專利名稱：激光沖擊成形強化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強激光應(yīng)用技術(shù)，特指將重復(fù)頻率千兆瓦激光器、5軸工作臺、工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光沖擊波參數(shù)與工件運動軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監(jiān)控。
背景技術(shù)：
激光沖擊強化(Laser Shock Processing，簡寫LSP)，又稱為激光噴丸，是利用高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(ns量級)強激光沖擊覆蓋在金屬表面的激光吸收保護膜或直接沖擊金屬表面，其吸收激光能量后溫度迅速升高，發(fā)生氣化、電離、膨脹，誘發(fā)高幅值沖擊波，即光能轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊波機械能；高達數(shù)GPa的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改善了金屬材料的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能。
激光沖擊成形(Laser Shock Forming，簡寫LSF)，是利用高功率短脈沖激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生強沖擊波或應(yīng)力波，并利用沖擊波或應(yīng)力波來開發(fā)各種用途的技術(shù)。激光沖擊成形(Laser Shock Forming，LSF)是利用強激光誘導(dǎo)高幅沖擊波的力學(xué)效應(yīng)使板料產(chǎn)生塑性變形的一種新技術(shù)。從激光器發(fā)出的高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(ns量級)的強激光束，沖擊覆蓋在金屬表面上的激光吸收保護膜或直接沖擊金屬表面，使其汽化電離、形成高溫高壓的等離子體，等離子體的爆炸誘發(fā)高壓沖擊波。由于沖擊波壓力達到109Pa量級，遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，從而使板料產(chǎn)生宏觀塑性變形。通過選擇激光脈沖能量和脈沖寬度，可控制板料變形量；通過數(shù)控系統(tǒng)控制激光沖擊軌跡、疊加方式和作用區(qū)域的脈沖次數(shù)，可實現(xiàn)板料的局部或大面積成形。如采用預(yù)先制作好的凹凸模，可實現(xiàn)薄金屬板料的激光沖擊仿形。
根據(jù)我們的相關(guān)文獻與專利的查閱，美國Lawrence Livermore國家實驗室申報的激光噴丸成形發(fā)明專利，與激光沖擊成形很相近，但在專利中沒有涉及具體的激光裝置。美國LSP Technologies公司研制的激光沖擊強化裝置，輸出脈沖能量50J、脈沖寬度20ns、磷酸鹽釹玻璃、重復(fù)頻率1.25Hz，采用機器人進行工件的沖擊強化，沒有激光沖擊成形的功能。國內(nèi)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳鴻興等人有“釹玻璃激光沖擊處理機”的發(fā)明專利，申請?zhí)?0112122.7，該專利只涉及高功率釹玻璃激光發(fā)射裝置。
激光沖擊強化與激光沖擊成形都是利用強激光束誘發(fā)的高壓沖擊波，所用激光器輸出激光功率均為千兆瓦。到目前為止，國內(nèi)外還沒有集激光沖擊強化與激光沖擊成形于一體的強激光制造系統(tǒng)的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，將激光沖擊強化與激光沖擊成形兩種激光沖擊處理技術(shù)集于一個系統(tǒng)，降低激光沖擊制造設(shè)備的生產(chǎn)與維護的成本，提高加工精度和工作效率，加速激光沖擊制造業(yè)的市場化。
本發(fā)明的目的由以下方式實現(xiàn)本發(fā)明通過現(xiàn)場總線將重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業(yè)控制計算機連接起來，使用激光沖擊處理軟件將三者集成一個系統(tǒng)。其中重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學(xué)系統(tǒng)、激光器電源與控制系統(tǒng)等。激光器光學(xué)系統(tǒng)包括依次相連的多模疊加的電光調(diào)Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器、預(yù)放大器，以及與預(yù)放大器分別相連的兩個前置主放大器、兩個后置主放大器，級間使用空間適配器耦合，可飽和吸收被動光隔離器位于振蕩器輸出端，其用途是抑制系統(tǒng)放大自發(fā)輻射能量(ASE)。振蕩器和放大器均采用全腔循環(huán)水冷，保證重復(fù)頻率工作下釹玻璃棒、泵浦氙燈和聚光腔的散熱。電光調(diào)Q振蕩器包括依次組合的1.054μm波長激光全反射鏡、KD*P電光調(diào)Q晶體、1.054μm波長激光偏振器、釹玻璃棒狀激光工作物質(zhì)、激光振蕩器輸出耦合鏡。重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器的電源與控制系統(tǒng)，包括各級充電電壓控制、各級氙燈觸發(fā)及調(diào)Q觸發(fā)延遲電路控制、光閘開關(guān)控制、重復(fù)工作頻率選擇等，均預(yù)設(shè)計算機控制接口。
要實現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的激光沖擊強化和激光沖擊成形，必須要有一個能實現(xiàn)多軸復(fù)合運動的工作平臺。目前普通機床的五坐標(biāo)的工作臺一般都是龍門式或立柱式的，不能滿足沖擊的運動要求，因此本發(fā)明提出了一種疊加式的五軸工作平臺。疊加式工作臺具有三個直線滑動平臺，分別是X、Y、Z，另有由支撐平臺與旋轉(zhuǎn)臺組成的B、C兩個旋轉(zhuǎn)平臺，其中X方向直線滑動平臺在最下方，Y方向直線滑動平臺在X方向上方，Y向直線滑動平臺上安裝C方向支撐平臺，C向支撐平臺上安裝C向旋轉(zhuǎn)臺，C向旋轉(zhuǎn)臺上安裝Z方向直線滑動平臺，在Z向直線滑動平臺側(cè)面安裝B方向支撐平臺，在B方向支撐平臺上安裝B向旋轉(zhuǎn)工作臺，五軸工作平臺的動力驅(qū)動裝置設(shè)有X、Y、Z三個方向的伺服電機。上件安裝在B向旋轉(zhuǎn)工作臺上，根據(jù)被加工工件的形狀，通過計算機的控制工作臺的運動，選擇工件表面與激光束的相交位置和相交角度，進行沖擊，完成加工。
為了將重復(fù)頻率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業(yè)控制計算機等進行系統(tǒng)集成，形成一套完整、有機聯(lián)系的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，本發(fā)明采用開放式分布控制系統(tǒng)，用一臺工業(yè)控制計算機作為上位機，通過現(xiàn)場總線將重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業(yè)控制計算機連接起來，通過激光沖擊處理軟件實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的信息交換。根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，各環(huán)節(jié)的控制器負責(zé)具體對象的控制，相互間的信息交換通過工業(yè)控制計算機進行處理，系統(tǒng)在工業(yè)控制計算機的協(xié)調(diào)和控制下可以進行手動操作，也可以根據(jù)激光沖擊處理軟件進行控制，實現(xiàn)相關(guān)功能。
本發(fā)明的優(yōu)點在于第一，將激光沖擊強化與激光沖擊成形兩種激光沖擊制造技術(shù)集成于一個系統(tǒng)，大幅降低了激光沖擊設(shè)備的成本；第二，激光沖擊成形強化系統(tǒng)的建立，極大地簡化了激光沖擊處理的操作流程，操作人員精簡到只需一人通過計算機控制即可；第三，通過計算機控制激光沖擊成形強化系統(tǒng)，避免了操作人員直接接觸激光器，提高了操作安全性；第四，開發(fā)出激光沖擊成形強化的控制系統(tǒng)(包括軟件與硬件)，實現(xiàn)了激光沖擊參數(shù)、軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監(jiān)控，提高了激光沖擊處理的效率。


圖1為激光沖擊成形強化系統(tǒng)集成框圖。
圖2為激光器光學(xué)系統(tǒng)排布示意圖1.半導(dǎo)體光路指示激光器；2.1.054μm波長激光全反射鏡；3.1.054μm波長激光半透半反分束鏡；4.釹玻璃棒狀激光工作物質(zhì)；5.1.054μm波長激光空間適配擴束鏡；6.可飽和吸收被動光隔離器；7.激光振蕩器輸出耦合鏡；8.1.054μm波長激光偏振器；9.KD*P電光調(diào)Q晶體。
圖3為五軸工作平臺結(jié)構(gòu)示意圖10.Z向伺服電機；11.Z向直線滑動平臺；12.B向旋轉(zhuǎn)臺；13.B向支撐平臺；14.C向旋轉(zhuǎn)臺；15.C向支撐平臺；16.Y向直線滑動平臺；17.X向直線滑動平臺；18.Y向伺服電機；19.X向伺服電機具體實施方式
激光沖擊成形強化系統(tǒng)，核心組成是重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器。激光器可以采用手動控制和自動控制兩種不同的方法進行控制。手動控制方式工作時在激光器充電電源控制面板上進行操作，通過不同按鈕的控制實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和控制；自動控制則在面板設(shè)定部分(氙燈觸發(fā)延遲時間與調(diào)Q延遲時間等)固定參數(shù)外，通過外部的計算機實現(xiàn)激光沖擊主要工藝參數(shù)的控制，主要控制參數(shù)是激光脈沖發(fā)射頻率、觸發(fā)開關(guān)及激光脈沖輸出能量。
激光器光學(xué)排布如圖2所示，雙燈泵浦Φ8×200的電光調(diào)Q釹玻璃振蕩器產(chǎn)生多模疊加激光脈沖種籽信號，中心波長λ0＝1.054μm，脈沖能量≤1.5J，脈沖寬度≤20ns。種籽信號通過Cr4+YAG可飽和吸收被動隔離器(6)隔離放大自發(fā)輻射能量(ASE)，然后進入空間適配擴束鏡擴束，擴束后進入雙燈泵浦Φ14×350的釹玻璃預(yù)放大器，經(jīng)過預(yù)放大后的脈沖能量≈10J。預(yù)放大后的激光束經(jīng)空間適配擴束鏡擴束，再通過兩個正交放置的45°全反射光學(xué)鉸鏈反射180°，支撐到45°半透半反分束鏡(3)，透射光束直接進入雙燈泵浦釹玻璃Φ16×350前置主放大器I-1；反射光束使用一個45°全反射鏡反射進入并聯(lián)的雙燈泵浦釹玻璃Φ16×350前置主放大器I-2；通過前置主放大器放大后的脈沖能量之和≈20～25J，通過前置主放大器放大之后的光束分別經(jīng)空間適配擴束鏡擴束，進入雙燈泵浦釹玻璃Φ20×350后置主放大器II-1、II-2放大最終輸出，后置主放大器放大后脈沖能量之和≈40～50J。
五軸工作平臺設(shè)有數(shù)控接口，通過激光沖擊處理軟件控制X、Y、Z三個方向的滑動和B、C兩個方向轉(zhuǎn)動，可以精確控制固定在旋轉(zhuǎn)工作平臺上的工件的沖擊軌跡，誤差≤±0.1mm。工業(yè)控制計算機與激光器電源、五軸工作平臺通過接口連接，各控制單元與接口之間采用現(xiàn)場總線(CAN)連接。
本發(fā)明激光沖擊處理程序可實現(xiàn)以下控制功能1.通過0-5V數(shù)控電壓精確控制激光器電源的充電電壓，從而控制激光器的輸出激光脈沖能量；2.通過對五軸工作平臺的運動控制(直線運動控制精度≥0.1mm，轉(zhuǎn)動控制精度≥0.1°)，將工件固定在工作平臺上，實現(xiàn)了對激光沖擊軌跡的精確控制與優(yōu)化；3.通過外觸發(fā)同步接口，控制激光器氙燈及電光調(diào)Q的觸發(fā)頻率與開關(guān)；4.使用程序控制激光沖擊處理的輔助功能開關(guān)循環(huán)水冷機、流水約束層水閥、光閘等；5.系統(tǒng)狀態(tài)顯示主要顯示各從機的工作狀態(tài)、工作臺各坐標(biāo)的限位情況、水閥的工作狀態(tài)、光閘的工作狀態(tài)、循環(huán)水冷機工作狀態(tài)等。
權(quán)利要求
1.激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征是通過現(xiàn)場總線將重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業(yè)控制計算機連接起來，使用激光沖擊處理軟件將三者集成一個系統(tǒng)；其中重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學(xué)系統(tǒng)、激光器電源與控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征在于所述五軸工作臺具有X、Y、Z三個方向直線滑動平臺(11、16、17)，以及由支撐平臺和旋轉(zhuǎn)臺組成的B、C兩個旋轉(zhuǎn)平臺，其中X向直線滑動平臺(17)在最下方，Y向直線滑動平臺(17)在X方向的上方，Y向直線滑動平臺(17)上安裝C向支撐平臺(15)，C向支撐平臺(15)上安裝C向旋轉(zhuǎn)臺(14)，C向旋轉(zhuǎn)臺(14)上安裝Z向直線滑動平臺(11)，在Z向直線滑動平臺(11)側(cè)面安裝B向支撐平臺(13)，在B向支撐平臺(13)上安裝B向旋轉(zhuǎn)工作臺(12)，五軸工作平臺的動力驅(qū)動裝置設(shè)有X、Y、Z三個方向的伺服電機(19、18、10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征在于所述的激光器光學(xué)系統(tǒng)包括依次相連的電光調(diào)Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器(6)、預(yù)放大器，以及與預(yù)放大器分別相連的兩個前置主放大器，兩個后置主放大器；級間使用空間適配器耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征在于所述的振蕩器和放大器均采用全腔循環(huán)水冷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征在于重復(fù)率千兆釹玻璃激光器的激光器電源與控制系統(tǒng)，包括各級充電電壓控制、各級氙燈觸發(fā)及調(diào)Q觸發(fā)延遲電路控制、光閘開關(guān)控制、重復(fù)工作頻率選擇，均預(yù)設(shè)計算機控制接口。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其特征在于電光調(diào)Q振蕩器包括依次組合的1.054μm波長激光全反射鏡(2)、KD*P電光調(diào)Q晶體(9)、1.054μm波長激光偏振器(8)、釹玻璃棒狀激光工作物質(zhì)(4)、激光振蕩器輸出耦合鏡(7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光沖擊成形系統(tǒng)，特指將重復(fù)頻率千兆瓦激光器、5軸工作臺、工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成的激光沖擊成形強化系統(tǒng)，其中重復(fù)率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學(xué)系統(tǒng)、激光器電源與控制系統(tǒng)等。激光器光學(xué)系統(tǒng)包括依次相連的多模疊加的電光調(diào)Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器、預(yù)放大器，以及與預(yù)放大器分別相連的兩個前置主放大器、兩個后置主放大器，級間使用空間適配器耦合，疊加式工作臺具有三個直線滑動平臺，分別是X、Y、Z，另有由支撐平臺與旋轉(zhuǎn)臺組成的B、C兩個旋轉(zhuǎn)平臺，本發(fā)明將各部件統(tǒng)集成于一個系統(tǒng)，大幅降低了激光沖擊設(shè)備的成本，實現(xiàn)了激光沖擊波參數(shù)與工件運動軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監(jiān)控。
文檔編號C21D1/09GK101020944SQ20061016163
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者張永康, 李國杰, 魯金忠, 殷蘇民, 任旭東 申請人:江蘇大學(xué)