CN111545919B - 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法 - Google Patents

一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111545919B
CN111545919B CN202010367640.1A CN202010367640A CN111545919B CN 111545919 B CN111545919 B CN 111545919B CN 202010367640 A CN202010367640 A CN 202010367640A CN 111545919 B CN111545919 B CN 111545919B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
mirror
light spot
heads
shock peening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010367640.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111545919A (zh
Inventor
郭伟
张永鑫
李博
郭超
车志刚
孙汝剑
彭鹏
李钢
李卫东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Original Assignee
Beihang University
Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University, Xian Aircraft Design and Research Institute of AVIC filed Critical Beihang University
Priority to CN202010367640.1A priority Critical patent/CN111545919B/zh
Publication of CN111545919A publication Critical patent/CN111545919A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111545919B publication Critical patent/CN111545919B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/356—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by shock processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法，自上而下依次包括：激光阵列组件、光束组合组件和聚焦组件；激光阵列组件包括主壳体和N个激光头，N≥3；激光头的布置方式为A方式：N‑1个激光头呈环形均匀安装于主壳体的顶部，一个激光头安装在环形的圆心位置；B方式：N个激光头呈环形均匀安装于主壳体的顶部；光束组合组件在主壳体内部；聚焦组件位于光束组合组件下方，与环形的圆心处于同一轴心线上；该装置获得的耦合光斑可有效解决单一激光束能量不足问题，利用耦合光斑进行一次性覆盖式的大面积激光冲击强化，有效消除常规逐点冲击方式存在的产生应力先后顺序问题，形成更加均匀的残余应力场，提高零件的使用寿命。

Description

一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，特别涉及一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法。
背景技术
激光冲击强化技术利用高功率密度、短脉冲的激光穿过约束层，作用于材料表面涂层而产生大量稠密的高温、高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量进而发生***，形成高强度冲击波作用于金属表面并向内部传播，使一定区域内产生塑性变形和位错结构，外力消除后在材料表面获得较高的残余压应力，因此零件在经受交变载荷时平均应力水平降低，疲劳性能得以增强。
目前，常用的激光强化装备多为单点式，即第一个点冲击完成后，激光斑点在机械臂的运动下移动至第二个待冲击点，依次进行激光冲击强化。这种逐点冲击强化的工作方式，激光斑点处能量较小(＜10J)，难以产生较大地残余压应力值，冲击效率低下；冲击路径受机械臂的运动方向制约，只能够完成打点成线、组线成面的激光冲击强化区域，无法实现冲击一次，面积区域内一次性强化完成的目标。同时，逐点冲击强化这一工作方式使得不同点位之间存在冲击前后顺序的问题，即已冲击点位的应力场对下一个待冲击点位产生影响，这一问题在现如今的激光强化装备中无法得到根本性解决。另外，针对一些复杂结构，例如带孔结构，需要设计圆形或方形冲击形状覆盖孔结构周围区域，而在特殊条件下可能还需要三角形、十字形等冲击形状。
因此，如何解决单一光斑能量不足和斑点尺寸不足等问题，且可以适应不同形状零件的快速激光冲击强化，是同行从业人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提出的一种至少解决上述部分技术问题的多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，自上而下依次包括：激光阵列组件、光束组合组件和聚焦组件；
所述激光阵列组件包括：主壳体和多个激光头；多个所述激光头数量为N，N≥3；
其中，所述激光头的布置方式为A方式或B方式；
A方式：N-1个所述激光头呈环形均匀安装于所述主壳体的顶部，一个所述激光头安装在所述环形的圆心位置；B方式：N个所述激光头呈环形均匀安装于所述主壳体的顶部；
所述光束组合组件安装在所述主壳体内部；所述聚焦组件位于所述光束组合组件下方，且与所述环形的圆心处于同一轴心线上；
呈环形均匀安装于所述主壳体顶部的所述激光头发射的激光光束经所述光束组合组件反射后，由所述聚焦组件输出；安装在所述环形圆心位置的所述激光头发射的激光光束直接由所述聚焦组件输出。
在一个实施例中,所述光束组合组件包括：所述激光头的布置为A方式时，所述光束组合组件包括：镜架、N-1个反射镜单元及N-1个驱动机构；所述镜架及驱动机构固定安装于所述主壳体上；
所述反射镜单元包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜分别安装在相对应的所述驱动机构上；所述第二反射镜与第一反射镜一一对应，且所述第二反射镜安装在所述镜架上；
N-1个所述第一反射镜与N-1个所述激光头分别一一对应；N-1个所述激光头发射的激光光束入射到相对应的所述第一反射镜上，并反射到相对应的第二反射镜上。
在一个实施例中，所述激光头的布置为B方式时，所述光束组合组件包括：镜架、N个反射镜单元及N个驱动机构；所述镜架及驱动机构固定安装于所述主壳体上；
所述反射镜单元包括第一反射镜和第二反射镜所述第一反射镜分别安装在相对应的所述驱动机构上；所述第二反射镜与第一反射镜一一对应，且所述第二反射镜安装在所述镜架上；
N个所述第一反射镜与N个所述激光头分别一一对应；N个所述激光头发射的激光光束入射到相对应的所述第一反射镜上，并反射到相对应的第二反射镜上。
在一个实施例中，所述驱动机构包括驱动电机和输出轴，所述驱动电机通过所述输出轴驱动所述第一反射镜转动。
在一个实施例中，所述第一反射镜与水平面呈45°角安装于所述输出轴上。
在一个实施例中，所述第一反射镜的偏转角度范围为0～5°，所述第一反射镜在与竖直平面呈45°～50°角度范围内调节。
在一个实施例中，所述第二反射镜与水平面呈45°角安装于所述镜架上。
在一个实施例中，所述镜架为正多边形，所述正多边形的边数与所述第二反射镜的数量相同。
在一个实施例中，所述聚焦组件为聚焦透镜，所述聚焦透镜安装于所述主壳体内部的正下方。
另一方面，本发明实施例提供一种多光束耦合光斑的激光冲击强化方法，包括：
S1、根据待冲击强化零件的结构，确定耦合光斑的形状和尺寸；
S2、依据耦合光斑的形状，确定开启相应位置的激光头；
S3、依据耦合光斑的尺寸，计算各光斑圆心至焦点的距离L；
S4、依据各光斑圆心至焦点的距离L＝f·tan2α，计算各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α；
S5、依据各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α进行调节，获得具有相应形状特征的耦合光斑；
S6、若改变耦合光斑的搭接率，可重新计算各光斑圆心至焦点的距离L，重复步骤S3、S4和S5，获得相应的耦合光斑。
本发明提供的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法的优点如下：
(1)本发明装置的结构简单且紧凑，且分别通过方式A或方式B对激光头进行设置，可以获得方形、圆形、三角形等特殊冲击图形，解决传统激光强化光斑形状单一的局限性问题。
(2)该装置可有效满足激光冲击强化生产中不同光斑模式的要求；通过调整光束组合组件中的第一反射镜偏转角度，改变耦合光斑的搭接率；多束激光聚焦于一点时，可有效解决单一激光束能量不足问题，且可实现对形成耦合光斑的各个激光束的精确控制,提高加工精度；
(3)针对圆孔等特殊结构，利用耦合光斑进行一次性覆盖式的大面积激光冲击强化，消除常规逐点冲击方式存在的产生应力先后顺序问题，形成更加均匀的残余应力场，提高零件的使用寿命；多束激光形成耦合光斑，显著提高生产效率，有效节约了成本投入。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的多光束耦合光斑的激光冲击强化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多光束耦合光斑的激光阵列装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的为耦合光斑装置输出的三角形光斑示意图；
图4为本发明实施例提供的为耦合光斑装置输出的矩形光斑示意图；
图5为本发明实施例提供的光束圆形耦合光斑装置的输出光斑示意图；
图6为本发明实施例提供的光束圆形耦合光斑装置输出的不同搭接率光斑示意图；
图7为本发明实施例提供的7光束圆形耦合光斑的激光冲击强化方法流程图；
图8为本发明实施例提供的第一反射镜的角度偏转示意图；
图9为本发明实施例提供的三角形光斑的具体构成示意图；
图10为本发明实施例提供的矩形光斑的具体构成示意图；
图11为本发明实施例提供的圆形光斑的具体构成示意图；
其中，1-主壳体、2-激光头、3-镜架、4-反射镜单元、5-驱动机构、6-聚焦透镜、41-第一反射镜、42-第二反射镜、51-驱动电机、52-输出轴。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
具体实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，自上而下依次包括：激光阵列组件、光束组合组件和聚焦组件；
在本实施例中，激光阵列组件包括：主壳体1和多个激光头2；多个激光头2数量为N，激光头呈A方式进行布置，其中，N＞3；该A方式布置为：N-1个激光头2呈环形均匀安装于主壳体1的顶部，另一个激光头2安装在环形的圆心位置；呈环形均匀安装的每两个相邻激光头之间对应的圆心角相等；光束组合组件安装在主壳体1内部；聚焦组件位于光束组合组件下方，且与上述所呈环形的圆心处于同一轴心线上；N-1个激光头2发射的激光光束经光束组合组件反射后，由聚焦组件输出，而另一个激光头2发射的激光光束直接由聚焦组件输出。
比如：当N＝4时，其中，3个激光头呈环形均匀安装于主壳体的顶部，每相邻的两个激光头之间对应的圆心角为120°，剩余的一个激光头位于三个激光头构成的三角形的外接圆的圆心位置，即：3个激光头所呈环形的圆心位置。
当N＝5时，4个激光头呈环形均匀安装于主壳体的位置上，每相邻的两个激光头之间对应的圆心角为90°，剩余一个激光头位于4个激光头构成的四边形的外接圆的圆心上，即：4个激光头所呈环形的圆心位置。依次类推，按照上述A方式对N个激光头进行布置安装。
在本实施例中，N-1个激光头2呈环形均匀安装于主壳体1的顶部，任意相邻激光头2之间所对应的圆心角度相同，其中，环形分布的激光头2的数量一般为3～8个，若主壳体1顶部的面积足够大，激光头2的安装数量也可以随之增加，合理分布后，N-1个激光头2发射的激光光束经光束组合组件反射后，由聚焦组件输出，而另一个激光头2发射的激光光束直接由聚焦组件输出；通过调节光束组合组件的反射条件，可获得方形、圆形、三角形等特殊冲击图形的耦合光斑。
进一步地，如图1-2所示，光束组合组件包括：镜架3、N-1个反射镜单元4及N-1个驱动机构5；镜架3及驱动机构5固定安装于主壳体1上；
反射镜单元4包括第一反射镜41和第二反射镜42，第一反射镜41分别安装在相对应的驱动机构5上；第二反射镜42与第一反射镜41一一对应，且第二反射镜42安装在镜架3上；
N-1个第一反射镜41与呈环形均匀安装的N-1个激光头2分别一一对应，每个激光头2发射的激光光束入射到相对应的第一反射镜41上，并进而反射到相对应的第二反射镜42上，经上述聚焦组件输出。
在本实施例中，驱动机构5包括驱动电机51和输出轴52，驱动电机51通过输出轴52驱动第一反射镜41转动。在驱动电机51的带动下，第一反射镜41发生偏转，改变环向入射的激光束光路传播角度，其中，驱动电机51可为步进电机，步进电机为是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，该电动机每当输入一个电脉冲就动一步，无累积误差，保证了第一反射镜偏转角度的准确率，而且该电机结构简单，使用和维修比较方便，且制造成本低，可以降低本装置的生产成本。
在本实施例中，第一反射镜41与水平面呈45°角安装于输出轴52上，其中，第一反射镜41的偏转角度范围为0～5°，第一反射镜41在与竖直平面呈45°～50°角度范围内调节；第一反射镜41在驱动电机51的带动下在0～5°范围内转动，第一反射镜41发生偏转，改变环形分布的激光头入射的激光束光路传播角度；激光束经反射聚焦后形成的光斑间距发生改变，获得不同搭接率的耦合光斑；第二反射镜42与水平面呈45°角安装于镜架3上，第二反射镜42与第一反射镜41一一对应，镜架3固定安装于主壳体1上，第二反射镜42不可偏转；其中，镜架3为正多边形，镜架3的边数等于第二反射镜42的数量。
进一步地，第一反射镜41与水平面呈45°角时，射出的水平光束恰好照在第二反射镜42的四分之一镜面处，进而保证第一反射镜41偏转时，射出的光束不超过第二反射镜42的镜面区域。
在本实施例中，聚焦组件为聚焦透镜6，聚焦透镜6安装于主壳体1内部的正下方，且聚焦透镜6与上述N-1个激光头安装所呈环形的圆心同轴心线。在具体实施时，上述主壳体1的横截面可为正多边形或圆形，N-1个激光头在主壳体1的顶部呈环形均匀安装，此时，聚焦透镜6可与主壳体1的横截面形状的中心同轴心线。
环向分布的激光头2发出的激光束经过两次反射后由聚焦透镜6输出，处于轴心的激光头2发出的激光束直接经聚焦透镜6输出；多束激光由同一个聚焦透镜6聚焦输出，不易产生干涉条纹。
在本实施例中，通过该装置获取不同形状的光斑，比如优选为：N＝7；当需要获取的光斑为三角形时，可以在主壳体1上呈环形分布的6个激光头中选择相应位置的3个激光头进行开启，圆心位置的激光头处于关闭状态，对第一反射镜进行相应角度的偏转，则获得三角形的耦合光斑如图3所示；也可以选择处于环形位置的6个激光头均开启，然后获得由6个光斑组成三角形光斑。
当需要获取的光斑为矩形时，可以将主壳体1上呈环形分布的6个激光头均开启，圆心位置的激光头处于关闭状态，对第一反射镜进行相应角度的偏转，即可获取矩形耦合光斑如图4所示，也可以在呈环形分布的6个激光头中选择相应位置4个的激光头开启，然后获得由4个光斑组成矩形光斑。
当需要获取的光斑为圆形时，可以将环形位置和圆心位置的激光均开启，对第一反射镜进行相应角度的偏转，获得如图5为七光束圆形耦合光斑装置的输出圆形光斑，改变耦合光斑的搭接率，再对第一反射镜进行相应角度的偏转，形成的耦合光斑如图6所示，可进一步调整偏转角度，获取不同搭接率的圆形光斑；选择7个激光头是可形成较好圆形光斑的最少数量，6或5个时也可形成圆形耦合光斑，但环形分布的光斑相连性较差；
本实施例中只是举例进行具体分析，并不对选取的激光头的数量进行限定，只要可以形成相应形状的光斑即可，选择的激光头的数量以及位置，根据实际需要形成的耦合光斑的形状进行确定。
具体实施例二
在本实施例中提供一种光束圆形耦合光斑的激光冲击强化装置的技术方案与具体实施例一中的技术方案基本相同，本实施例仅对具体实施例一与本实施例存在的区别进行描述。
在本实施例中，激光头呈B方式进行布置，其中,N≥3，B方式为：N个激光头2呈环形分布安装在主壳体1的顶部，且两两激光头2之间角度相等，而环形的轴心位置没有设置激光头；N个激光头2发射的激光光束经光束组合组件反射后，由聚焦组件输出。
进一步地，比如，当N＝3时，3个激光头呈环形分布安装在主壳体1的顶部，每两个相邻的激光头之间对应的圆心角的度数为120°，当N＝4时，4个激光头呈环形均匀安装于主壳体的位置上，每相邻的两个激光头之间对应的圆心角为90°，依次类推，按照B的方式对N个激光头进行布置；
在本实施例中，光束组合组件包括：镜架3、N个反射镜单元4及N个驱动机构5；镜架3及驱动机构5固定安装于主壳体1上；反射镜单元4包括第一反射镜41和第二反射镜42，第一反射镜41分别安装在相对应的驱动机构5上；第二反射镜42与第一反射镜41一一对应，且第二反射镜42安装在镜架3上；N个第一反射镜41与N个激光头2分别一一对应；N个激光头2发射的激光光束入射到相对应的第一反射镜41上，并反射到相对应的第二反射镜42上。
在本实施例中，通过该装置获取不同形状的光斑，比如优选为：N＝8。当需要获取的光斑为三角形时，在主壳体1上呈环形分布的8个激光头中选取相应位置开启激光头，比如，开启相应位置的3个激光头，驱动第一反射镜进行偏转相应角度，可获得三角形的耦合光斑如图3所示；
当需要获取的光斑为矩形时，在主壳体1上呈环形分布的8个激光头中选择相应位置开启激光头，比如，开启相应位置的6个激光头，驱动第一反射镜进行相应角度的偏转后即可获取矩形耦合光斑如图4所示；该装置通过精确控制多个激光斑点的位置分布，实现聚焦一点时，多束激光能量叠加，获得大功率密度的光斑。
具体实施例三
如图7所示，另一方面，本发明实施例提供一种多光束耦合光斑的激光冲击强化方法，包括：
S1、根据待冲击强化零件的结构，确定耦合光斑的形状和尺寸；
S2、依据耦合光斑的形状，确定开启相应位置的激光头；
S3、依据耦合光斑的尺寸，计算各光斑圆心至焦点的距离L；
S4、依据各光斑圆心至焦点的距离L＝f·tan2α，计算各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α；
S5、依据各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α进行调节，获得具有相应形状特征的耦合光斑；
S6、若改变耦合光斑的搭接率，可重新计算各光斑圆心至焦点的距离L，重复步骤S3、S4和S5，获得相应的耦合光斑。
该实施例中的光束组合组件均为光束组合组件中的第一反射镜。
当以激光头的布置方式为A的激光冲击强化装置对零件进行强化时，其激光冲击强化的方法为：
1)根据待冲击零件的结构确定该待冲击零件的耦合光斑的形状和尺寸；例如：带圆孔的零件可采用圆形光斑，焊缝可采用矩形光斑。
2)根据耦合光斑的形状，确定开启相应位置的激光头；若获取的耦合光斑的形状为三角形，此时需要在N-1个环形分布的激光头中，选取相应位置开启激光头，而处于圆心位置的激光头则处于关闭状态；
如图8所示，在初始状态时，第一反射镜的初始偏转角度为0°，即与水平面呈45°角，此时环向入射光束的聚焦光斑恰好位于焦点处。通过调整第一反射镜的偏转角度α，来改变光斑圆心离焦点的距离L，进而实现不同的搭接率，其中L、α满足L＝f·tan2α，f为聚焦透镜的焦距；图中，F为焦点，f为焦距，O为光心；
3)根据耦合光斑的尺寸，计算构成三角形耦合光斑的各光斑圆心至焦点的距离L，其中，计算三角形存在边长上的所有光斑对应的圆心与焦点的距离，如图9所示，选择开启6个激光头，6个激光头形成的三角形耦合光斑中存在三角形边长的中点和顶点两种位置所对应的光斑，假设中点位置对应的光斑圆心与焦点的距离为L1，顶点位置对应的光斑圆心与焦点的距离为L2；
4)依据各光斑圆心至焦点的距离L＝f·tan2α计算处于中点位置的光斑对应第一反射镜需要偏转的角度为α1，而处于顶点位置的光斑对应第一反射镜需要偏转的角度为α2；调节某个第一反射镜的偏转角度，只会影响相应某个光斑靠近或远离聚焦透镜的焦点；其中激光头形成的光斑只能在激光头中心(光斑圆心)与焦点的连接线上移动。
5)对中点位置的光斑对应的第一反射镜偏转α1，对顶点位置的光斑对应的第一反射镜偏转α2，获得三角形的耦合光斑；
6)若改变耦合光斑的搭接率，可重新计算各光斑圆心至焦点的距离L，重复步骤S3、S4和S5，获得相应的耦合光斑。
如图10所示，若根据待冲击零件的结构确定该待冲击零件的耦合光斑的形状为矩形时，此时需要将在N-1个环形分布的激光头中，选取相应位置开启6个激光头，使处于圆心位置的激光头处于关闭状态；根据确定的矩形耦合光斑的尺寸，计算构成矩形耦合光斑的各光斑圆心至焦点的距离L，其中，图4中的矩形耦合光斑存在边长中点和顶点两种位置所对应的光斑，假设中点位置对应的光斑圆心与焦点的距离为L3，顶点位置对应的光斑圆心与焦点的距离为L4；依据计算得到的偏转角L3和L4可以获得偏转角α3和α4，然后分别对相应位置的第一反射镜进行相应角度的偏转，获得矩形的耦合光斑；
如图11所示，当确定耦合光斑为圆形时，此时需要在N-1个环形分布的激光头中，选取相应位置开启6个激光头，圆心位置的激光头也处于开启状态，根据确定的耦合光斑的尺寸大小，圆形对应的光斑至焦点的距离均相等；假设距离为L5，计算求得需要偏转的角度为α5，此时圆形位置光斑对应的第一反射镜偏转α5，获得圆形的耦合光斑。
具体实施例四
本实施例与具体实施例三的方法基本相同，仅对与具体实施例三存在区别的部分进行描述。
在本实施例中，该激光冲击强化装置以B方式布置激光头，对零件进行冲击强化，与上述实施例三中的步骤2)不同：
具体为：根据耦合光斑的形状，确定开启相应位置的激光头中，若获取的耦合光斑的形状为三角形时，此时需要将在N个环形分布的激光头中，选取相应位置开启激光头，然后对三角形上每个光斑对应的第一反射镜偏转相应的角度，获取三角形耦合光斑。
若根据待冲击零件的结构确定待冲击零件的耦合光斑的形状为矩形时，此时需要将在N个环形分布的激光头中，选取相应位置开启激光头，然后对矩形上每个光斑对应的第一反射镜偏转相应的角度，获取矩形耦合光斑；
本发明提供了一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法，可有效满足激光冲击强化生产中不同光斑模式的要求。通过调整第一反射镜偏转角度，改变耦合光斑的搭接率；多束激光聚焦于一点时，可有效解决单一激光束能量不足问题，该装置结构简单，可实现耦合光斑各个激光束的精确控制,提高了加工精度；调整不同耦合光斑的搭接率,针对不同材料吸收率材料的差异化成型工艺,提高激光利用率；针对圆孔等特殊结构，利用耦合光斑进行一次性覆盖式的大面积激光冲击强化，消除常规逐点冲击方式存在的产生应力先后顺序问题，形成更加均匀的残余应力场，提高零件的使用寿命；多束激光形成耦合光斑，显著提高生产效率，有效节约了成本投入。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，自上而下依次包括：激光阵列组件、光束组合组件和聚焦组件；
所述激光阵列组件包括：主壳体(1)和多个激光头(2)；多个所述激光头数量为N，N≥3；
其中，所述激光头的布置方式为A方式或B方式；
A方式：N-1个所述激光头(2)呈环形均匀安装于所述主壳体(1)的顶部，一个所述激光头(2)安装在所述环形的圆心位置；B方式：N个所述激光头(2)呈环形均匀安装于所述主壳体(1)的顶部；
所述光束组合组件安装在所述主壳体(1)内部；所述聚焦组件位于所述光束组合组件下方，且与所述环形的圆心处于同一轴心线上；
呈环形均匀安装于所述主壳体(1)顶部的所述激光头(2)发射的激光光束经所述光束组合组件反射后，由所述聚焦组件输出；安装在所述环形圆心位置的所述激光头(2)发射的激光光束直接由所述聚焦组件输出；
所述多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，实现激光冲击强化，包括步骤：
S1、根据待冲击强化零件的结构，确定耦合光斑的形状和尺寸；
S2、依据耦合光斑的形状，确定开启相应位置的激光头；
S3、依据耦合光斑的尺寸，计算各光斑圆心至焦点的距离L；
S4、依据各光斑圆心至焦点的距离L＝f·tan2α，计算各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α；
S5、依据各光斑对应的光束组合组件的偏转角度α进行调节，获得具有相应形状特征的耦合光斑；
S6、若改变耦合光斑的搭接率，可重新计算各光斑圆心至焦点的距离L，重复步骤S3、S4和S5，获得相应的耦合光斑。
2.如权利要求1所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光头的布置为A方式时，所述光束组合组件包括：镜架(3)、N-1个反射镜单元(4)及N-1个驱动机构(5)；所述镜架(3)及驱动机构(5)固定安装于所述主壳体(1)上；
所述反射镜单元(4)包括第一反射镜(41)和第二反射镜(42)，所述第一反射镜(41)分别安装在相对应的所述驱动机构(5)上；所述第二反射镜(42)与第一反射镜(41)一一对应，且所述第二反射镜(42)安装在所述镜架(3)上；
N-1个所述第一反射镜(41)与N-1个所述激光头(2)分别一一对应；N-1个所述激光头(2)发射的激光光束入射到相对应的所述第一反射镜(41)上，并反射到相对应的第二反射镜(42)上。
3.如权利要求1所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光头的布置为B方式时，所述光束组合组件包括：镜架(3)、N个反射镜单元(4)及N个驱动机构(5)；所述镜架(3)及驱动机构(5)固定安装于所述主壳体(1)上；
所述反射镜单元(4)包括第一反射镜(41)和第二反射镜(42)，所述第一反射镜(41)分别安装在相对应的所述驱动机构(5)上；所述第二反射镜(42)与第一反射镜(41)一一对应，且所述第二反射镜(42)安装在所述镜架(3)上；
N个所述第一反射镜(41)与N个所述激光头(2)分别一一对应；N个所述激光头(2)发射的激光光束入射到相对应的所述第一反射镜(41)上，并反射到相对应的第二反射镜(42)上。
4.如权利要求2或3所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述驱动机构(5)包括驱动电机(51)和输出轴(52)，所述驱动电机(51)通过所述输出轴(52)驱动所述第一反射镜(41)转动。
5.如权利要求4所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述第一反射镜(41)与水平面呈45°角安装于所述输出轴(52)上。
6.如权利要求5所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述第一反射镜(41)的偏转角度范围为0～5°，所述第一反射镜(41)在与竖直平面呈45°～50°角度范围内调节。
7.如权利要求2或3所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述第二反射镜(42)与水平面呈45°角安装于所述镜架(3)上。
8.如权利要求7所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述镜架(3)为正多边形，所述正多边形的边数与所述第二反射镜(42)的数量相同。
9.如权利要求1所述的一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置，其特征在于，所述聚焦组件为聚焦透镜(6)，所述聚焦透镜(6)安装于所述主壳体(1)内部的正下方。
CN202010367640.1A 2020-04-30 2020-04-30 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法 Active CN111545919B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010367640.1A CN111545919B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010367640.1A CN111545919B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111545919A CN111545919A (zh) 2020-08-18
CN111545919B true CN111545919B (zh) 2021-07-16

Family

ID=72000258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010367640.1A Active CN111545919B (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111545919B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114277218A (zh) * 2021-12-24 2022-04-05 浙江工业大学 一种轮毂轴承密封面激光强化方法及装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101705341A (zh) * 2009-10-30 2010-05-12 江苏大学 一种基于激光束阵的冲击强化方法和装置
CN104551387A (zh) * 2014-12-23 2015-04-29 中国科学院力学研究所 多束光合成聚焦装置
DE102014208435A1 (de) * 2014-05-06 2015-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung und Verfahren zum schichtweisen Erstellen einer Auftragschicht
CN110205478A (zh) * 2019-07-11 2019-09-06 西安天瑞达光电技术股份有限公司 一种扫描式激光冲击强化装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101705341A (zh) * 2009-10-30 2010-05-12 江苏大学 一种基于激光束阵的冲击强化方法和装置
DE102014208435A1 (de) * 2014-05-06 2015-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung und Verfahren zum schichtweisen Erstellen einer Auftragschicht
CN104551387A (zh) * 2014-12-23 2015-04-29 中国科学院力学研究所 多束光合成聚焦装置
CN110205478A (zh) * 2019-07-11 2019-09-06 西安天瑞达光电技术股份有限公司 一种扫描式激光冲击强化装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111545919A (zh) 2020-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111229737B (zh) 一种手持式激光清洗动态补偿装置
CN103955061B (zh) 一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置
CN110449733B (zh) 一种激光加工***及可调线宽的激光加工方法
WO2009081711A1 (ja) 取付姿勢測定装置
CN103203552B (zh) 一种大幅面微孔高速钻孔***
EP0813696B1 (en) Laser scanning system with reflective optics
CN210119568U (zh) 激光雷达扫描装置及具有该装置的车辆
CN113075642B (zh) 激光雷达和用于激光雷达的探测方法
US6857426B2 (en) Absorber element for solar high-temperature heat generation, and a method for its production
CN111545919B (zh) 一种多光束耦合光斑的激光冲击强化装置及方法
CN109343029A (zh) 一种激光雷达光学***及扫描方法
US20230028159A1 (en) Lidar, and detection method and manufacturing method for lidar
CN111571019A (zh) 一种针对曲面零件的激光冲击加工的装置及方法
CN114012248B (zh) 一种激光切割头的光路***
CN100578147C (zh) 水平仪
CN216938931U (zh) 一种基于振镜与道威棱镜组合的旋切***
CN115951329A (zh) 一种mems激光雷达光准直环扫装置及方法
CN110539068A (zh) 一种定向区域快速扫描式激光冲击强化方法及***
CN212364575U (zh) 一种摆镜和转镜相结合的大范围扫描激光雷达
JP3306040B2 (ja) 原子炉内構造物の保全・補修装置
CN110614431A (zh) 一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法
CN213633808U (zh) 一种可编程激光扫描轨迹的装置
CN219041023U (zh) 一种多激光管合成激光器光路
CN211579178U (zh) 双波长动态聚焦的振镜扫描激光定向能发射装置
CN215846345U (zh) 一种手持式激光焊接装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant