一種旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]早在20世紀(jì)60年代，相關(guān)研宄人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光脈沖輻照在固體材料表面時(shí)，激光與材料相互作用產(chǎn)生沖擊波的現(xiàn)象。隨后激光誘導(dǎo)沖擊波的力學(xué)效應(yīng)便逐步應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域，如材料表面的激光沖擊強(qiáng)化處理，即利用激光誘導(dǎo)的沖擊波，提高材料的抗疲勞、磨損和應(yīng)力腐蝕等性能；以及激光層裂發(fā)涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)，即利用激光誘導(dǎo)的沖擊波在不同材料結(jié)合界面處反射時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力的特性，來(lái)檢測(cè)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
[0003]隨著對(duì)激光沖擊波力學(xué)效應(yīng)和光力耦合關(guān)系研宄的深入和發(fā)展，開(kāi)拓了一個(gè)全新的制造和加工領(lǐng)域一以激光的力學(xué)效應(yīng)為主的光力制造理論與技術(shù)，在國(guó)防和民用工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，如激光沖擊成形、激光沖擊強(qiáng)化、激光沖擊消除有害殘余應(yīng)力、激光沖擊表面微加工、激光沖擊高壓合成、激光層裂檢測(cè)等。其中，激光沖擊表面微加工又稱激光沖擊波微造型，它是利用激光誘導(dǎo)的沖擊波作為成形力源，使金屬板料發(fā)生微觀塑性變形的技術(shù)，是一種全新的快速成形方法，也是激光沖擊加工技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004]激光沖擊波微造型是一種近年來(lái)發(fā)展較快的現(xiàn)代化加工方法。但是，現(xiàn)有技術(shù)中的激光沖擊波微造型受到若干缺點(diǎn)的限制，由于激光沖擊波對(duì)其造型作用微區(qū)的高速高壓沖壓行為，使得加工塑性較差的金屬材料時(shí)，微造型凹坑邊緣部分發(fā)生沖擊微裂紋甚至表面破裂飛濺，造成微造型加工質(zhì)量差且難以控制，同時(shí)所需的激光脈沖能量要求很高，經(jīng)常需要多脈沖重疊沖擊才能滿足微造型要求，加工效率不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種加工效率更高、加工質(zhì)量更好的旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工裝置；本發(fā)明還同時(shí)提供了一種旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工方法。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工裝置，包括用于輸出沖擊波激光束的第一激光器、用于輸出連續(xù)激光束或長(zhǎng)脈寬脈沖激光束的第二激光器、復(fù)合加工頭和加工頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0008]所述復(fù)合加工頭呈中空套筒狀，安裝在加工頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，由加工頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)其繞自身軸線整體旋轉(zhuǎn)；
[0009]所述復(fù)合加工頭包括環(huán)形筒壁、上蓋板、下蓋板、雙楔形反射鏡、第一 45度反射鏡、第二 45度反射鏡、反射式聚焦鏡、聚焦透鏡和保護(hù)鏡；
[0010]所述環(huán)形筒壁的側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有穿透環(huán)形筒壁的第一激光入射口，所述第一激光入射口的外表面安裝有可透過(guò)沖擊波激光束的鍍膜玻璃；所述第一激光器輸出的沖擊波激光束透過(guò)鍍膜玻璃經(jīng)由第一激光入射口進(jìn)入到環(huán)形筒壁內(nèi)部；所述反射式聚焦鏡通過(guò)一鏡片夾具和一位置調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在環(huán)形筒壁的內(nèi)表面上，所述位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使得反射式聚焦鏡能夠沿著水平方向移動(dòng)；
[0011]所述上蓋板和下蓋板分別安裝在環(huán)形筒壁的上下兩端，將環(huán)形筒壁的內(nèi)腔封閉；所述上蓋板的中心位置開(kāi)設(shè)有穿透上蓋板的第二激光入射口，所述雙楔形反射鏡通過(guò)一鏡片夾具和一位置調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在上蓋板的下表面，所述位置調(diào)整機(jī)構(gòu)使得雙楔形反射鏡能夠沿著水平方向移動(dòng)；
[0012]所述第一 45度反射鏡通過(guò)一鏡片夾具固定安裝在上蓋板的下表面；所述雙楔形反射鏡具有相互平行的第一楔形反射面和第二楔形反射面，第一楔形反射面與第一激光入射口的位置對(duì)應(yīng)，第二楔形反射面與第二激光入射口的位置對(duì)應(yīng)；
[0013]所述下蓋板的中心位置開(kāi)設(shè)有穿透下蓋板的透光孔，透光孔與下蓋板的外邊緣之間開(kāi)設(shè)有透光環(huán)槽，所述透過(guò)孔和透光環(huán)槽上均安裝有保護(hù)鏡；所述第二 45度反射鏡和聚焦透鏡通過(guò)一鏡片夾具固定安裝在所述下蓋板的上表面；
[0014]所述第一激光入射口、雙楔形反射鏡、聚焦透鏡和保護(hù)鏡的安裝方位應(yīng)使得第一激光器發(fā)射的沖擊波激光束透過(guò)第一激光入射口沿水平方向入射到雙楔形反射鏡的第一楔形反射面，經(jīng)過(guò)第一楔形反射面轉(zhuǎn)折之后，向下沿豎直方向入射進(jìn)入聚焦透鏡，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡的聚焦后，透過(guò)保護(hù)鏡入射到工件表面的沖擊波模板的待沖擊區(qū)域上；
[0015]所述第一 45度反射鏡、第二 45度反射鏡和反射式聚焦鏡的安裝方位應(yīng)使得第二激光器發(fā)射的連續(xù)激光束或長(zhǎng)脈寬脈沖激光束透過(guò)第二激光入射口沿豎直方向入射到雙楔形反射鏡的第二楔形反射面，經(jīng)過(guò)第二楔形反射面轉(zhuǎn)折之后，沿水平方向入射進(jìn)入第一45度反射鏡，經(jīng)過(guò)第一 45度反射鏡的轉(zhuǎn)折之后，向下沿豎直方向入射進(jìn)入第二 45度反射鏡，經(jīng)過(guò)第二 45度反射鏡的轉(zhuǎn)折之后，沿水平方向入射進(jìn)入反射式聚焦鏡，經(jīng)過(guò)反射式聚焦鏡的反射和聚焦后，輸出至工件表面的沖擊波模板的非沖擊區(qū)域。
[0016]本發(fā)明還同時(shí)提供了一種旋轉(zhuǎn)光束預(yù)熱的激光沖擊波微造型加工方法，包括如下步驟:
[0017](I)準(zhǔn)備沖擊波模板，所述沖擊波模板上根據(jù)微造型凹坑圖形排布有待沖擊區(qū)域和非沖擊區(qū)域；
[0018](2)在待加工工件需要微造型的位置放置及裝夾沖擊波模板，并使得工件上需要加工微造型凹坑的位置與沖擊波模板上的待沖擊區(qū)域重合；所述沖擊波模板工件之間的間隙小于0.05mm,
[0019](3)移動(dòng)復(fù)合加工頭，使得沖擊波激光束經(jīng)過(guò)傳輸和聚焦光路后，垂直入射到工件表面的沖擊波模板的任意一個(gè)未加工過(guò)的待沖擊區(qū)域上，并且沖擊波激光束的聚焦焦點(diǎn)位于該待沖擊區(qū)域的表面幾何中心位置；
[0020](4)調(diào)節(jié)復(fù)合加工頭內(nèi)部光路元件方位，使得連續(xù)激光束或長(zhǎng)脈寬脈沖激光束經(jīng)過(guò)傳輸和聚焦光路后，正好聚焦在工件上由步驟(3)確定的未加工過(guò)的待沖擊區(qū)域附近表面，并且使得其聚焦焦點(diǎn)所在位置與步驟(3)中的沖擊波激光束的聚焦焦點(diǎn)所在位置之間的距離等于待沖擊區(qū)域的微造型凹坑半徑；
[0021](5)調(diào)節(jié)復(fù)合加工頭的旋轉(zhuǎn)速度，使得當(dāng)雙楔形反射鏡的第一楔形反射面轉(zhuǎn)到與沖擊波激光束的入射方向垂直時(shí)，第一激光器恰好輸出沖擊波激光束；
[0022](6)打開(kāi)第二激光器，使其輸出連續(xù)激光束或長(zhǎng)脈寬脈沖激光束，激光束透過(guò)第二激光入射口沿豎直方向入射到雙楔形反射鏡的第二楔形反射面，經(jīng)過(guò)第二楔形反射面轉(zhuǎn)折之后，沿水平方向入射進(jìn)入第一 45度反射鏡5，過(guò)第一 45度反射鏡的轉(zhuǎn)折之后，向下沿豎直方向入射進(jìn)入第二 45度反射鏡6經(jīng)過(guò)第二 45度反射鏡的轉(zhuǎn)折之后，沿水平方向入射進(jìn)入反射式聚焦鏡，經(jīng)過(guò)反射式聚焦鏡7反射和聚焦后，輸出至工件表面的沖擊波模板12沖擊區(qū)域上；
[0023](7)打開(kāi)第一激光器，使其輸出沖擊波激光束，沖擊波激光束透過(guò)第一激光入射口沿水平方向入射到雙楔形反射鏡的第一楔形反射面，經(jīng)過(guò)第一楔形反射面的轉(zhuǎn)折之后，向下沿豎直方向入射進(jìn)入聚焦透鏡，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡的聚焦后，透過(guò)保護(hù)鏡入射到工件表面的沖擊波模板的待沖擊區(qū)域上進(jìn)行微造型；
[0024](8)關(guān)閉第一激光器和第二激光器；
[0025](9)重復(fù)步驟(3)-(8)，直至完成所有位置的微造型。
[0026]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明采用了多光束復(fù)合激光沖擊波微造型的方式，連續(xù)激光束先對(duì)微造型位置周圍區(qū)域進(jìn)行了加熱，使其溫度上升(但保持熔點(diǎn)以下)，同時(shí)以微造型區(qū)域位置也被熱傳導(dǎo)加熱到稍低一點(diǎn)溫度，眾所周知鋼鐵材料溫度升高則變形抗力降低、塑性增大，更有利于其壓力成型，因此在具有周圍區(qū)域預(yù)熱效果的激光沖擊波壓力作用下，微造型坑更深，或者說(shuō)同等深度的