一种基于空心光束激光冲击的薄金属板材曲率半径调整方法及装置

摘要

本发明公开一种基于空心光束激光冲击的薄金属板材曲率半径调整方法及装置，该方法通过以空心光束作为能量源，激光冲击调整弯曲薄板材曲率半径的方法,属于激光加工技术领域。该装置包括激光器4输出实心光束5，经过光束整形系统6后，获得空心光束7，空心光束7经过聚焦透镜8，获得环形聚焦光斑9作用于弯曲薄板材10上。弯曲薄板材10通过其弯曲顶点11，固定于工作台平面12上。激光束以垂直于工作台平面12的方向入射到工件上，环形聚焦光斑9的中心与弯曲顶点11重合。作用于弯曲板材两翼的冲击波对弯曲板材施加以弯曲顶点为中心的弯曲力矩，导致激光冲击作用区域曲率半径变大，多次作用可逐渐增大该区域曲率半径，直至校平整个薄板材。该方法和装置适用于弯曲板材或者零件半成品的局部校平或局部弯曲曲率半径调整。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特指一种用空心光束产生环形激光冲击波，调整弯曲薄金属板材曲率半径的方法和装置。

背景技术

薄金属板材是工程应用中常用材料之一，弯曲薄板材的校平或者曲率半径调整也是常见的生产制造工序。目前常用机械式调整方法。如辊式校平，待校平薄板材通过校平辊，实现压平板材。但是辊式校平适合板材大面积整体校平，对于需要局部校平的薄板材或者需要校正局部曲率半径的零件半成品，则非常不适合。众所周知，强激光在材料表面诱导的高压机械冲击波，能够引起工件局部塑性变形，可用于改变弯曲板材局部曲率半径，且柔性好。以往在校平或者调整弯曲薄板材曲率半径的过程中，多数使用实心光束激光冲击。如图1所示，固定薄板材的一端，激光作用于另外一端，诱导冲击波对板材施加单边扭转力矩，改变板材的曲率半径。除此以外，还可采用激光喷丸成形的方法，其基本思路为：激光冲击在薄板材内获得一定的应力场分布，材料内部的应力场分布会导致整个薄板材发生宏观塑性变形，进而改变材料的曲率半径。采用如图1所示的单边激光冲击改变弯曲板材曲率半径的方法，原理简单直观，但是该方法要求工件一端为直线或者平面，便于夹持，且单边冲击，效率相对较低。而激光喷丸成形过程中，影响材料内部应力场的因素繁多，影响机制复杂，就当前理论和技术水平而言，过程可控性差，难以应用于实际。

发明内容

本发明的目的是提出了以空心光束作为激光冲击源，作用于薄板材，改变其弯曲曲率半径的方法。该方法特别适用于需要快速局部校平薄板材或者改变局部弯曲曲率半径的场合

本发明的另一目的是给出一种实现薄金属板材曲率半径调整的装置，该装置可以满足弯曲板材校平的需要。

本发明的方法解决方案是：一种基于空心光束激光冲击的薄金属板材曲率半径调整方法，包括以下步骤：

1) 将弯曲薄板材(10)通过弯曲顶点（11）固定于工作平台(12)上；

2）在弯曲薄板材(10)上预先涂覆吸收层和约束层；

3）通过光束整形系统（6）将实心激光调整为空心光束；

4）所述空心光束通过聚焦透镜产生聚焦光斑，所述聚焦光斑与所述弯曲薄板材(10)上的弯曲顶点（11）重合；

5） 调整光束整形系统（6）改变空心光束的内径和外径大小；

6）重复步骤4）直至校平弯曲薄板材(10)。

本发明的装置解决方案是：一种基于空心光束激光冲击的薄金属板材曲率半径调整装置，包括激光器（4）、光束整形系统（6）、聚焦透镜（8），所述激光器（4）发出的实心激光（5）经过光束整形系统（6）产生空心光束（7），所述空心光束（7）经过聚焦透镜（8）在固定于工作平台（12）上的弯曲薄板材(10)上产生环形聚焦光斑（9），所述环形聚焦光斑（9）与所述弯曲薄板材(10)上的弯曲顶点（11）重合。

所述光束整形系统（6）调整空心光束（7）的内径和外径大小。

所述光束整形系统（6）包括彼此间隔依次排列且共轴的第一凸透镜（13）, 凹透镜（14）, 第二凸透镜（15）, 凸轴锥棱镜（16）, 凹轴锥棱镜（17），所述第一凸透镜（13）, 凹透镜（14）, 第二凸透镜（15）, 凸轴锥棱镜（16）, 凹轴锥棱镜（17）的任一镜片可以沿轴线移动。

进一步，还包括控制系统，所述控制系统与所述光束整形系统（6）连接，用于控制调整空心光束（7）的内径和外径大小。

所述弯曲薄板材(10)上涂覆吸收层和约束层。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：以空心光束作为激光冲击源，改变弯曲板材曲率半径，相对于传统的机械调整方法，自动化程度高，柔性更好；相对于激光喷丸成形校正薄板材形状的方法，更直观，可控性更好；相对于单边激光冲击的方法，该方法速度更快，效率更高，对零件原始形状要求不高。该方法尤其适用于弯曲板材或者零件半成品的局部校平或曲率半径调整。

附图说明

图1：单边激光冲击调整弯曲薄板材曲率半径原理示意图；

图2：空心光束激光冲击调整弯曲薄板材曲率半径装置示意图，该图兼作摘要附图；

图3：光束整形系统6的一种结构示例；

1：夹具，2：弯曲板材，3：激光束，4：激光器，5：实心光束，6：光束整形系统，7：空心光束，8：聚焦透镜，9：环形光斑，10：弯曲薄板材，11：弯曲顶点，12：工作台平面，13：第一凸透镜，14：凹透镜，15：第二凸透镜,16：凸轴锥棱镜，17：凹轴锥棱镜。

具体实施方式：

激光器4输出实心光束5，经过光束整形系统6后，获得空心光束7，空心光束7经过聚焦透镜8，获得环形聚焦光斑9作用于弯曲薄板材10上。弯曲薄板材10通过其弯曲顶点11固定于工作台平面12上。弯曲薄板材10通过其弯曲顶点11固定于工作台平面12上，可以采用任何能够实现刚性固定方式，可以为夹持固定方式。光束以垂直于工作台平面12的方向入射到工件上，环形聚焦光斑9的中心与弯曲顶点重合。环形光斑在薄板材表面诱导产生环形冲击波，作用于弯曲板材的两翼，作用于弯曲板材两翼的冲击波对弯曲板材施加以弯曲顶点为中心的弯曲力矩，导致激光冲击区域曲率半径变大，空心光束多次作用，可逐渐增大该区域曲率半径，直至校平整个薄板材。

环形聚焦光斑9可以通过调整光束整形系统6内镜片之间的相对位置实现对其内外径大小可以改变，环形冲击波的空间分布和峰值压力大小，可以通过改变环形光斑的内外径进行调整。光束整形系统6，可以为任何能够实现将实心光束变换为空心光束的光学镜片组。

如图2所示，输出波长为Nd³⁺:YAG激光器作为激光冲击源，其脉冲宽度为纳秒量级。激光器还可以为任何适合用于激光冲击加工的短脉冲激光器。激光器输出实心光束通过光束整形系统后，转换成空心光束，再经过聚焦透镜8，获得聚焦环形光斑。图3所示的光束整形系统是由第一凸透镜13, 凹透镜14, 第二凸透镜15, 凸轴锥棱镜16, 凹轴锥棱镜17等5个镜片构成的镜片组。

环形光斑9在薄板材表面诱导冲击波，需要如常规激光冲击加工一样，在工件表面预先涂覆吸收层和约束层。吸收层用于提高材料表面的能量吸收效率和保护工件表面不受烧蚀损伤。约束层用于提供激光诱导冲击波的压力峰值，并延长冲击波在工件表面的作用时间。

激光冲击加工前，在工件表面预先喷涂黑漆或铝箔作为吸收层。将该工件通过工作台上的夹具，夹持于工作台平面12。冲击过程中，在冲击区域喷水帘，作为约束层。当工件置于聚焦透镜8焦点前适当位置，在工件表面获得一定尺寸的环形光斑，环形光斑在工件表面诱导环形激光冲击波。作用于弯曲板材两翼的冲击波对弯曲板材施加以弯曲顶点为中心的弯曲力矩，则激光冲击区域曲率半径变大。若需要校平冲击区域，空心光束多次作用，则可逐渐增大该区域曲率半径，直至校平整个薄板材。调整光束整形系统内镜片之间的相对位置可以改变聚焦环形光斑的内外径大小。改变第一凸透镜13, 凹透镜14, 第二凸透镜15的相对位置，可以调整环形光斑外径的大小，改变凸轴锥棱镜16和凹轴锥棱镜17的相对位置，可以调整环形光斑内径的大小，由此，可灵活调整环形光斑内外径大小以满足不同的实际需要。