[发明专利]一种基于激光能量补偿的斜激光冲击强化工件的方法

说明书

本发明公开了一种基于激光能量补偿的斜激光冲击强化工件的方法，属于激光冲击强化加工技术领域。该方法是利用激光以一定角度倾斜冲击工件进行强化，通过分析角度变化导致激光偏振状态、辐照面积和约束层厚度变化程度，建立斜激光冲击强化的数学模型，计算不同角度的斜冲击激光能量损失值并进行激光能量补偿，使不同角度强化的效果趋于一致，工件表面状态的均匀性好。

技术领域

本发明涉及激光冲击强化加工技术领域，具体涉及一种基于激光能量补偿的斜激光冲击强化工件的方法。

背景技术

激光冲击强化是一种优异的材料表面改性处理技术，由于其强化效果好，强化限制少，无热影响区和可控性强等优点已经被广泛的应用于航空航天、汽车、核电材料的表面强化。其原理为激光器输出高能脉冲激光辐照到金属工件表面的牺牲层上，牺牲层快速吸收激光能量而形成高压、高温的等离子体，等离子体继续吸收激光能量膨胀从而形成冲击波，由于受到最外层透明约束层的限制，冲击波向工件内部传播并带动质点运动，在非常短的时间内使材料发生塑性变形，在工件表面和内部形成残余压应力场，同时伴随孪晶、位错、晶粒细化等微观组织形态的改变，使得工件表层的力学性能得到一定程度的改善，从而提高耐磨性、硬度和疲劳寿命等相关性能。

但是对于某些复杂结构件如飞机结构件、发动机榫头榫槽结构和炮筒内壁等工件，由于工件其他部位的遮挡，在强化过程中激光难以垂直入射待强化区域，必须采用以一定角度斜冲击的方式进行强化。目前，若对复杂工件采用斜冲击强化的方法由于角度不同，激光辐照到工件的能量密度和激光冲击强化时的约束层厚度就会不同，导致强化效果不均匀，影响强化质量。因此，需要一种分析和补偿不同角度激光能量变化的方法。

发明内容

针对以不同角度激光冲击强化工件时强化效果不均匀问题，本发明提供一种基于激光能量补偿的斜激光冲击强化工件的方法，该方法是利用激光以一定角度倾斜冲击工件进行强化，通过分析角度变化导致激光偏振状态、辐照面积和约束层厚度变化程度，建立斜激光冲击强化的数学模型，计算不同角度的斜冲击激光能量损失值并进行激光能量补偿。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于激光能量补偿的斜激光冲击强化工件的方法，包括以下步骤：

(1)将工件涂覆牺牲层，在激光冲击强化设备上安装待强化的工件；

(2)利用离线编程系统生成激光冲击强化的运动控制指令，再经过软件仿真与调整轨迹生成机器人程序传输给机器人；

(3)根据机器人运动轨迹分析每个强化点的激光冲击角度θ₁和偏振态角度α；所述激光冲击角度θ₁是指每个强化点的法线与激光的夹角，所述偏振态角度α是指每个强化点法线的旋转平面与激光所在振动平面的夹角；开启机器人和约束层系统，采用白光共焦位移传感器测量每个冲击点的约束层厚度l；

(4)根据冲击角度θ₁、偏振态角度α、约束层厚度l计算每个冲击点能量损失情况(E-E₄)，过程如下：

原始激光能量为E，经过约束层表面后透射一分部能量，反射一分部能量(第一部分损失)，激光穿过约束层过程中会损失一部分能量(第二部分损失)；根据偏振态角度α将入射激光分为两个部分：与激光振动面平行的分量Ecosα，与激光振动面正交的分量Esinα；

先求出折射角θ₂，E₁为与振动面平行的分量Ecosα折射后的能量，E₂为与振动面正交的分量Esinα折射后的能量，E₃为折射后的总能量；E₄为穿过约束层后的能量，L₀为加工激光在该约束层的吸收长度；