專利名稱：激光沖擊成形強化系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及強激光應用技術，特指將重復頻率千兆瓦激光器、5軸工作臺、工業控制計算機控制系統構成的激光沖擊成形強化系統，實現了激光沖擊波參數與工件運動軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監控。
背景技術：
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，發生氣化、電離、膨脹，誘發高幅值沖擊波，即光能轉變為沖擊波機械能；高達數GPa的沖擊波壓力使材料表層發生微觀塑性變形，形成殘余壓應力層，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相互作用，產生強沖擊波或應力波，并利用沖擊波或應力波來開發各種用途的技術。激光沖擊成形(Laser Shock Forming，LSF)是利用強激光誘導高幅沖擊波的力學效應使板料產生塑性變形的一種新技術。從激光器發出的高功率密度(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屈服強度，從而使板料產生宏觀塑性變形。通過選擇激光脈沖能量和脈沖寬度，可控制板料變形量；通過數控系統控制激光沖擊軌跡、疊加方式和作用區域的脈沖次數，可實現板料的局部或大面積成形。如采用預先制作好的凹凸模，可實現薄金屬板料的激光沖擊仿形。
根據我們的相關文獻與專利的查閱，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。國內中國科學技術大學吳鴻興等人有“釹玻璃激光沖擊處理機”的發明專利，申請號00112122.7，該專利只涉及高功率釹玻璃激光發射裝置。
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的公開報道。
發明內容
本發明的目的在于，將激光沖擊強化與激光沖擊成形兩種激光沖擊處理技術集于一個系統，降低激光沖擊制造設備的生產與維護的成本，提高加工精度和工作效率，加速激光沖擊制造業的市場化。
本發明的目的由以下方式實現本發明通過現場總線將重復率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業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。其中重復率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學系統、激光器電源與控制系統等。激光器光學系統包括依次相連的多模疊加的電光調Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器、預放大器，以及與預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，其用途是抑制系統放大自發輻射能量(ASE)。振蕩器和放大器均采用全腔循環水冷，保證重復頻率工作下釹玻璃棒、泵浦氙燈和聚光腔的散熱。電光調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Q晶體、1.054μm波長激光偏振器、釹玻璃棒狀激光工作物質、激光振蕩器輸出耦合鏡。重復率千兆瓦釹玻璃激光器的電源與控制系統，包括各級充電電壓控制、各級氙燈觸發及調Q觸發延遲電路控制、光閘開關控制、重復工作頻率選擇等，均預設計算機控制接口。
要實現復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多軸復合運動的工作平臺。目前普通機床的五坐標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臺組成的B、C兩個旋轉平臺，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向旋轉臺，C向旋轉臺上安裝Z方向直線滑動平臺，在Z向直線滑動平臺側面安裝B方向支撐平臺，在B方向支撐平臺上安裝B向旋轉工作臺，五軸工作平臺的動力驅動裝置設有X、Y、Z三個方向的伺服電機。上件安裝在B向旋轉工作臺上，根據被加工工件的形狀，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。
為了將重復頻率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業控制計算機等進行系統集成，形成一套完整、有機聯系的激光沖擊成形強化系統，本發明采用開放式分布控制系統，用一臺工業控制計算機作為上位機，通過現場總線將重復率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業控制計算機連接起來，通過激光沖擊處理軟件實現各環節的信息交換。根據系統的工作要求，各環節的控制器負責具體對象的控制，相互間的信息交換通過工業控制計算機進行處理，系統在工業控制計算機的協調和控制下可以進行手動操作，也可以根據激光沖擊處理軟件進行控制，實現相關功能。
本發明的優點在于第一，將激光沖擊強化與激光沖擊成形兩種激光沖擊制造技術集成于一個系統，大幅降低了激光沖擊設備的成本；第二，激光沖擊成形強化系統的建立，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，避免了操作人員直接接觸激光器，提高了操作安全性；第四，開發出激光沖擊成形強化的控制系統(包括軟件與硬件)，實現了激光沖擊參數、軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監控，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集成框圖。
圖2為激光器光學系統排布示意圖1.半導體光路指示激光器；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；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Q晶體。
圖3為五軸工作平臺結構示意圖10.Z向伺服電機；11.Z向直線滑動平臺；12.B向旋轉臺；13.B向支撐平臺；14.C向旋轉臺；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，核心組成是重復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相關參數的設定和控制；自動控制則在面板設定部分(氙燈觸發延遲時間與調Q延遲時間等)固定參數外，通過外部的計算機實現激光沖擊主要工藝參數的控制，主要控制參數是激光脈沖發射頻率、觸發開關及激光脈沖輸出能量。
激光器光學排布如圖2所示，雙燈泵浦Φ8×200的電光調Q釹玻璃振蕩器產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的釹玻璃預放大器，經過預放大后的脈沖能量≈10J。預放大后的激光束經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。
五軸工作平臺設有數控接口，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兩個方向轉動，可以精確控制固定在旋轉工作平臺上的工件的沖擊軌跡，誤差≤±0.1mm。工業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場總線(CAN)連接。
本發明激光沖擊處理程序可實現以下控制功能1.通過0-5V數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，轉動控制精度≥0.1°)，將工件固定在工作平臺上，實現了對激光沖擊軌跡的精確控制與優化；3.通過外觸發同步接口，控制激光器氙燈及電光調Q的觸發頻率與開關；4.使用程序控制激光沖擊處理的輔助功能開關循環水冷機、流水約束層水閥、光閘等；5.系統狀態顯示主要顯示各從機的工作狀態、工作臺各坐標的限位情況、水閥的工作狀態、光閘的工作狀態、循環水冷機工作狀態等。
權利要求
1.激光沖擊成形強化系統，其特征是通過現場總線將重復率千兆瓦釹玻璃激光器、五軸工作臺、工業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；其中重復率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學系統、激光器電源與控制系統。
2.根據權利要求1所述的激光沖擊成形強化系統，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臺組成的B、C兩個旋轉平臺，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向旋轉臺(14)，C向旋轉臺(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向旋轉工作臺(12)，五軸工作平臺的動力驅動裝置設有X、Y、Z三個方向的伺服電機(19、18、10)。
3.根據權利要求1所述的激光沖擊成形強化系統，其特征在于所述的激光器光學系統包括依次相連的電光調Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器(6)、預放大器，以及與預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.根據權利要求3所述的激光沖擊成形強化系統，其特征在于所述的振蕩器和放大器均采用全腔循環水冷。
5.根據權利要求3所述的激光沖擊成形強化系統，其特征在于重復率千兆釹玻璃激光器的激光器電源與控制系統，包括各級充電電壓控制、各級氙燈觸發及調Q觸發延遲電路控制、光閘開關控制、重復工作頻率選擇，均預設計算機控制接口。
6.根據權利要求3所述的激光沖擊成形強化系統，其特征在于電光調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(4)、激光振蕩器輸出耦合鏡(7)。
全文摘要
本發明涉及激光沖擊成形系統，特指將重復頻率千兆瓦激光器、5軸工作臺、工業控制計算機控制系統構成的激光沖擊成形強化系統，其中重復率千兆瓦釹玻璃激光器包括激光器光學系統、激光器電源與控制系統等。激光器光學系統包括依次相連的多模疊加的電光調Q振蕩器，可飽和吸收被動光隔離器、預放大器，以及與預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臺組成的B、C兩個旋轉平臺，本發明將各部件統集成于一個系統，大幅降低了激光沖擊設備的成本，實現了激光沖擊波參數與工件運動軌跡的精確控制和沖擊成形過程的在線監控。
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 優先權日2006年12月29日
發明者張永康, 李國杰, 魯金忠, 殷蘇民, 任旭東 申請人:江蘇大學