專利名稱：一種激光整形方法及整形后激光硬化處理設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光整形方法、激光硬化處理設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
金屬材料的激光表面硬化多由激光束經(jīng)聚焦形成的高斯圓光斑或者離焦后的光 斑直接作用于材料表面，通過數(shù)控機(jī)床控制工件與激光束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡及光間的啟閉對(duì) 材料表面或其要求部位進(jìn)行表面硬化。近年來，在激光表面硬化過程中為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)均勻 的激光作用區(qū)，激光束往往被變換為均勻分布的矩形光斑或者線形光斑。要得到均勻分布 的矩形光斑或者線形光斑需要利用光柵對(duì)激光束整形，通過光柵整形后的激光束不同衍射 級(jí)的激光強(qiáng)度均相同，在這些硬化工藝中，為了獲得一個(gè)均勻的激光熱作用，將激光束的不 均勻分布變換為均勻分布，但是理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，均勻的激光照射不一定能得到均勻 的熱作用，更不能得到均勻的激光表面硬化區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)，由均勻強(qiáng)度分布的光斑作用 下產(chǎn)生的硬化層為月牙形分布。解決這一問題的根本方法是根據(jù)激光與材料相互作用原理，在每個(gè)光斑尺度內(nèi)控 制激光與材料的相互作用區(qū)域，對(duì)激光束空間強(qiáng)度分布進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而有效地在每個(gè)光斑 尺度內(nèi)控制激光與材料發(fā)生相互作用的區(qū)域，賦予材料表面特殊的組織結(jié)構(gòu)和性能。本發(fā) 明提出了一種激光表面硬化方法，這種方法的關(guān)鍵是利用二值位相光柵將激光束整形為具 有山谷形非均勻能級(jí)強(qiáng)度分布的點(diǎn)陣，然后用變換后的光斑進(jìn)行激光表面硬化，這種激光 表面硬化的優(yōu)點(diǎn)是提高材料的硬度的同時(shí)，大大改善了材料的硬化層均勻度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠?qū)⒓す馐螢?各衍射級(jí)之間為非均勻強(qiáng)度分布的激光整形方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠?qū)⒓す馐螢楦餮苌浼?jí)之間為非均勻強(qiáng) 度分布的設(shè)備。本發(fā)明的第三目的在于提供一種采用各衍射級(jí)為非均勻強(qiáng)度分布的激光束進(jìn)行 金屬表面硬化處理的方法。本發(fā)明的激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級(jí)數(shù)和各衍射級(jí)之間需要的強(qiáng) 度比，通過標(biāo)量衍射理論計(jì)算出二值位相光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學(xué) 轉(zhuǎn)換元件的位相分布制作光學(xué)轉(zhuǎn)換元件；幻激光束照射步驟幻中的光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，即可將 激光束光斑整形為各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。進(jìn)一步，所述激光束光源為Nd: YAG激光器，波長(zhǎng)為1064nm。進(jìn)一步，所述激光整形方法中，衍射級(jí)的個(gè)數(shù)為三個(gè)，三個(gè)衍射級(jí)之間的強(qiáng)度比為進(jìn)一步，所述激光束通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換得到的光斑為山谷型強(qiáng)度分布點(diǎn) 陣光斑。
進(jìn)一步，步驟幻中制作光學(xué)轉(zhuǎn)換元件之前，通過優(yōu)化算法對(duì)所述光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的 位相分布進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)一步，步驟幻中光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的制作步驟為1)根據(jù)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分 布，利用電子束圖形發(fā)生器制作掩模板；2)通過接觸式光刻法，將掩模板圖案轉(zhuǎn)移到涂有 光刻膠的光學(xué)玻璃上；幻利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù)，將圖案刻蝕到 光學(xué)玻璃上得到光學(xué)轉(zhuǎn)換元件。本發(fā)明的激光硬化處理設(shè)備，包括激光器、擴(kuò)束鏡、光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，光 學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間，激光器照射擴(kuò)束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學(xué)轉(zhuǎn) 換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理的方法，具體為在上述激光硬化處理設(shè)備的聚焦透鏡的 焦平面處設(shè)置待處理材料，通過激光器照射擴(kuò)束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透 鏡，各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑照射所述待處理材料。進(jìn)一步，所述待處理材料為金屬材料。進(jìn)一步，所述金屬材料為鐵、銅或者合金材料。本發(fā)明根據(jù)激光與材料相互作用原理，在每個(gè)光斑尺度內(nèi)控制激光與材料的相互 作用區(qū)域，對(duì)激光束空間強(qiáng)度分布進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而有效地在每個(gè)光斑尺度內(nèi)控制激光與材 料發(fā)生相互作用的區(qū)域，賦予材料表面特殊的組織結(jié)構(gòu)和性能。通過特殊的二值位相光學(xué) 轉(zhuǎn)換元件，得到各衍射級(jí)非均勻強(qiáng)度點(diǎn)陣分布的光斑，采用此種光斑對(duì)材料表面進(jìn)行激光 硬化，使材料硬度增加的同時(shí)，大大提高了硬化層的均勻度。


圖1為本發(fā)明中二值位相光柵的一個(gè)周期位相分布示意圖；圖加為強(qiáng)度比為1 2 3 二值位相光柵的單個(gè)周期位相分布圖；圖2b為強(qiáng)度比為1:2:3 二值位相光柵的強(qiáng)度分布圖；圖3為二值位相光柵的表面輪廓；圖4為光束變換后光斑強(qiáng)度分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；圖fe為二值位相光柵對(duì)光束變換后的兩維強(qiáng)度分布圖；圖恥為二值位相光柵對(duì)光束變換后的三維強(qiáng)度分布圖；圖6a為5x5等強(qiáng)度分布點(diǎn)陣硬化后的材料表面形貌；圖6b為1 2 3山谷型強(qiáng)度分布點(diǎn)陣硬化后的材料表面形貌；圖7a為光斑為5x5等強(qiáng)度分布點(diǎn)陣硬化后的材料硬化層層深圖；圖7b為光斑為1:2:3山谷型強(qiáng)度分布點(diǎn)陣硬化后的材料硬化層層深圖；圖8為5x5等強(qiáng)度分布點(diǎn)陣光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲線；圖9為1 2 3山谷型強(qiáng)度分布點(diǎn)陣光斑硬化后材料沿深度方向硬度分布曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級(jí)數(shù)和各衍射級(jí)之間需要的強(qiáng) 度比，通過標(biāo)量衍射理論計(jì)算出二值位相光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學(xué) 轉(zhuǎn)換元件的位相分布制作光學(xué)轉(zhuǎn)換元件；幻激光束照射步驟幻中的光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，即可將激光束光斑整形為各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理設(shè)備，包括激光器、擴(kuò)束鏡、光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，光 學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間，激光器照射擴(kuò)束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學(xué)轉(zhuǎn) 換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。本發(fā)明的激光硬化處理的方法，具體為在上述激光硬化處理設(shè)備的聚焦透鏡的 焦平面處設(shè)置待處理材料，通過激光器照射擴(kuò)束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透 鏡，各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑照射所述待處理材料。其中，激光器的選擇和衍射級(jí)數(shù)以及衍射級(jí)之間的強(qiáng)度比可以根據(jù)實(shí)際加工的材 料的種類以及被加工元件的結(jié)構(gòu)來選擇。二值位相光學(xué)轉(zhuǎn)換元件為二值位相光柵。激光硬 化處理設(shè)備中聚焦透鏡根據(jù)應(yīng)用的需求可以通過調(diào)整聚焦透鏡的焦距以及二值位相光柵 的單個(gè)周期位相的大小來改變光束變換后的點(diǎn)陣間距，比如，光波長(zhǎng)為λ = 1.064μπι，元 件直徑為50mm，單個(gè)位相周期為d = 250微米，透鏡焦距為f = 150mm的情況下，點(diǎn)陣中微 光斑的間距為Δ = λ f/d ^ 0. 6mm.因此可以根據(jù)不同情況選用焦距不同的透鏡，從而得 到特定的光斑分布。圖1是二值位相光柵的一個(gè)周期位相分布示意圖，圖中白色單元代表位相延遲為 Φ i，黑色單元代表位相延遲為Φ2，一個(gè)周期的位相分布是由多個(gè)網(wǎng)格化的單元組成，由圖 可見，本發(fā)明中所使用二值位相光柵是一種在透明介質(zhì)上形成的具有兩維均勻矩形孔徑位 相分布的位相版，位相為兩值。本發(fā)明根據(jù)激光表面硬化的應(yīng)用需求，確定了所設(shè)計(jì)二值位相光柵的強(qiáng)度比為 I(O) ι ω 1(2) = ι 2 3，根據(jù)標(biāo)量衍射理論，如果假設(shè)入射光為平頂光束則對(duì)于給定
位相版，其遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)強(qiáng)度分布為 Z0 ο = /(0,0) = (^;)2|[exp(7^) -+ exp(7^)|2
N
=(吾)2|exp(從)-exp( 2 sinc2(》)sinc2(^·)
d'
I-,
=(^r)2|exp(_/02)-expCM)|2 sinc2(^)sinc2(^)
Jexpj-^
m, 1、 η . 1、 —(χ, +-) + —(ν, +-) d 1 2 d 2
m
1、 η , 1、
玄力+玉) 其中λ是激光波長(zhǎng)，f是透鏡焦距，m和η為衍射級(jí)次。均勻采樣編碼一個(gè)周期 的位相分布是由多個(gè)網(wǎng)格化的單元組成，白色單元代表位相延遲為，黑色單元代表位相 延遲為Φ2(圖1)，L是組成單個(gè)周期位相的單元個(gè)數(shù)，相對(duì)于原點(diǎn)的第1個(gè)單元的坐標(biāo)是 (X1, Y1).對(duì)于該二值位相光柵，其評(píng)價(jià)函數(shù)定義為
權(quán)利要求
1.一種激光整形方法，具體步驟為1)根據(jù)衍射級(jí)數(shù)和各衍射級(jí)之間需要的強(qiáng)度比， 通過標(biāo)量衍射理論計(jì)算出二值位相光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分布；幻根據(jù)二值位相光學(xué)轉(zhuǎn)換 元件的位相分布制作光學(xué)轉(zhuǎn)換元件；；3)激光束照射步驟幻中的光學(xué)轉(zhuǎn)換元件，即可將激光 束光斑整形為各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。
2.如權(quán)利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束光源為Nd:YAG激光器， 波長(zhǎng)為1064nm。
3.如權(quán)利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光整形方法中，衍射級(jí)的個(gè) 數(shù)為三個(gè)，三個(gè)衍射級(jí)之間的強(qiáng)度比為1 2 3。
4.如權(quán)利要求3所述的激光整形方法，其特征在于，所述激光束通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)換元 件轉(zhuǎn)換得到的光斑為山谷型強(qiáng)度分布點(diǎn)陣光斑。
5.如權(quán)利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步驟2)中制作光學(xué)轉(zhuǎn)換元件之前， 通過優(yōu)化算法對(duì)所述光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分布進(jìn)行優(yōu)化。
6.如權(quán)利要求1所述的激光整形方法，其特征在于，步驟2)中光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的制作步 驟為1)根據(jù)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件的位相分布，利用電子束圖形發(fā)生器制作掩模板；2)通過接觸 式光刻法，將掩模板圖案轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠的光學(xué)玻璃上；幻利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技 術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù)，將圖案刻蝕到光學(xué)玻璃上得到光學(xué)轉(zhuǎn)換元件。
7.一種激光硬化處理設(shè)備，其特征在于，包括激光器、擴(kuò)束鏡、如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng) 所述的光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，該光學(xué)轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡之間，激光器 照射擴(kuò)束鏡產(chǎn)生平行光束經(jīng)所述光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡在聚焦透鏡焦平面上得到各衍 射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑。
8.一種采用如權(quán)利要求7所述的激光硬化處理設(shè)備進(jìn)行激光硬化處理的方法，具體 為激光硬化處理設(shè)備的聚焦透鏡的焦平面處設(shè)置待處理材料，通過激光器照射擴(kuò)束鏡產(chǎn) 生平行光束經(jīng)光學(xué)轉(zhuǎn)換元件和聚焦透鏡，各衍射級(jí)間強(qiáng)度分布不均勻的光斑照射所述待處 理材料。
9.如權(quán)利要求8所述的激光整形方法，其特征在于，所述待處理材料為金屬材料。
10.如權(quán)利要求9所述的激光整形方法，其特征在于，所述金屬材料為鐵、銅或者合金 材料。
全文摘要
本發(fā)明的激光整形方法及整形后激光硬化處理設(shè)備及方法，通過設(shè)置特殊形式的光柵對(duì)激光進(jìn)行整形進(jìn)而通過整形后的激光，對(duì)待處理材料進(jìn)行硬化處理。經(jīng)光柵整形后的激光各衍射級(jí)之間的強(qiáng)度不同，用此種光斑進(jìn)行激光表面硬化，這種激光表面硬化的優(yōu)點(diǎn)是提高材料的硬度的同時(shí)，大大改善了材料的硬化層均勻度。
文檔編號(hào)C21D1/09GK102141682SQ201010103800
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉健, 李少霞, 虞鋼, 鄭彩云 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所