转台、第一加工头和第二加工头；所述二分之一波片设置在所述旋转台上，所述旋转台用于带动所述二分之一波片以所述激光束的传输方向为轴进行旋转；所述第一加工头位于所述偏振分光片的反射光路上，用于利用所述竖直偏振分光束加工工件的第一面；所述第二加工头位于所述偏振分光片的透射光路上，用于利用所述水平偏振分光束加工所述工件上与所述第一面相对的第二面。

可选的，所述系统还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述旋转台旋转。

可选的，所述系统还包括第一反射镜组和第二反射镜组；所述第一反射镜组用于将所述偏振分光片反射的所述竖直偏振分光束的传输方向改变180度后送入所述第一加工头内；所述第二反射镜组用于将所述偏振分光片透射的所述水平偏振分光束的传输方向改变90度后送入所述第二加工头内。

可选的，所述系统还包括密封箱，所述密封箱设置在激光器的出光侧；所述旋转台、所述偏振片、所述二分之一波片和所述偏振分光片均位于所述密封箱内，所述第一加工头和所述第二加工头均位于所述密封箱外；所述第一反射镜组包括位于所述密封箱内的第一反射镜、以及位于所述密封箱外的第二反射镜；所述第二反射镜组包括位于所述密封箱内的第三反射镜、第四反射镜以及位于所述密封箱外的第五反射镜；所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜和所述第五反射镜均为45°反射镜。

可选的，所述系统还包括第一能量计；所述第一能量计设置在所述第一反射镜的透射光路上，用于检测透射过所述第一反射镜的激光能量；所述控制单元用于在所述第一能量计检测的激光能量值与预设能量值不匹配时，控制所述旋转台旋转。

可选的，所述系统还包括显示模块，所述显示模块用于显示所述第一能量计检测的激光能量值。

可选的，所述系统还包括第二能量计；所述第二能量计设置在所述第三反射镜的透射光路上，用于检测透射过所述第三反射镜的激光能量。

可选的，所述系统还包括设置在所述密封箱外、且位于所述第一加工头远离所述第二加工头一侧的依次分布的第一密封舱、第一滤光片组、第一光学镜头和第一同轴ccd；所述第二反射镜位于所述第一密封舱内；所述第一光学镜头的焦距可调；所述第一光学镜头与所述第一加工头的窗口片、聚焦镜组成第一光学成像镜头组；所述第一光学成像镜头组的物面为所述工件的第一面，像面为所述第一同轴ccd的感光面；相应的，所述系统还包括设置在所述密封箱外、且位于所述第二加工头远离所述第一加工头一侧的依次分布的第二密封舱、第二滤光片组、第二光学镜头和第二同轴ccd；所述第五反射镜位于所述第二密封舱内；所述第二光学镜头的焦距可调；所述第二光学镜头与所述第二加工头的窗口片、聚焦镜组成第二光学成像镜头组；所述第二光学成像镜头组的物面为所述工件的第二面，像面为所述第二同轴ccd的感光面。

可选的，所述系统还包括与所述控制模块均连接的第一活动底座和第二活动底座；所述第一加工头设置在所述第一活动底座上；所述第二加工头设置在所述第二活动底座上；所述控制模块用于控制所述第一活动底座运动，以带动所述第一加工头运动；并且控制所述第二活动底座运动，以带动所述第二加工头运动。

可选的，所述第一密封舱的侧壁上设置有第一窗口片和第二窗口片；所述第一窗口片位于所述第二反射镜和所述第一加工头之间的光路上；所述第二窗口片位于所述第二反射镜与所述第一滤光片组之间；所述第一窗口片为透射镜，所述第二窗口片为滤波片；所述第一密封舱与所述密封箱通过第一光管密封连接；相应的，所述第二密封舱的侧壁上设置有第三窗口片和第四窗口片；所述第三窗口片位于所述第五反射镜和所述第二加工头之间的光路上；所述第四窗口片位于所述第五反射镜与所述第二滤光片组之间；所述第三窗口片为透射镜，所述第四窗口片为滤波片；所述第二密封舱与所述密封箱通过第二光管密封连接。

可选的，所述密封箱的相对两个侧壁上分别设置有进气口和排气口；所述系统还包括送气模块；所述送气模块用于通过所述进气口向所述密封箱内输送气体，以使所述密封箱内的气压大于外界大气压。

可选的，所述气体为压缩空气、氦气或氮气中的一种。

可选的，所述密封箱内还设置有气压传感器，所述气压传感器用于检测所述密封箱内的气压。

可选的，所述密封箱内还设置有温湿度传感器，所述温湿度传感器用于检测所述密封箱内的温度和湿度。

本发明能产生的有益效果包括：

(1)本发明提供的能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，该系统可根据加工需要，进行能量调谐分配，实现单面或双面冲击；以及在双面冲击模式下，可对两路激光能量大小调谐，实现多样性加工；结构简单，操作方便，在提高加工效率的同时保障了冲击强化质量的稳定性、可靠性，还增加了效果的多样性。

(2)本发明提供的能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，通过设计能量监测系统，方便实现能量的调谐设置，同时能够有效地实时监测光路的完好性。同时，通过设计光路监测系统，方便观察光斑轨迹，便于加工光路的同轴调节，提高光路调节的效率，同时可进行同轴测量光斑尺寸。

(3)本发明提供的能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，通过设计光路防护系统，提供正压气氛，配置气压、温度、湿度传感器，有效防止水汽、灰尘污染光学器件，保证设备能长期工作于环境复杂多变的工业环境。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光冲击强化系统立体示意图；

图2为本发明实施例提供的激光冲击强化系统俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的偏振旋转效果示意图；

图4为本发明实施例提供的能量可调谐原理示意图；

图5为本发明实施例提供的光路传输效果示意图；

图6为本发明实施例提供的激光冲击强化系统反馈调节示意图。

部件和附图标记列表：

11、激光器；12、偏振片；13、二分之一波片；14、偏振分光片；15、旋转台；16、密封箱；17、第一加工头；18、第二加工头；19、第一反射镜；20、第二反射镜；21、第三反射镜；22、第四反射镜；23、第五反射镜；24、第一能量计；25、第二能量计；26、第一密封舱；27、第一滤光片组；28、第一光学镜头；29、第一同轴ccd；30、第二密封舱；31、第二滤光片组；32、第二光学镜头；33、第二同轴ccd；34、第一活动底座；35、第二活动底座；36、第一窗口片；37、第二窗口片；38、第四窗口片；39、第一光管；40、第二光管；41、进气口；42、排气口；43、工件；44、第一光路；45、第二光路；46、同轴支架。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，如图1至图6所示，所述系统包括：激光器11和依次设置在激光器11出射光路上的偏振片12、二分之一波片13、偏振分光片14；激光器11用于输出激光束；偏振分光片14用于将从二分之一波片13的出射的激光束分为竖直偏振分光束和水平偏振分光束，并反射竖直偏振分光束，透射水平偏振分光束；所述系统还包括旋转台15、密封箱16、第一加工头17和第二加工头18；二分之一波片13设置在旋转台15上，旋转台15用于带动二分之一波片13以激光束的传输方向为轴进行旋转；密封箱16设置在激光器11的出光侧；旋转台15、偏振片12、二分之一波片13和偏振分光片14均位于密封箱16内，第一加工头17和第二加工头18均位于密封箱16外；第一加工头17位于偏振分光片14的反射光路上，用于利用竖直偏振分光束加工工件43的第一面；第二加工头18位于偏振分光片14的透射光路上，用于利用水平偏振分光束加工工件43上与第一面相对的第二面。

在实际应用中，所述系统还包括控制模块，控制模块用于控制旋转台15旋转。其中，旋转台15可以为步进电机驱动的旋转台。

参考图1和图2所示，偏振片12的偏振方向为水平或竖直。偏振片12位于激光器11输出端后，安装于密封箱16的底板上。二分之一波片13装夹于步进电机旋转台15内，步进电机旋转台15带刻度。步进电机旋转台15通过usb线缆可由主机pc供电，通过软件控制能完成360度高精度旋转，从而带动装夹于其中的二分之一波片13以光路传输方向为轴进行旋转。偏振分光片14位于二分之一波片13后端，安装于密封箱16的底板上。偏振片12、二分之一波片13、偏振分光片14同轴心放置。经过偏振分光片14后光路可被分为两路，一路为反射的第一光路44，另一路为透射的第二光路45。第一光路44入射到第一加工头17中，第二光路45入射到第二加工头18中。

若偏振片12为水平偏振，当激光器11输出激光束经过偏振片12后，为水平偏振光，亦为线偏振光。该束线偏振光经过二分之一波片13后，依旧为一束线偏振光，但是其偏振方向会发生改变。当入射水平线偏振光与二分之一波片13光轴的夹角为θ，那么从二分之一波片13入射的线偏振光的偏振方向与入射前相比将旋转θ的2倍，即与水平呈一定夹角2*θ的线偏振光。此时可将该光束矢量分解为两个互相垂直(水平和竖直)的线偏振光分量。该光束经过一个偏振分光片14，竖直分量上的线偏振光被反射，水平分量上的线偏振光被透射，从而实现了两路分束功能。显然的，通过控制出射二分之一波片13后的线偏振光与水平方向的夹角，便能控制水平、竖直两个方向上线偏振光分量的能量大小，即能达到双路能量可调谐的效果。

假设激光器11发出激光束能量为e0，经过偏振片12后能量为e0，偏振为水平方向；初始的，二分之一波片13的光轴方向与偏振片12的偏振方向相同；当二分之一波片13旋转θ度，第一光路44的能量值为e0*sin(2θ)，第二光路45的能量值为e0*cos(2θ)。

特殊地，当θ等于0°时，第一光路44能量为0，第二光路45此时能量最大为e0，此时加工模式为单面冲击强化。当θ等于45°时，第一光路44能量最大为e0，第二光路45能量位0，此时加工模式为单面冲击强化。当θ等于22.5°时，第一光路44能量与第二光路45能量相等，各占激光器11总能量的50％，此时加工模式为双面同参数冲击强化。

该光路设计还具有光学保护功能。当θ等于22.5°时，二分之一波片13使得偏振方向旋转45°，出射二分之一波片13后为45°线偏振光；由加工头中的窗口片、聚焦镜或者冲击时工件43反射回的光路，再次经过二分之一波片13时，偏振方向再一次旋转45°，加起来旋转了90°。即由初始的水平偏振光变成了竖直偏振光，或者由初始的竖直偏振光变成了水平偏振光，反射回光束偏振方向与偏振片12垂直。因此，反射回光路不可能通过偏振片12，这样防止了反射光进入激光器11内部损伤器件，起到光学保护功能。

进一步的，所述系统还包括第一反射镜组和第二反射镜组；第一反射镜组用于将偏振分光片14反射的竖直偏振分光束的传输方向改变180度后送入第一加工头17内；第二反射镜组用于将偏振分光片14透射的水平偏振分光束的传输方向改变90度后送入第二加工头18内。具体的，第一反射镜组包括位于密封箱16内的第一反射镜19、以及位于密封箱16外的第二反射镜20；第二反射镜组包括位于密封箱16内的第三反射镜21、第四反射镜22以及位于密封箱16外的第五反射镜23；第一反射镜19、第二反射镜20、第三反射镜21、第四反射镜22和第五反射镜23均为45°反射镜。偏振分光片14与第一反射镜19之间、以及第三反射镜21与第四反射镜22之间均设置有同轴支架46。

参考图1和图2所示，所述系统还包括第一能量计24；第一能量计24设置在第一反射镜19的透射光路上，用于检测透射过第一反射镜19的激光能量；控制单元用于在第一能量计24检测的激光能量值与预设能量值不匹配时，控制旋转台15旋转；优选的，所述系统还包括显示模块，显示模块用于显示第一能量计24检测的激光能量值；优选的，所述系统还包括第二能量计25；第二能量计25设置在第三反射镜21的透射光路上，用于检测透射过第三反射镜21的激光能量。

第一反射镜19和第三反射镜21对激光波长几乎全反，其对激光波长的透过率控制在0.5％。第一反射镜19和第三反射镜21后端均放置有一个精密的能量计，分别用于实时监测第一光路44和第二光路45的激光能量值或能量比。设第一能量计24的数值为a，单位毫焦耳，第二能量计25的数值为b，单位毫焦耳；那么第一光路44的能量值为0.2a，单位焦耳，第二光路45的能量值为0.2b，单位焦耳，第一光路44与第二光路45的比值为a/b。第一能量计24和第二能量计25的输出信号电缆与主机pc相连，通过显示模块可实时显示能量计测得的数值，若此时第一能量计24测得数值为m，单位毫焦耳；用户输入的预设对第一光路44的预设能量值x，单位焦耳，若实测值0.2m不等于x，那么控制模块就会发出一个指令，步进电机旋转台15收到指令开始向左或者向右缓慢的逐步旋转，从而调节第一光路44的能量值；直至第一能量计24测得数值与预设能量值相匹配，第一能量计24发出新指令，使得步进电机旋转台15停止工作。

进一步的，所述系统还包括设置在密封箱16外、且位于第一加工头17远离第二加工头18一侧的依次分布的第一密封舱26、第一滤光片组27、第一光学镜头28和第一同轴ccd29；第二反射镜20位于第一密封舱26内；第一光学镜头28的焦距可调；第一光学镜头28与第一加工头17的窗口片、聚焦镜组成第一光学成像镜头组；第一光学成像镜头组的物面为工件43的第一面，像面为第一同轴ccd29的感光面；相应的，所述系统还包括设置在密封箱16外、且位于第二加工头18远离第一加工头17一侧的依次分布的第二密封舱30、第二滤光片组31、第二光学镜头32和第二同轴ccd33；第五反射镜23位于第二密封舱30内；第二光学镜头32的焦距可调；第二光学镜头32与第二加工头18的窗口片、聚焦镜组成第二光学成像镜头组；第二光学成像镜头组的物面为工件43的第二面，像面为第二同轴ccd33的感光面。

参考图1所示，所述系统还包括与控制模块均连接的第一活动底座34和第二活动底座35；第一加工头17设置在第一活动底座34上；第二加工头18设置在第二活动底座35上；控制模块用于控制第一活动底座34运动，以带动第一加工头17运动；并且控制第二活动底座35运动，以带动第二加工头18运动。

第二反射镜20后端设置有第一滤光片组27、第一光学镜头28和第一同轴ccd29，安装于密封箱16外。对称的，在第五反射镜23后端设置有第二滤光片组31、第二光学镜头32和第二同轴ccd33，安装于密封箱16外。第一光学镜头28和第二光学镜头32均设置有焦距可调节功能。工件43被放置于第一加工头17和第二加工头18之间。第一光学镜头28与第一加工头17的窗口片、聚焦镜组成左侧的第一光学成像镜头组，物面为工件43左侧冲击强化面，像面位于第一同轴ccd29的感光面。第一加工头17放置于一个多维度可调的第一活动底座34上。通过第一光学镜头28上的调焦功能，可清晰地观察到第一加工头17内部、工件43的强化面，配合多维度可调的第一活动底座34，便于将第一加工头17与第一光路44调同轴，以及同轴地测量冲击在工件43的左侧面的光斑大小。相同的，第二光学镜头32与第二加工头18中的窗口片、聚焦镜组成右侧的第二光学成像镜头组，物面为工件43的右侧冲击强化面，像面位于第二同轴ccd33的感光面。第二加工头18放置于一个多维度可调的第二活动底座35上。通过第二光学镜头32上的调焦功能，可清晰地观察到第二加工头18内部、工件43的强化面，便于将第二加工头18与第二光路45调同轴，以及同轴地测量冲击在工件43的右侧面的光斑大小。

进一步的，第一密封舱26的侧壁上设置有第一窗口片36和第二窗口片37；第一窗口片36位于第二反射镜20和第一加工头17之间的光路上；第二窗口片37位于第二反射镜20与第一滤光片组27之间；第一窗口片36为透射镜，第二窗口片37为滤波片；第一密封舱26与密封箱16通过第一光管39密封连接；相应的，第二密封舱30的侧壁上设置有第三窗口片和第四窗口片38；第三窗口片位于第五反射镜23和第二加工头18之间的光路上；第四窗口片38位于第五反射镜23与第二滤光片组31之间；第三窗口片为透射镜，第四窗口片38为滤波片；第二密封舱30与密封箱16通过第二光管40密封连接。

第二反射镜20置于第一密封舱26内，第一密封舱26内设置有2个窗口片，第一窗口片36对激光波长全透射，第二窗口片37为滤波片，且2个窗口片与第一密封舱26的侧壁完好密封。第一密封舱26与密封箱16通过第一光管39紧密连接。对称的，第五反射镜23置于第二密封舱30内，第二密封舱30内设置有2个窗口片，第三窗口片对激光波长全透射，第四窗口片38为滤波片，且第三窗口片和第四窗口片38与第二密封舱30的侧壁完好密封。第二密封舱30与密封箱16通过第二光管40紧密连接。

在本发明实施例中，密封箱16的相对两个侧壁上分别设置有进气口41和排气口42；所述系统还包括送气模块；送气模块用于通过进气口41向密封箱16内输送气体，以使密封箱16内的气压大于外界大气压；优选的，气体为压缩空气、氦气或氮气中的一种。进一步的，密封箱16内还设置有气压传感器，气压传感器用于检测密封箱16内的气压；优选的，密封箱16内还设置有温湿度传感器，温湿度传感器用于检测密封箱16内的温度和湿度。

密封箱16一侧设置有进气口41，往箱体内缓缓地通有洁净的干燥的气体，包括但不限于压缩空气、氦气、氦气、氮气等，使得密封箱16内保持一定的正压环境。密封箱16内设置有气压传感器、温湿度传感器，可以测量密封箱16内的气压、温度和湿度。

本发明提供的能量可调谐的单双面激光冲击强化系统，该系统可根据加工需要，进行能量调谐分配，实现单面或双面冲击；以及在双面冲击模式下，可对两路激光能量大小调谐，实现多样性加工；结构简单，操作方便，在提高加工效率的同时保障了冲击强化质量的稳定性、可靠性，还增加了效果的多样性。同时，本发明通过设计能量监测系统，方便实现能量的调谐设置，同时能够有效地实时监测光路的完好性。同时，通过设计光路监测系统，方便观察光斑轨迹，便于加工光路的同轴调节，提高光路调节的效率，同时可进行同轴测量光斑尺寸。另外，本发明通过设计光路防护系统，提供正压气氛，配置气压、温度、湿度传感器，有效防止水汽、灰尘污染光学器件，保证设备能长期工作于环境复杂多变的工业环境。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。