激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法

摘要

本发明公开了一种激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法，激光连续扫描表面硬化方法具体为：在激光硬化处理设备的聚焦透镜的焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行光束经光学转换元件和聚焦透镜，具有两端能量增强的单列点阵光斑照射待处理材料，并以预定速度移动光束或者待处理材料。发明根据激光与材料相互作用原理，控制激光与材料相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化。通过设计制作的二元光学元件对激光器直接输出的光束整形，得到具有两端能量增强的条带型单列点阵光斑，采用此种光斑对大面积金属材料表面进行激光连续扫描硬化，使材料硬度增加的同时，大大提高了硬化层的均匀度和加工效率。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别涉及一种利用光束整形后的边缘能量增 强的条带型激光束进行大面积金属部件的激光束整形方法、激光硬化处理设 备和激光连续扫描表面硬化方法。

背景技术

金属材料的激光表面硬化多由激光束经聚焦形成的高斯圆光斑或者离焦 后的光斑直接作用于材料表面，通过数控机床控制工件与激光束的相对运动 轨迹及光闸的启闭对材料表面或其要求部位进行表面硬化。对于大面积金属 表面的硬化，硬化所需激光功率密度小，激光处理区域比较大，要求处理后 的金属组织在大面积上有均匀结构和表面质量，这就要求光斑具有一定的面 积，从而增加扫描面积，提高加工速度。

目前的加工方法往往是通过对激光束进行离焦，扩大光斑后进行连续扫 描表面硬化，这种方法虽然提高了扫描面积，增加了加工效率，但是由于光 束本身为高斯或者超高斯分布，加工后的硬化层形貌为月牙形，难以满足激 光表面硬化对组织结构和硬化层质量的要求。近年来，在激光表面硬化过程 中为了实现一个均匀的激光作用区，激光束往往被整形为均匀分布的矩形光 斑或者线形光斑。

在这些硬化工艺中，虽然激光束被整形为均匀分布，但是理论和实验研 究表明，均匀的激光照射不一定能得到均匀的热作用，更不能得到均匀的激 光表面硬化区域的组织结构，由均匀强度分布的光斑作用下产生的硬化层为 月牙形分布。

解决这一问题的根本方法是根据激光与材料相互作用原理，控制激光与 材料的相互作用区域，对激光束空间强度分布进行优化，为了满足大面积金 属激光表面硬化对加工效率和硬化层均匀度的两方面的要求，本发明提出了 一种激光连续扫描表面硬化方法，这种方法的关键是利用二元光学元件将激 光束整形为具有两端能量增强的条带型点阵光斑，然后用整形后的光斑进行 激光连续扫描表面硬化，这种激光表面硬化的优点是提高加工效率的同时， 大大改善了材料的硬化层均匀度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种能够将激光 束整形为具有两端能量增强的条带型点阵型光斑的光束整形方法。

本发明的另一目的在于提供一种能够将激光束整形为具有两端能量增强 的条带型点阵光斑的设备。

本发明的第三目的在于提供一种采用具有两端能量增强的条带型光斑进 行大面积金属表面激光连续扫描硬化处理的方法。

本发明的激光束整形方法，具体步骤为：

1）采用二元光学标量衍射理论，根据条带型点阵光斑内衍射级个数（光 斑长度）、衍射级能量比例（光斑两端衍射级强度增强量），及衍射效率和 均匀度要求，计算出二元光学元件的位相分布；

2）根据条带光斑内各个衍射级之间的距离确定元件位相的周期数，根据 激光器输出光束的直径已经表面硬化设备对元件直径的要求确定元件口径， 根据激光束波长确定元件刻蚀深度，从而制作光束整形二元光学元件；

3）将光束整形二元光学元件安装到激光表面硬化装置中，激光束照射步 骤2）中的二元光学元件，即可将激光束整形为具有两端能量增强的条带型 点阵光斑。

进一步，所述激光束光源为Nd:YAG激光器，波长为1064nm。

进一步，所述激光束整形方法中，光束整形为单列排布的点阵光斑，光 斑分布为1X25~37的点阵。

进一步，所述激光束通过所述光学转换元件整形得到的光斑为具有两端 能量增强的单列点阵光斑。

进一步，整形后的光斑内小光斑的间隔为单个小光斑直径的长度。

本发明的激光硬化处理设备，包括激光器、扩束镜、二元光学元件和聚 焦透镜，二元光学元件设置在扩束镜和聚焦透镜之间，激光器照射扩束镜产 生平行光束经所述二元光学元件和聚焦透镜在聚焦透镜焦平面上得到具有两 端能量增强的单列点阵光斑。

本发明的激光连续扫描表面硬化方法，具体为：在上述激光硬化处理设 备的聚焦透镜的焦平面处设置待处理材料，通过激光器照射扩束镜产生平行 光束经光学转换元件和聚焦透镜，具有两端能量增强的单列点阵光斑照射所 述待处理材料，并以预定的速度移动光束或者待处理材料。

进一步，所述整形后的激光束是用于激光连续扫描金属表面硬化过程， 扫描方向与光束的长边垂直。

进一步，所述待处理材料为金属材料。

本发明根据激光与材料相互作用原理，控制激光与材料的相互作用区域， 对激光束空间强度分布进行优化。通过所设计制作的二元光学元件对激光器 直接输出的光束整形，得到具有两端能量增强的条带型单列点阵光斑，采用 此种光斑对大面积金属材料表面进行激光连续扫描硬化，使材料硬度增加的 同时，大大提高了硬化层的均匀度和加工效率。

附图说明

图1激光连续扫描表面硬化实验示意图；

图2光束整形元件一个周期位相分布示意图；

图3边缘具有能量突起的1x25点阵分布元件单个周期位相分布；

图4边缘具有能量突起的1x25点阵分布元件强度分布图；

图5边缘具有能量突起的1x37点阵分布元件单个周期位相分布；

图6边缘具有能量突起的1x37点阵分布元件强度分布图；

图7所制作光束整形元件的表面轮廓；

图8激光器直接输出光束（a）和整形后光束（b）作用后的硬化层形貌

图9整形前后激光束作用后硬化层硬度曲线。

具体实施方式

本发明的激光连续扫描表面硬化实验光路及加工方式如图1所示。图中 自上而下依次为激光器1、扩束透镜2、准直透镜3、二元光学元件4、聚焦 透镜5和待处理金属表面6。从激光器1发出的光经过透镜2和3进行了扩束 准直，然后经过二元光学元件4在聚焦透镜5的焦平面上产生具有边缘能量 增强的条带型激光束。整形后的激光束沿图中方向7移动，进行金属表面的 激光连续扫描硬化处理，激光束的长边方向与光束扫描方向7垂直。

图2是具有边缘能量增强的条带型二元光学元件的一个周期位相分布示 意图，图中白色单元代表位相延迟为φ₁，黑色单元代表位相延迟为φ₂，一个 周期的位相分布是由多个条带单元组成，光栅结构中位相突变点坐标为 (a_l,b_l)(l=1,L,L)，L是组成单个周期位相的单元个数。

根据标量衍射理论，如果假设入射光为平顶光束则对于给定位相版，其 远场衍射场强度分布为：

$I_0={\left(\frac{A}{\mathrm{\lambda f}}\right)}^2{\left|\right\{[\exp \left({\mathrm{i\phi }}_2\right)-\exp \left({\mathrm{i\phi }}_1\right)]\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}(b_l-a_l)\}+\exp \left({\mathrm{i\phi }}_1\right)|}^2$

${I\_}_m=I_{+m}={\left(\frac{A}{\mathrm{\lambda f}}\right)}^2{|\exp \left({\mathrm{i\phi }}_2\right)-\exp \left({\mathrm{i\phi }}_1\right)|}^2{\sin c}^2\left[(b_l-a_l)\frac{m}{d}\right]---\left(1\right)$

$\times {\left|\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}(b_l-a_l)\exp \right[-\mathrm{i\pi }(a_l+b_l)\frac{m}{d}\left]\right|}^2$

其中λ是激光波长,f为聚焦透镜焦距，光栅一个周期宽度为d，m为衍 射级次。对于该二值位相光栅，其评价函数定义为：

$E^2=\alpha \{{\left[{\beta }_1(I_{\left(0\right)}-{\eta }_E\widehat{I_{\left(0\right)}})\right]}^2+{\left[{\beta }_2(I_{\left(1\right)}-{\eta }_E\widehat{I_{\left(1\right)}})\right]}^2+...+[{{\beta }_M(I_{\left(M\right)}-{\eta }_E\widehat{I_{\left(M\right)}})]}^2\}+(1-\alpha ){(1-{\eta }_E)}^2---\left(2\right)$

其中是权重因子，是第M衍射级的理论强度，I_m是衍射级次 为（±M）的点的强度。η_E是衍射效率，β₁,β₂,...,β_M对应于各衍射级的权重系 数，I₍₀₎,I₍₁₎，...I_(M)分别对应于衍射级0,1，...,M的强度，如果目标强度是具有强度 比为I₍₀₎:I₍₁₎:I₍₂₎=k₁:k₂:k₃的三衍射级次的二值位相光栅，则权重系数应该为 ${\beta }_1:{\beta }_2:{\beta }_3=\frac{1}{k_1}:\frac{1}{2k_2}:\frac{1}{{2k}_3}.$定义其衍射级间均匀度为$U_p=\frac{I_{\left(0\right)}}{I_0}:\frac{I_{\left(1\right)}}{I_1}:...:\frac{I_{\left(M\right)}}{I_M}$来衡量各 衍射级的强度的设计值和目标值的偏差，这里I₍₀₎,I₍₁₎，...I_(M)和I₀,I₁，...I_M分别表 示0,1,...M各衍射级的设计和目标值的平均强度，U_p越接近1∶1：…:1,则衍射

本发明给出了具有两种条带型二元光学元件的优化参数。利用评价函数 的约束，计算了边缘具有能量突起的1x25（光栅a）和1x37（光栅b）点阵 分布二值位相光栅的位相板，光栅a是一个具有12个衍射级次的光栅，其能 量分布为从零衍射级到±7衍射级相对强度为1，从第±8衍射级次开始强度 分布以10%的比例逐渐增加，第±12衍射级的强度为等强度区域的1.5倍。 光栅b是一个具有18个衍射级次的光栅，其强度分布为从零衍射级到±13 衍射级相对强度为1，从第±14衍射级次开始强度分布以10%的比例逐渐增 加，第±18衍射级的强度为等强度区域的1.5倍。在衍射级均匀度小于5%的 约束下，搜索出了符合条件的最佳各条带位相突变点坐标，其优化数值结果 如表1和表2所示。

表1光栅a具有8对突变点，归一化坐标（al，bl）如下：

L 1 2 3 4 5 6 7 8 a_l0 0.0947 0.1830 0.2650 0.4494 0.5791 0.6696 0.8934 b_l0.0751 0.1304 0.2308 0.3096 0.4798 0.6186 0.7469 0.9614

表2光栅b具有12对突变点，归一化坐标（a_l，b_l）如下：

l 1 2 3 4 5 6 a_l0 0.0757 0.1428 0.2173 0.2801 0.3893 b_l0.0285 0.1263 0.1931 0.2454 0.3670 0.4287 l 7 8 9 10 11 12 a_l0.4795 0.5057 0.5677 0.7599 0.8867 0.9332 b_l0.4938 0.5490 0.6949 0.8017 0.9093 0.9686

图3边缘具有能量突起的1x25点阵分布二值位相光栅单个周期位相分 布。

图4边缘具有能量突起的1x25点阵分布二值位相光栅强度分布图，其 中衍射效率η_E=74.36%。

图5边缘具有能量突起的1x37点阵分布二值位相光栅单个周期位相分 布。

图6边缘具有能量突起的1x37点阵分布二值位相光栅强度分布图，其 中衍射效率η_E=74.73%。

图7所制作二值位相光栅（光栅a）的表面轮廓，深度误差小于3%。

下面以光栅b为例，说明二元光学元件的设计、制作方法以及激光连续 扫描表明硬化处理方法和步骤。

1、本发明根据特定的应用需求，确定制作衍射级次为18的1x37点阵， 该元件的强度分布具有边缘能量突起，强度分布为从第±14衍射级次开始强 度分布以10%的比例逐渐增加，第18衍射级的强度为等强度区域的1.5倍；

2、二值位相元件以直径为50mm的玻璃圆片为基底，掩模板尺寸为边长 为50mm的正方形掩模板，单个位相周期为500微米。表1中为归一化数据， 实际加工过程中根据单个周期的大小可以确定具体数据；

3、采用超大规模集成电路的方法（VLSI）进行元件的制作，第一步， 根据设计所得位相分布，用电子束图形发生器制作掩模板；

4、第二步，通过接触式光刻法，把掩模板图案转移到涂有光刻胶的光学 玻璃上，接触式曝光的复制误差小于0.5微米；

5、第三步，用反应离子刻蚀或者湿法刻蚀的方法得到所需元件。基底为 K9玻璃，对于1064nm的激光的折射率为1.507，对应位相延迟π的刻蚀深 度为1046nm，使用腐蚀溶液为溶液体积配比浓度为HF:H₃PO₄:H₂O＝1:10:40 进行刻蚀，将腐蚀时间控制在4分钟以内；

6、第四步，用轮廓仪Dektak 8测试表面轮廓，如图7所示刻蚀深度平均 为1033.9nm，与目标值1046nm的偏差小于2%，在误差范围允许内；

7、根据如图1所示的激光连续扫描表面硬化实验示意图，进行测量光路 的搭建，光源采用Nd:YAG固体激光器，光源波长为1064nm，聚焦透镜的 焦距为150mm。将待加工金属表面置于焦平面处，加工方式为连续激光扫描， 激光束扫描方向与整形后激光束的长边垂直。

采用扫描电子显微镜观测硬化层形貌，如图8所示，图（a）为具有边缘 能量增强的1x37条带光斑作用后的硬化层形貌，图（b）为整形前激光束（直 径与整形后激光束宽度相同）处理后的金属表面硬化层形貌，对比可以看出， 采用具有边缘能量增强的条带型光束进行激光连续扫描硬化实验，硬化层形 貌更加接近矩形。如图9所示为两种光斑作用后沿宽度方向的硬度曲线，硬 度值在表面垂直往下100μm处取点，从图中可以看出整形后光束处理表面的 完全相变硬化区硬度有所提高，硬化层宽度有所增加。

因此本发明提出的这种激光连续扫描表面硬化方法，有助于提高硬化层 几何均匀度，硬化层形貌接近矩形，同时增加了单道扫描硬化层宽度，有利 于大面积金属表面的激光表面硬化加工效率的提高。