确定用于激光冲击的激光功率密度的系统及方法与流程

本发明涉及金属材料表面强化处理技术领域，特别是涉及一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统及方法。

背景技术：

激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性，与传统表面强化技术一致，激光冲击处理也是通过对材料表面强烈塑性变形的方式来实现强化效果。

在激光冲击处理过程中，待加工材料表面需涂覆吸收层以避免材料受到较大程度的温度影响，在保证吸收层不会被烧穿的条件下采用最大的激光功率密度对待加工材料进行处理，这样便可使材料表面承受最大的激光诱导冲击波，进而提高激光冲击处理的作用强度。那么，如何确定出激光冲击处理中适用的激光功率密度，以能够达到较好的强化处理效果是关键问题。

现有技术中，确定激光冲击处理工艺需要的激光功率密度的方法是：根据尽可能使待加工材料获得最大残余应力场强度或者使待加工材料发生最大表面塑性变形程度的要求，设定多组对应不同激光功率密度的工艺参数，对相同的待加工材料进行处理，而后对比分析各组处理后的表面强化效果，进而确定出合适的工艺参数。但是这种方法耗时耗力，不具备经济性。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的是提供一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统及方法，与现有技术相比本方法效率更高，更具有经济性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统，包括：

激光装置，用于以预先确定的功率密度为输出激光的功率密度初始值，逐次对加工件的不同区域进行激光冲击处理，预先确定的功率密度为根据加工件的力学性质以及对加工件的表面强化要求确定出的在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度；

探测装置，用于在所述激光装置每次对加工件处理完之后，检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象；

控制装置，用于若加工件上处理区域的吸收层出现烧穿现象，则在下一次处理时控制减小所述激光装置输出激光的功率密度，若加工件上处理区域的吸收层未出现烧穿现象，则在下一次处理时不改变所述激光装置输出激光的功率密度，若连续预设数量次处理都未出现吸收层烧穿现象，则将该连续预设数量次处理时输出激光的功率密度确定为对加工件进行激光冲击所使用激光的功率密度。

优选的，确定所述激光装置输出激光的功率密度初始值包括：根据对所述加工件的表面强化要求，对应确定出的功率密度初始值确定所述激光装置输出激光的激光能量和激光脉宽；

所述控制装置控制调整所述激光装置输出激光的功率密度包括调整所述激光装置输出激光的能量或者调整所述激光装置输出激光的脉宽。

优选的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面所产生的残余应力层的深度一致，则所述控制装置通过调整所述激光装置输出激光的能量而调整所述激光装置输出激光的功率密度。

优选的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面具有最大的表面硬度，则所述控制装置通过调整所述激光装置输出激光的脉宽而调整所述激光装置输出激光的功率密度。

优选的，所述激光装置的位置不变，加工件沿预设方向线性移动，所述激光装置输出激光而逐次对加工件的不同区域进行激光冲击处理。

优选的，还包括用于固定加工件以及带动加工件移动的机械运动手臂。

一种确定用于激光冲击的激光功率密度的方法，包括以下步骤：

s20：以预先确定的功率密度为输出激光的功率密度，对加工件进行激光冲击处理，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象，预先确定的功率密度为根据加工件的力学性质以及对加工件的表面强化要求确定出的在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度；若是，则进行步骤s21，若否，则进行步骤s23；

s21：对加工件的下一区域进行激光冲击处理，该次处理时输出激光的功率密度小于上一次处理时输出激光的功率密度，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象，若是，则进行步骤s21，若否，则进行步骤s22；

s22：判断是否连续预设数量次对加工件处理后都未出现吸收层烧穿现象，若否，则进行步骤s23，若是，则进行步骤s24；

s23：对加工件的下一区域进行激光冲击处理。该次处理时输出激光的功率密度与上一次处理时输出激光的功率密度相同，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象，若是，则进行步骤s21，若否，则进行步骤s22；

s24：将该连续预设数量次处理时输出激光的功率密度确定为对加工件进行激光冲击所使用激光的功率密度。

优选的，预先确定输出激光的功率密度包括：根据对所述加工件的表面强化要求，对应预先确定出的功率密度初始值确定输出激光的激光能量和激光脉宽；

调整输出激光的功率密度包括调整输出激光的能量或者调整输出激光的脉宽。

优选的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面所产生的残余应力层的深度一致，则通过调整输出激光的能量而调整输出激光的功率密度。

优选的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面具有最大的表面硬度，则通过调整输出激光的脉宽而调整输出激光的功率密度。

由上述技术方案可知，本发明所提供的确定用于激光冲击的激光功率密度的系统包括激光装置、探测装置和控制装置，激光装置用于以预先确定的功率密度为输出激光的功率密度初始值，逐次对加工件的不同区域进行激光冲击处理，探测装置用于在激光装置每次对加工件处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象，控制装置用于若加工件上处理区域的吸收层出现烧穿现象，则在下一次处理时控制减小激光装置输出激光的功率密度，若加工件上处理区域的吸收层未出现烧穿现象，则在下一次处理时不改变激光装置输出激光的功率密度，若连续预设数量次处理都未出现吸收层烧穿现象，则将该连续预设数量次处理时输出激光的功率密度确定为对加工件进行激光冲击所使用激光的功率密度。本发明公开的确定用于激光冲击的激光功率密度的系统，能够确定出对加工件进行激光冲击所需要激光的功率密度，与现有技术相比效率高，且更具有经济性。

本发明公开的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的方法，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统工作示意图；

图3为本发明实施例提供的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的系统示意图，由图可看出，本实施例系统包括：

激光装置10，用于以预先确定的功率密度为输出激光的功率密度初始值，逐次对加工件的不同区域进行激光冲击处理，预先确定的功率密度为根据加工件的力学性质以及对加工件的表面强化要求确定出的在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度；

探测装置11，用于在所述激光装置每次对加工件处理完之后，检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象；

控制装置12，用于若加工件上处理区域的吸收层出现烧穿现象，则在下一次处理时控制减小所述激光装置输出激光的功率密度，若加工件上处理区域的吸收层未出现烧穿现象，则在下一次处理时不改变所述激光装置输出激光的功率密度，若连续预设数量次处理都未出现吸收层烧穿现象，则将该连续预设数量次处理时输出激光的功率密度确定为对加工件进行激光冲击所使用激光的功率密度。

激光冲击处理工艺中所使用激光的功率密度决定了对加工件进行激光冲击处理时加工件材料表面受到的作用力大小，它是激光冲击处理的重要工艺参数，选择合适的激光功率密度主要根据对加工件的表面强化效果的要求，并考虑加工件的形状结构特征以及加工件材料的力学性质而确定。

由于只有当激光诱导冲击波可以导致加工件材料表面发生塑性变形时对加工件的表面强化效果才会出现，因此在设定所使用激光的功率密度时，可以基于加工件材料的力学性质，选择的激光功率密度首先必须能够使加工件的表面发生塑性变形。其次，要考虑对加工件表面强化效果的要求，对加工件的表面强化要求主要考虑在加工件表面造成的残余应力场和加工件表面的机械性能。

在具体实施时，可以根据加工件的力学性质和对加工件的表面强化要求，通过理论计算得出对加工件进行激光冲击处理所需要的激光功率密度的范围i0,min-i0,max，或者由技术人员根据激光冲击处理工艺的实际经验而确定出。其中，i0,max为根据加工件的力学性质以及对加工件的表面强化要求确定出的在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度。本方法中以确定出的i0,max作为输出激光的功率密度初始值而进行处理。

激光的功率密度由激光能量和激光脉宽决定。在实际应用中，可以首先结合加工件的结构形状、对加工件表面强化效果的要求以及激光冲击处理设备的条件确定所使用激光的光斑形状和尺寸，而后确定所需要激光的功率密度，包括具体确定出激光能量和激光脉宽,根据公式i＝e/(τ·s)，式中i表示激光功率密度，e表示激光能量，τ表示激光脉宽，s表示单个激光光斑在加工件表面的作用面积。

相应的，所述控制装置12控制调整所述激光装置10输出激光的功率密度的方式包括调整所述激光装置10输出激光的能量或者调整所述激光装置10输出激光的脉宽，即可以通过调整激光装置10输出激光的能量或者输出激光的脉宽来调整激光装置10输出激光的功率密度。

示例性的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面所产生的残余应力层的深度一致，则控制装置12通过调整所述激光装置10输出激光的能量而调整激光装置输出激光的功率密度。若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面具有最大的表面硬度，则所述控制装置12通过调整激光装置10输出激光的脉宽而调整所述激光装置输出激光的功率密度。

优选的，请参考图2，本实施例系统可设置激光装置10的位置不变，加工件沿预设方向线性移动，激光装置10产生激光而逐次对加工件的不同区域进行激光冲击处理。激光装置10和探测装置11设置在加工件同一侧，探测装置11位于激光装置10朝向预设方向一侧。这样，在激光装置每次对加工件冲击处理完成之后，加工件向预设方向移动而使刚形成的处理区域朝向探测装置11，由探测装置获取加工件上处理区域的吸收层状态信息。

在具体实施时，本系统还可包括用于固定加工件以及带动加工件移动的机械运动手臂。在进行处理前通过机械运动手臂固定加工件，而后驱动加工件移动，使激光装置逐次对加工件不同区域进行激光冲击处理。

由上述内容可以看出，本实施例确定用于激光冲击的激光功率密度的系统，能够高效地确定出对加工件进行激光冲击所需要激光的功率密度，与现有技术相比效率高，且更具有经济性。

请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种确定用于激光冲击的激光功率密度的方法流程图，由图可看出，本实施例确定用于激光冲击的激光功率密度的方法包括以下步骤：

s20：以预先确定的功率密度为输出激光的功率密度，对加工件进行激光冲击处理，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象。

激光冲击处理工艺中所使用激光的功率密度决定了对加工件进行激光冲击处理时加工件材料表面受到的作用力大小，它是激光冲击处理的重要工艺参数，选择合适的激光功率密度主要根据对加工件的表面强化效果的要求，并考虑加工件的形状结构特征以及加工件材料的力学性质而确定。

由于只有当激光诱导冲击波可以导致加工件材料表面发生塑性变形时对加工件的表面强化效果才会出现，因此在设定所使用激光的功率密度时，可以基于加工件材料的力学性质，选择的激光功率密度首先必须能够使加工件的表面发生塑性变形。其次，要考虑对加工件表面强化效果的要求，对加工件的表面强化要求主要考虑在加工件表面造成的残余应力场和加工件表面的机械性能。

在具体实施时，可以根据加工件的力学性质和对加工件的表面强化要求，通过理论计算得出对加工件进行激光冲击处理所需要的激光功率密度的范围i0,min-i0,max，或者由技术人员根据激光冲击处理工艺的实际经验而确定出。其中，i0,max为根据加工件的力学性质以及对加工件的表面强化要求确定出的在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度。本方法中以确定出的i0,max作为输出激光的功率密度初始值而进行处理。

激光的功率密度由激光能量和激光脉宽决定。在实际应用中，可以首先结合加工件的结构形状、对加工件表面强化效果的要求以及激光冲击处理设备的条件确定所使用激光的光斑形状和尺寸，而后确定所需要激光的功率密度，包括具体确定出激光能量和激光脉宽,根据公式i＝e/(τ·s)，式中i表示激光功率密度，e表示激光能量，τ表示激光脉宽，s表示单个激光光斑在加工件表面的作用面积。

确定好初始的激光功率密度后，在对加工件进行处理之前需要先在加工件的待处理表面上涂覆吸收层，吸收层用于吸收光能量。具有一定厚度，优选为黑色材料层。

以确定出的功率密度为输出激光的功率密度，对加工件进行一次激光冲击处理，在处理完之后检测加工件上该次处理后的处理区域上吸收层是否出现烧穿现象。

若是，则进行步骤s21；若否，则进行步骤s23。

s21：对加工件的下一区域进行激光冲击处理，该次处理时输出激光的功率密度小于上一次处理时输出激光的功率密度，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象。若是，则进行步骤s21；若否，则进行步骤s22。

本步骤中对加工件的下一区域进行激光冲击处理时，与上一次处理相比减小了输出激光功率密度。

s22：判断是否连续预设数量次对加工件处理后都未出现吸收层烧穿现象。若否，则进行步骤s23；若是，则进行步骤s24。

在具体实施时，优选的所述预设数量次大于等于两次，预设数量次可以是两次或者三次，或者是其它次数，都在本发明保护范围内。

s23：对加工件的下一区域进行激光冲击处理。该次处理时输出激光的功率密度与上一次处理时输出激光的功率密度相同，并在处理完之后检测加工件上处理区域的吸收层是否出现烧穿现象。若是，则进行步骤s21；若否，则进行步骤s22。

本步骤中对加工件的下一区域进行激光冲击处理时，与上一次处理相比不改变输出激光的功率密度。

s24：将该连续预设数量次处理时输出激光的功率密度确定为对加工件进行激光冲击所使用激光的功率密度。

本实施例用于确定激光冲击的激光功率密度的方法，能够高效地确定出对加工件进行激光冲击处理所需要激光的功率密度，与现有技术相比效率高，且更具有经济性。

进一步具体的，本实施例方法中调整输出激光的功率密度包括调整输出激光的能量或者调整输出激光的脉宽。即可以通过调整激光装置输出激光的能量或者输出激光的脉宽来调整激光装置输出激光的功率密度。示例性的，若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面所产生的残余应力层的深度一致，则通过调整输出激光的能量而调整输出激光的功率密度。若对加工件的表面强化要求包括要求加工件表面具有最大的表面硬度，则通过调整输出激光的脉宽而调整输出激光的功率密度。

下面以两个具体实例对本发明方法进行解释说明。

实施例1

本实施例的加工金属零件为tc4钛合金方形试块，其尺寸不小于5cm×5cm×1cm。本实施例对加工金属零件的强化要求为通过激光冲击处理在材料表面(5cm×5cm)诱发较高的表面塑性变形程度，并保持材料表面不受吸收层的烧蚀作用影响，并具体要求在材料表面具有大致形同的残余应力层深度。考虑所使用激光冲击处理设备的条件和对加工试块表面处理的技术要求，设定激光光斑为圆形，光斑尺寸为直径3.2mm。根据实际的激光冲击处理经验，钛合金材料适用的激光功率密度在4gw/cm²-6gw/cm²之间，取其中最大值6gw/cm²为初始激光功率密度，选取初始激光功率密度要求在加工件上吸收层不出现烧穿现象的前提下使加工件受到最大冲击强度的功率密度。

根据要求在材料表面具有大致形同的残余应力层深度的强化效果要求，结合设备条件将激光冲击处理的激光脉宽设定为18ns，为保持初始的激光功率密度为6gw/cm²，设定初始激光能量应为8.5j。对加工试块进行处理过程中，根据吸收层表面状态，通过改变激光能量的方式调整激光功率密度，当需要降低激光功率密度时通过减小激光能量的方式来实现。当连续至少两次采用相同的激光参数对加工试块表面进行处理，而试块表面均未出现吸收层烧穿现象时，取激光冲击处理所采用的激光能量和激光脉宽为最终的优选参数。若没有连续至少两次采用相同的激光参数对加工试块表面进行处理而试块表面均未出现吸收层烧穿现象，而该次处理后的处理区域出现吸收层烧穿现象时，便减小对下一区域进行激光冲击处理所采用的激光能量。

实施例2

本实施例的加工金属零件同样为tc4钛合金方形试块，其尺寸不小于5cm×5cm×1cm。本实施例对加工金属零件的强化要求为通过激光冲击处理在材料表面(5cm×5cm)诱发较高的表面塑性变形程度，并保持材料表面不受吸收层的烧蚀作用影响，并具体要求材料表面具有最大的表面硬度，而对残余应力层深度在不同处理区域的变化无特定要求。考虑所使用激光冲击处理设备的条件和对加工试块表面处理的技术要求，设定激光光斑为圆形，光斑尺寸为直径3.2mm。根据实际的激光冲击处理经验，设定激光能量为8.5j，初始激光脉宽为18ns。

对加工试块进行处理过程中，根据吸收层表面状态，通过改变激光脉宽的方式调整激光功率密度，当需要降低激光功率密度时通过增大激光脉宽的方式来实现。当连续两次采用相同激光参数对加工试块表面进行处理，而试块表面均未出现吸收层的烧穿现象时，取激光冲击处理所采用的激光脉宽和激光能量为最终的优选参数。

以上对本发明所提供的确定用于激光冲击的激光功率密度的系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。