一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，属于激光加工技 术领域。
【背景技术】
[0002] 常规的激光打孔、切割、焊接等加工技术中，激光W小焦距球面透镜（一般小于 F300)汇聚，在焦点位置与材料发生作用，相当于W最大功率密度作用在材料上。
[0003] 激光冲击强化处理为一种利用高功率密度短脉冲激光束穿过水约束层福射在祀 材表面吸收层，吸收层迅速气化电离形成高溫等离子体，高溫等离子体受水约束层限制，于 是膨胀爆炸形成高压冲击波，高压冲击波传入祀材内部进行强化。激光冲击强化过程中，激 光束与祀材表面法线夹角为零，但由于工程应用时强化对象结构复杂，激光束与祀材法线 必须倾斜才能进行激光冲击强化，然而倾斜入射激光束光斑在祀材表面投影会被拉长，如 图1所示，假设作用面为金属零件表面2,激光束1倾斜入射方向与金属零件表面2的法线的 夹角为0，则入射光斑面积4在金属零件表面2上的投影光斑面积3增大1/COS0，由功率密度 公式^化为激光功率密度，τ为脉宽，A为光斑在祀材表面投影面积)可知，激光功率密 Af 度降至ICOS0，影响激光冲击强化效果。同时，倾斜入射激光冲击强化祀材时，由于水约束层 会对激光束产生很大的反射率，所W要求激光与作用面法线的夹角小于60%并且激光冲击 处理要求激光作用区域的功率密度误差也不能超出10%。因此要保持激光作用区域的功率 密度稳定或者光斑形状稳定，需要采用功率密度补偿的方案。目前激光倾斜入射的激光冲 击处理要保证功率密度稳定采用的方法一般是增加激光脉冲功率密度或者缩小激光光斑 大小等方法，但采用双面强化或者其它特殊要求时，不仅需要双面的功率密度匹配，还需要 形状的匹配，位置的匹配，需要有一种可调节压缩比例、保持光线轴屯、、功率密度误差不超 出10%的精确补偿方法。
【发明内容】
[0004] 本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种激光冲击强化金 属零件表面的功率密度补偿方法，其目的是利用柱面镜或者柱面镜组合，对激光作用延伸 方向进行预压缩，保证激光投影区域功率密度保持恒定，保证强化效果的技术。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：
[0006] 该种激光冲击强化金属零件表面的功率密度补偿方法，其特征在于:该方法是指 激光束（1)倾斜入射方向与金属零件表面(2)的法线夹角Θ小于60°时，并且激光冲击强化过 程中，使金属零件表面(2)与透镜之间的距离大于300mm，应采用W下方法之一对激光倾斜 入射光斑(7)的功率密度进行补偿：
[0007] 方法一、将单个凸柱面镜(5)放置在激光束（1)对金属零件表面(2)的入射路径上， 凸柱面镜(5)的中屯、线与激光束（1)的中屯、线重合，入射激光束（1)通过凸柱面镜(5)聚焦在 金属零件表面(2)上，凸柱面镜(5)的焦距η为400~2000mm，凸柱面镜（5)的中屯、点距离金 属零件表面(2)的距离D1应满足W下公式：
[000引 Dl=flcos 目 公式 1
[0009] 该方法先通过凸柱面镜(5)对激光束（1)的入射光斑面积(4)进行单向压缩R COS0 形成单向压缩光斑(6)，然后由激光束（1)与金属零件表面(2)法线夹角Θ，对单向压缩光斑 (6)长轴方向进行压缩，实现金属零件表面(2)上激光倾斜入射光斑(7)与入射光斑面积(4) 相等，该方法效果:实现激光倾斜入射的功率密度补偿，误差5 % W内；避免激光冲击强化过 程中水飞瓣对凸柱面镜(5)的污染，延长凸柱面镜(5)更换周期；
[0010] 方法二、将一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面镜(8)依次放置在激光束（1)对金属零 件表面(2)的入射路径上，凸柱面镜（5)与凹柱面镜（8)的中屯、线与激光束（1)的中屯、线重 合，入射激光束（1)通过凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)构成的压束镜效果所形成的平行光束 聚焦在金属零件表面(2)上，凸柱面镜巧)和凹柱面镜(8)的焦距n、f2均为400~2000mm，凸 柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中屯、点之间的距离D2满足W下公式：
[00川 D2 = n-f2 公式 2
[0012] f2/fl = cos 目 公式 3
[0013] 该方法先通过凸柱面镜(5)对激光束（1)的入射光斑面积(4)进行单向压缩R COS0 形成单向压缩光斑(6)，并且凸柱面镜(5)与凹柱面镜(8)构成的压束镜效果形成平行光束， 然后由激光束（1)与金属零件表面(2)法线夹角Θ，对单向压缩光斑(6)长轴方向进行压缩， 实现金属零件表面(2)上激光倾斜入射光斑(7)与入射光斑面积(4)相等，该方法效果：凸柱 面镜(5)与凹柱面镜(8)组合形成压束镜效果，实现满足飞瓣安全距离的凹柱面镜(8)与金 属零件表面(2)之间任意距离功率密度补偿，误差5% W内；避免激光冲击强化过程中水飞 瓣对凹柱面镜(8)的污染，延长凹柱面镜(8)更换周期；
[0014] 方法Ξ、将一个聚焦透镜(9)和一个凸柱面镜(5)的组合一依次放置在激光束（1) 对金属零件表面(2)的入射路径上，或将一个聚焦透镜(9)、一个凸柱面镜(5)和一个凹柱面 镜(8)的组合二依次放置在激光束（1)对金属零件表面(2)的入射路径上，组合一和组合二 的的中屯、线与激光束（1)的中屯、线重合，入射激光束（1)通过组合一聚焦在金属零件表面 (2)上，入射激光束（1)通过组合二构成的压束镜效果所形成的平行光束聚焦在金属零件表 面(2)上，凸柱面镜（5)和凹柱面镜(8)的焦距n、f2均为400~2000mm，聚焦透镜(9)的焦距 为500~1000mm，凸柱面镜(5)的中屯、点距离金属零件表面(2)的距离D3满足W下公式：
[0015] D3 = flcos 目 公式 4
[0016] 凸柱面镜(5)和凹柱面镜(8)的中屯、点之间的距离D4满足W下公式：
[0017] D4 = fl-f2 公式 5
[0018] f2/fl = cos 目 公式 6
[0019] 通过调节聚焦透镜(9)和凸柱面镜（5)之间的距离，将激光倾斜入射光斑(7)的直 径缩小至1~3mmW实现小光斑功率密度补偿。
[0020] 该方法除方法一和方法二技术外，同时调节聚焦透镜(9)和凸柱面镜(5)之间的距 离使激光倾斜入射光斑(7)达到激光功率密度补偿和调整光斑大小的目的，实现小光斑功 率密度补偿，扩宽激光冲击强化应用范围。
[0021] 本发明技术方案的特点是在不改变激光光斑形状的条件下，利用透镜组合的方 式，通过对激光作用延伸方向进行预压缩的方式，保证压束后激光保持原来的入射方向，实 现倾斜入射作用区域等同于垂直入射，不改变光斑形状，比常规补偿方法更灵活，使激光冲 处理工艺得到技术上的提升和进步，扩大了适用性。
【附图说明】
[0022] 图1为激光倾斜入射时光斑变化的原理图
[0023]