（光学工程专业论文）激光热处理光束优化系统研究及其装置设计.pdf

摘要 激光热处理是一种表面热处理技术。即利用激光加热金属材料表面实现表面 热处理。由于激光加热的功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，使 得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热；当激光加热结束， 因为工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域通过工件本身的热传导迅 速冷却，从而实现淬火等热处理效果，对零件进行表面强化。 激光热处理有着传统热处理无法比拟的优越性，例如它可以精确控制热处理 区域以及工件变形小等。我国自2 0 世纪7 0 年代末研制成功千瓦级c 0 2 激光器 之后，激光热处理的工业应用取得了重要的成就。但是，时至今日，激光热处理 在工业上的应用情况远远低于最初的估计，其中一个重要原因是光束的质量限制 了激光技术的应用水平。 激光光束形状和能量分布直接限定了激光加工的应用。为满足不同的激光加 工要求，必须对激光光束进行光束变换。激光束的光强分布以及光斑形状对激光 热处理硬化层性能影响极大，一般要求光强均布的矩形光斑或宽带光斑；但是光 强均布的激光束不一定产生均匀的硬化层，目前的激光热处理光束优化装置得到 的是中间厚，两边薄的月牙形分布的硬化层。 为了改善激光热处理硬化层分布，在分析国内外激光热处理光束优化系统研 究现状以及存在问题的基础上，提出了两种光束优化系统的设计方案，激光扫描 环形光斑和线形光斑。建立了两种光斑温度场的数学模型，模拟其温度分布，得 到了激光功率密度分布形状良好的激光束，从理论上说明了两种方案能够改善激 光热处理硬化层分布及热作用效果。在理论分析的基础上，研制相应的光束优化 处理装置。设计出的装置具有结构简单、调节精度高、运行平稳等特点，通过软 件对该装置的模型进行运动仿真，优化设计。最后对装置进行原理性实验，分析 聚焦光斑与扫描环形光斑在激光淬火中对材料的热作用效果，结果表明扫描环形 光斑通过装置的高频扫描作用对材料的热作用效果有明显改善，满足激光表面淬 火、激光熔覆等激光热处理的需要，有一定的应用前景。 关键词激光技术，激光热处理，光束优化，温度场模拟，运动仿真 a b s t r a c t l a s e rh e a tt r e a t m e n ti sas o r to fs u r f a c eh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u e m a t e r i a l s s u r f a c ei sh e a t e da n ds u r f a c eh e a tt r e a t m e n ti sr e a l i z e db yu s i n gi t a tt h ep e r i o do f l a s e rh e a t i n g ，t h e p o w e rd e n s i t yi s s oh i g ht h a tt h eh e a tc a nn o tb et a k e no u t i m m e d i a t e l y w h e nh e a tc o u r s ee n d s ，t h eh e a t e du pa r e ac a nb ec o o l e dr a p i d l yt h r o u g h h e a tc o n d u c t i o nb e c a u s et e m p e r a t u r eo fm o s to fm e t a l sv o l u m ei sl o we n o u g h a n d h e a tt r e a t m e n ts u c ha sq u e n c h e ra n ds oo na r er e a l i z e d ，s ot h es u r f a c eo fm e t a lp a r ti s s t r e n g t h e n e d l a s e rh e a tt r e a t m e n ti sm o r ee x c e l l e n tt h a nt r a d i t i o n a lh e a tt r e a t m e n t ，s u c ha s h e a tt r e a t m e n ta r e ac a nb ec o n t r o l l e de x a c t l ya n ds m a l l e rw o r k p i e c ed i s t o r t i o na n ds o o n s i n c et h ee n do f19 7 0 sw h e nt h ec 0 2l a s e rw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yi no u r c o u n t r y , s o m ei m p o r t a n ti n d u s t r ya p p l i c a t i o na c h i e v e m e n t so fl a s e rh e a tt r e a t m e n ta r e f o u n d b u tu n t i lt o d a y , t h es i t u a t i o no fl a s e rh e a tt r e a t m e n ti n d u s t r ya p p l i c a t i o ni s u n d e rt h ee s t i m a t i o na tf i r s t t h em o s ti m p o r t a n tr e a s o ni st h ea p p l i c a t i o nl e v e lo f l a s e rt e c h n i q u eh a sb e e nl i m i t e db yq u a l i t yo fl a s e rb e a m t h es h a p ea n dq u a l i t yo fl a s e rb e a md i r e c t l yd e f i n ei t sa p p l i c a t i o n si nt h el a s e r p r o c e s s i n g f o rd i f f e r e n tr e q u e s t so fl a s e rp r o c e s s i n g ，t h ei n p u tb e a ma l w a y sn e e d st o b et r a n s f o r m e d i ti sh u g et h a tt h ei n f l u e n c eo fl a s e rb e a m sl i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n a n df a c u l a ss h a p eo nh a r d e n e dc a s e sp e r f o r m a n c e r e c t a n g l ef a c u l ao rw i d e b a n d f a c u l aa r er e q u i r e du s u a l l y b u tl a s e rb e a mo fu n i f o r ml i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nc a n n o ta l w a y sg e n e r a t eu n i f o r mh a r d e n e dc a s e a tp r e s e n t ，u s i n gl a s e rh e a tt r e a t m e n t b e a mo p t i m u me q u i p m e n t ，t h eh a r d e n e dc a s ew h i c hp r e s e n t sc r e s c e n ti so b t a i n e d t oi m p r o v ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yo fh a r d e n e dc a s e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f r e s e a r c hs t a t u sa n dp r o b l e m sa th o m ea n da b r o a do fb e a mo p t i m u ms y s t e mf o rl a s e r h e a tt r e a t m e n t ，t w od i f f e r e n ts c h e m e sa r ep u tf o r w a r d ，l a s e rs c a n n i n gr i n gf a c u l aa n d l i n e a rf a c u l a t h em a t h e m a t i cm o d e l so ft h ef a c u l a s t e m p e r a t u r ef i e l da r eb u i l ta n d t h e i rt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n sa r es i m u l a t e d ，a n df i n a l l yb e a mw h i c hh a se v e n p o w e rd e n s i t yd i s t r i b u t i o na n de x c e l l e n ts h a p ei so b t a i n e d i nt e r m so ft h et h e o r e t i c a l s i m u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yo ft h eh a r d e n e dc a s ei s i m p r o v e d b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i s ，c o r r e s p o n d i n gl a s e rh e a tt r e a t m e n tb e a m o p t i m u me q u i p m e n ti sd e v e l o p e d i t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，m e a s u r ep r e c i s i o ni sh i g h a n dw o r kc a l m l y t h em o d e l o ft h ee q u i p m e n ti sr u nu s i n gl o c o m o t i o ne m u l a t e a t l a s th e a te f f e c to nm a t e r i a li ss t u d i e db yd o i n ge x p e r i m e n t h e a te f f e c to nm e t a lo f f o c u s e df a c u l a sa n dl a s e rs c a n n i n gr i n gf a c u l a si sa n a l y z e d i ti ss h o w nt h a t d i s t r i b u t i o no ft h eh a r d e n e dc a s ef o rl a s e rh e a tt r e a t m e n ti si m p r o v e d i nt e r m so ft h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c h ，i ti sp r o v e dt h a ts c a n n i n gr i n gf a c u l a c a nr e a l i z el a s e rb e a mo p t i m u mf o rh e a tt r e a t m e n t ，a n di th a saw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：l a s e rt e c h n i q u e ；l a s e rh e a tt r e a t m e n t ；b e a mo p t i m i z a t i o n ；t e m p e r a t u r e f i e l ds i m u l a t i o n ；l o c o m o t i o ne m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者躲瑙蝎 签字日期优侮月趔丙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名瑚镪 签字日期：i 唧年2 月劣日 导师签名： 尹 - - t - 7 一，1 签字日期功涉妒年2 月i 如 学位论文的主要创新点 一、在分析国内外激光热处理光束优化系统研究现状以及存在问 题的基础上，提出两种新型的激光热处理光束优化系统设计方案，扫 描环形光斑和扫描线形光斑激光束优化法。 二、阐述激光扫描环形光斑和线形光斑的形成原理，建立两种光 斑温度场的数学模型，模拟其温度分布，得到激光功率密度分布形状 良好的光束。从理论上说明了这两种方案能够改善激光热处理硬化层 分布。 三、在理论研究基础上，研制相应的光束优化处理装置。设计的 装置具有结构简单、调节精度高、运行平稳等特点。 四、通过软件对激光热处理光束优化装置的模型进行运动仿真。 通过仿真对机构进行干涉、运动等情况的分析。 五、对装置进行原理性实验，分析聚焦光斑与扫描环形光斑在激 光淬火中对材料的热作用效果，结果表明扫描环形光斑通过装置的高 频扫描对材料的热作用效果明显改善，满足激光表面淬火、激光熔覆 等激光热处理的需要，有一定的应用前景。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 热处理是将固态金属( 包括纯金属和合金) 在一定的介质中，通过特定的加 热、保温和冷却方法，使之获得需要的组织，从而获得工程技术上所需性能的工 艺过程的总称，是零件生产中不可缺少的工序，具有悠久的历史【l 】。随着技术进 步和生产发展的需要，作为传统加工制造业的热处理正面临着新的挑战，发展先 进的热处理技术已成为时代的要求【2 3 j 。 激光是一种高亮度的定向能束，具有单色性好，发散角小的特点，随着激光 技术的不断创新和成熟，它在信息、医疗、工业以及国防领域的应用也越来越广 泛1 4 5 1 。激光热处理技术便是其中的一个方面。激光自上世纪六十年代问世以来， 激光技术作为一门举世瞩目的高新技术几乎在各行业都取得了重要应用。美国通 用公司于1 9 7 1 年首次用一台2 5 0 w c 0 ：激光器成功的进行了激光热处理试验，三十 多年来利用大功率激光器实现材料表面激光热处理己在实践中得以证实，激光热 处理技术以其特有优越性在许多工业部门得以广泛的应用【6 】。 激光热处理主要包括激光相变硬化( 激光淬火) 、激光熔凝、激光非晶化和 微晶化、激光冲击硬化等多种工艺，其中金属材料的激光相变硬化的研究和应用 最为普遍。激光相变硬化本质上和普通淬火工艺一样，都是通过控制加热和冷却 两个过程来改变材料的性能，但是由于激光相变硬化受到如激光束的功率、模 式、波长、光斑尺寸、扫描方式及扫描速度、材料的冶金及热物理特性、试样的 几何尺寸及其表面状态等多参数的综合影响，另外激光加热和冷却速度很快 ( 1 0 4 1 0 6 s ) ，导致人们难以用实验的方法直接测量其瞬时温度分布，难以 对相变过程和机理进行深入研究。而在实际生产过程中由于所采用的激光器、导 光系统、监测系统的不同，导致实验得到的激光热处理工艺移植性很差，目前在 实践中仍主要依靠实验和经验来获得最佳的激光处理参数，造成了大量的人力物 力浪费，限制了激光淬火工艺的推广应用【7 j 。 激光热处理技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但是直到2 0 世纪7 0 年代初研 制出大功率激光器之后，激光表面热处理技术才获得实际的应用，并在近1 0 年 内得到迅速的发展。激光表面热处理技术，是将现代物理学、化学、计算机、材 料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，是在材料表 天津工业大学硕士学位论文 面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能， 从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能，以满足各种不同的使用要求。 它能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最 佳组合。激光表面热处理是当前材料工程学科的重要方向之一，被誉为光加工时 代的一个标志性技术，各发达国家均予以重点发展。其高效率、高效益、高增长 及低消耗、无污染的特点符合材料加工的发展需要【8 j 。 2 0 世纪7 0 年代，利用大功率激光实现材料表面相变硬化的可能性便在实验 室里得到证实。我国自7 0 年代末研制成功千瓦级二氧化碳激光器之后，激光热 处理的工业应用亦取得了重要的成就。但是，时至今日，激光热处理在工业上的 应用情况远远低于最初的估计，其中一个重要原因是光束的质量限制了激光技术 的应用水平例。 人们认为在激光热处理时作用光束在材料表面形成截面为方形或矩形的均 匀光斑是一种较理想的光束结构。为此，近2 0 多年来，国内外研制出了不少光 束变换系统：一是通过光学元件的搭接对光束进行整形：非球面镜、光波导镜、 反射式面式带式积分镜、光楔列阵均束器、二元光学元件、随机位相板等；二 是通过扫描方式实现均匀的矩形光斑或带形( 线形) 光斑：机械电磁振镜、激光 宽带扫描转镜等。从准确控制激光作用区域的观点而言，这些具有整齐边界的光 束无疑是一种较好的光束，但是实验和研究很容易证实，均匀的光强分布( 功率 密度分布) 的光斑不一定产生均匀的热作用【l 们。目前，激光淬火中常用功率密度 均布的矩形光斑或宽带光斑，用这两种形状激光扫描得到的是截面形状为中间 厚、向光斑边缘两侧逐渐变薄的“月牙形 硬化层，如图1 1 所示。其原因是 在光斑中心处热量主要向纵深方向传递，因而等温线涉及的深度较深，即硬化层 较厚；而越靠近光斑边缘，基体横向热传导越强烈，使许多热量向边缘散失，导 致纵向传递的热量减少，必然造成等温线涉及的深度逐渐变浅，即硬化层越来越 薄 1 1 】。 图1 1 横向热传导对硬化层分布的影响 本文就是在分析国内外激光热处理光束优化系统研究现状以及存在问题的 基础上，提出了光束优化系统的两种方案，激光扫描环形光斑和线形光斑。建立 2 第一章绪论 了两种光斑温度场的数学模型，模拟了温度场分布，从理论上说明两种方案能够 改善激光热处理硬化层的分布，实现均匀的热作用，并设计出了相应的光束优化 处理装置。 1 2 国内外激光束优化系统研究进展 目前国内外已经报道了若干种优化激光束的光束变换系统，大致可以分为两 大类。一类是产生稳定光束的光束优化系统，另一类是产生振荡光束的光束优化 一 系统。 1 2 - 1 稳定光束优化系统 1 、非球面均束技术 以原始激光束是高斯光束为例，非球面均束装置的光学系统如图1 2 所示。 该装置由两块非球面透镜l 1 、l 2 组成，第一块非球面透镜l l 用于光强分布转 换，原始激光束不同径向上的光线经l 1 后以不同的角度射出，在距其长度l 的 平面上形成了均匀分布的均匀圆形光斑，如图1 3 【1 2 】所示。按照几何光学理论， 单块非球面透镜已达到设计要求，但事实是经非球面透镜l 1 变换后的波前传输 距离l 为安装方便或为了避免离材料太近而减短透镜使用寿命需足够大，随着l 的增大衍射效应的作用就不可忽视；而且经非球面透镜l 1 后虽然能得到均匀分 布的均匀圆形光斑，但不是理想的平面波波前，所以再加上一块位相补偿非球面 透镜l 2 使光束准直，从而能传输更远的距离而不改变光斑质量。非球面透镜由 金刚石车床切削成形，是一块轴对称镜片，加工条件决定了原始激光束光强分布 必须是轴对称的，不适用于一些多模高斯光束。 纩薹 a心 豸l j t 醴 h o m o g e n 。iz e db e 锄 图l - 2 非球面均束装置光学系统图 3 天津工业大学硕士学位论文 图l 一3 非球面均束装置的均束原理 2 、透镜光楔列阵型均束器 典型的透镜列阵型均束器【1 3 乏o 】光学系统如图1 4 【1 3 】所示。透镜列阵由m x m 个小透镜组成，激光器原始光束经透镜列阵被分成m x m 束光束，每束光束经大 透镜聚焦再发散都刚好投射在靶面的同一块面积上，相互叠加。由每个小透镜的 主光线经大透镜后会聚于大透镜的焦点可知，大透镜与靶面的距离正好是大透镜 的焦距，根据所需要的均匀圆形光斑的尺寸r 、小透镜的外径d 、大透镜焦距f ， 用几何光学光束追迹法确定小透镜的焦距。 卡r o m o g t n iz ab _ n 1 4 透镜列阵型均束器光学系统图 从几何光学看，透镜列阵所用的透镜数越多，激光器原始激光束就被分割得 越细，靶面上的光斑均匀性就越好；但从物理光学来看，分割得越细，衍射效应 和干涉效应就越明显，衍射效应导致波浪式光强分布的包络线( 大尺度不均匀性 增大) ，干涉效应导致明暗相间的波峰波谷( 小尺度不均匀性增大) 。小尺度不均 匀性可依靠靶的横向热传导效应自然消除，但大尺度不均匀性就不能随热传导效 应而消除。解决的途径有：各个列阵透镜的同心度误差在一定范围内按无规则分 布；将靶面从几何光学“综合 焦面略往外移【14 1 。 。对于激光器原始光束横纵方向的发散角不相等时，可以用两块互相垂直的柱 面透镜列阵来代替单块透镜列阵【1 5 】( 非球面透镜也用这种方法整形非圆对称光束 可能也会有好的效果) ，当然如果想得到线聚焦的光斑时其中一块柱面透镜列阵 4 第一章绪论 可以用大柱面透镜来代替。 透镜列阵均匀化光束的方法已经在准分子激光器中获得了良好的实验效果， 原因是准分子激光的光束相干比较差，物理光学中的衍射效应和干涉效应影响比 较小；但对于波长长、光波频谱窄的c o ：激光来进行整形的话还需要深一步的研 究。 对于光楔列阵( s e g m e n t e dw e d g ea r r a y ，简称s w a ) 型均束器，它的光学系 统结构如图1 5 【挎】所示。图中s w a l 和s w a 2 是一对相互垂直的光楔列阵，分别 对横纵方向进行整形；l 是一块透镜，可以是负透镜也可以是正透镜，它的作用 是调节靶面上均匀光斑的尺寸，距离s 2 改变时，光斑尺寸也会随之改变。 i n c id e r t tb e 绷s 竹 ls w j i l 2 l d 图卜5 光楔列阵型均束器光学系统图 每一块光楔的楔角可以通过几何光学光束追迹法求得。同透镜列阵相似，需 要适当地对衍射效应的大尺度效应和干涉效应的小尺度效应进行抑制。 3 、光波导均束器 用于光波导均束器【2 1 3 伽的光波导一般是矩形光波导，分别对相互正交的两个 方向x 、y 方向进行均束，其结构如图1 6 所示。波导可以中心为空，内反射面 作光学加工，可以不镀膜，降低成本；也可以是实心玻璃，相当于普通光纤。 图1 - 6 光波导均束器结构图 矩形光波导将原始激光束进行分割，最后在波导的出口处重叠。如图1 7 所 示为x 方向剖面图，从焦点s o 发出的光线根据发散角的不同被波导内反射面反 5 蛳 虹 r 弘土 o 一一一 中 关津士业大学硕士学位论文 射的次数也不同，方形光波导出口处的光强可视为来自焦点s o 及反射面所形成 的一序列像( s + i ，s 士2 ) 的共同照射。对于矩形光波导，考虑二维方向，有 一些光线从波导出射前既受到了水平方向两个面的反射，也受到了垂直方向两个 面的反射，这样它们的延长线所成的像既不在x 轴上也不在y 轴上，而是有规 则地排列于x 、y 面整个区域。s o 发出的最边缘光线在矩形光波导内反射次数就 是s o 每一侧像的个数，像越多，对光束就分割得越细，出口处光强均匀性就越 好，但反射损耗增大，光能利用率降低。同时光束的衍射和干涉效应也是这种均 束器的影响因素。 。i i n c i 、 ls + l 、o 一、 三睦 、_ 二、o l 么 ，至= j 乏耋5 乏多矿、弋 氍矽。 、吣 = ：产己# = 毡 了s 一1乞一- 一。j 7二弋专 i e n gb e 纳 ，。，7 s - 2 图卜7 光波导的均束原理 4 、反射型面式带式积分镜均束装置 反射型面式积分镜是用小的方形或矩形镜片镶嵌在聚焦二次曲面( 双曲面、 椭球面或抛物面) 上构成的镜面，如图1 8a 所示【3 1 1 。由于镜片镶嵌的方法是在 球面镜基体上采用环氧树脂粘上等尺寸的小镜片。该技术存在的问题是：制造复 杂，粘结剂在高功率激光束的照射下易退化变质，小镜片在高功率激光束的照射 下将吸收激光的热量，粘结剂不易散热，将造成小镜片的变形而引起差的聚焦质 量，影响使用效果。而反射型带式积分镜【3 2 , 3 3 】( 如图1 8b 所示) 是在一维方向 对光束进行积分，可采用金刚石车床在球面或非球面基体上一次加工成型。 图1 - 8a 反射型面式积分镜结构图 6 第一章绪论 图1 - 8b 反射型带式积分镜结构图 5 、随机位相板均束器 随机位相板”( r a n d o mp h a s op l a t e s ，简称r p p ) 是由许多按列阵形式捧 列的小位相单元组成，每个小位相单元随机地被选择对入射的激光光束引入0 或 nq 阶) 的位相延迟，经聚焦透镜聚焦到靶面上，形成光强均匀分布的光斑。这 种方法由y k a t o 于1 9 8 2 年最先用于i c f 实验中，在过去二十年中得到了广泛的 应用( 基本上是用于i c f 中) 。 0 或n 的位相延迟通过镀膜来实现，如图i - 9a 所示为一块二阶随机位相板， 黑色表示镀膜区域，白色表示未镀膜区域。平行激光光束经随机位相板后被分割 成若干个小单元，每个小单元在靶面上形成夫朗和赞衍射图样，同时各单元的夫 朗和费衍射图样相互干涉，所以靶面上的光强分布是由夫朗和费衍射图样经多缝 干涉调制共同作用的结果，如图l _ b 所示。结果可以通过计算机模拟实现。 图卜9a 二阶随机位相板 图卜9b 随机位相板均束器光学系统 6 、二元光学元件 二元光学元件刚1 ( b 岫a r yo p t i c a le l e m d a t ，简称b o e ) 是指基于光波的衍 射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成( v i s d 电路制作工艺，在 片基上( 或传统光学器件表面) 刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成 天津工业大学硕十学位论文 纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件口9 1 。二元光学元件是 由纯衍射光学理论设计而来的，它的光学系统图如图1 1 0 所示。这里b o e 对一 块平板刻蚀，形成厚度不均的阶梯形板。 l 暑m b e 锄a n 管髓c u l )， 匡 ， l ， 多 乡 鹾 卜一l _ f 眈h “k 以 i 图卜1 0 二元光学元件的光学系统图 图中紧帖b o e 后波函数u 1 ( x l ，y 1 ) 和靶面上的波函数u 2 ( x 2 ，y 2 ) 分别为： u 。g ，y 。) = 爿，g 。，y 。) e x p 眵，g 。，y 。) 】 ( 1 1 ) u ：g ：，y ：) = a 2 g ：，y ：) e x p 矽2 g ：，y ：) 】0 - 2 ) 对激光来说，因为是平行光入射，( p l ( x l ，y 1 ) 即为b o e 的位相，任一点的位相 与b o e 在这一点的厚度成比例，所以知道了b o e 的位相函数也就知道了b o e 的厚度分布。上式u l 跟u 2 之间利用菲涅耳衍射积分公式可建立等式( 卜3 ) 的 关系。如果已知u 2 ( x 2 ，y 2 ) 及u l ( x l ，y 1 ) 中的振幅值a l ( x l ，y 1 ) 就可以计算b o e 的 位相函数9 l ( x b ，y 1 ) 。 嘛小掣唧胁+ 尤) m 3 、 缈) e x p 匮k 埘) h 等g l x 2 + y l y 2 ) 卜， 去反解式( 1 3 ) 是很困难的，而且考虑到b o e 是位相离散化了的一种元件， 人们为此利用各种优化算法如g s 、y g 、s a 、g a 、h c 以及它们的混合算法来 计算b o e 的离散位相值。 7 、因“光而异的激光均束技术 综上所述，激光均束可通过多种方式来实现，相关报道也已经验证了这些均 束技术的可行性。但并不代表每种方式都可以应用在任何激光器上，所以在考虑 采用何种方式之前，我们需要掌握均束对象，即原始激光束的各种参数。 例如，作为光学设计的一部分，激光均束技术是通过几何光学和物理光学来 综合评定均束效果的。单模高斯光束( 特别是基模高斯光束) 相干性好，其物理 光学中的衍射效应就比较明显，所以适合采用随机位相板和二元光学元件这些基 于衍射理论设计的均束技术来实现；而多模高斯光束的相干性稍差一些，衍射效 8 第一章绪论 应影响较小，光路设计可通过几何光学的光束追迹法来实现，如透镜光楔列阵 型积分镜、光波导均束器以及反射型面式带式积分镜均束装置。 激光功率也影响均束技术的选择。应用在大功率激光器上的光学镜片存在一 个散热差的问题，特别是在工业应用中，长时间连续工作情况下，镜片表面增透 膜容易受损，透过率降低，从而影响使用寿命，采用反射型均束装置可以更好地 实现水冷。 激光均束技术中的器件往往结构复杂，需要采用一些特种加工工艺来实现， 如非球面反射镜和反射型带式积分镜一般由金刚石车床切削成形，透镜列阵型积 分镜、随机位相板均束器、和二元光学元件则通过光刻的方法来制作：有一些设 计出来的图纸在现有工艺条件下不一定能实现。可以说加工技术和加工成本是均 束技术发展的一个瓶颈。 1 2 2 振荡光束优化系统 1 、机械式或电磁式振镜 通过机械或电磁振动方式驱动两块互相垂直放置的平面镜( 曲面镜) 。先把 光束沿一个方向展宽，后又将它向另一个方向展宽，形成方形光斑。它能形成 1 0 x1 0 - 2 0 x 2 0 m m 2 方形光斑，需与万瓦级激光器配套使用。这种光斑由于机械惯 性，两侧强度偏高，扫描频率低于2 0 0 h z ，见下副4 4 1 。 图1 - 1 1振镜扫描工作原理 2 、光学转镜 它以多面体棱镜作为扫描元件，把光束展宽成线形光斑、条形光斑，光束呈 扇形。焦线位置可调，整形后的光斑尺寸与入射光尺寸无关，可实现对基模、多 模等形式光束的优化，功率适用范围从千瓦到万瓦，光斑扫描频率可达1 0 0 0 h z ， 扫描原理如下图所示h 5 1 。 9 天津工业大学硕士学位论文 图1 - 1 2激光扫描转镜工作原理图 1 3 课题研究的主要内容 该课题是天津工业大学激光技术研究所作者导师主持的天津市自然科学基 金项目“激光复合制备铜基表面n i - c o - c r 合金熔覆层研究”( n o 0 8 j c y b j c 0 9 2 0 0 ) 中“激光束优化 部分的研究，主要研究内容包括： 1 ) 分析目前国内外激光束优化系统研究现状，找出这些激光束优化系统在 激光热处理应用中存在的问题。 2 ) 针对光束优化系统在激光热处理应用中存在的问题寻找解决办法，提出 了相应的解决方案：激光扫描环形光斑和线形光斑。 3 ) 阐述环形光斑和线形光斑的扫描原理，依据温度场的叠加原理建立环形 光斑和线形光斑温度场的数学模型，并用数学软件分别模拟出光斑的温度分布， 从理论上表明两种方案的可行性。 4 ) 在上面所做工作的基础上，研制能实现激光扫描环形光斑和线形光斑的 光束优化装置，并对装置的模型进行运动仿真。一 5 ) 对扫描环形光斑激光束优化装置进行原理性实验研究，分析聚焦光斑与 扫描环形光斑在激光淬火中对材料的热作用效果。 1 0 第二章激光热处理光束优化相关理论 2 1 概述 第二章激光热处理光束优化相关理论 激光热处理中，金属材料的激光淬火是一项重要的内容。实验研究表明，如 果不对激光淬火提出过高的要求，利用连续输出功率在千瓦级的c 0 2 激光设备 进行铁基材料表面的热处理并不困难。然而，不同激光设备之间的工艺移植并非 易事。即使是同一台激光设备，采用同一个热处理工艺，对同类工件进行同样的 处理，也会得到有时是不能忽视的热处理差别。工业生产中，维护激光淬火工艺 的可重复性是保证产品质量的需要。但是，对激光淬火的深入研究表明，这是一 个涉及光束质量、工件的热物理特性、工件的几何形状以及光作用方式等众多因 素的复杂技术，对设备的配置以及操作人员的素质都有很高的要求。设备昂贵和 技术复杂的问题较大幅度地提高了工件热处理的成本，降低了这项技术对传统热 处理工艺的竞争力。也许，这就是这项技术未能迅速推广的主要原因。 但是，激光淬火跟其它传统的热处理工艺相比( 例如工件整体的盐浴淬火、 工件表面的感应淬火) ，它具有可以精确控制热处理区域及工件热变形小等一系 列优点。只要能够较好地控制激光淬火的工艺过程，原则上可以用价格便宜、易 于加工的材料制造工件的基体，在工件的关键部位用激光进行处理，便能显著提 高产品的质量，简化工件的生产工艺，降低工件的成本，增强激光淬火对其它传 统热处理工艺的竞争能力。 为控制激光淬火工艺，必须研究激光淬火的物理过程。根据材料的相变理论 ( 例如铁基材料的马氏体相变) ，同类材料经热处理后得到不同的淬火组织主要 是观察区域经历了不同的热循环所引起的。所谓激光淬火工艺的可重复性及可移 植性较差，是热处理的过程中实际上未能准确控制工艺条件的结果。因此，找出 影响被处理区域热循环的主要因素，建立控制这些因素的实际手段，是这项技术 可以在工业上推广应用的重要环节。 理论及实验研究表明，材料被处理区域热循环的变化取决于作用光束、作用 时间( 或光束对材料表面的扫描速度) 、被处理工件材料的导热性能以及工件的 几何形状等多重因素。因此，对热循环的控制事实上是对这些因素的综合控制。 但是，在这众多的因素中，保证工件的几何形状、导热性能以及作用时间等参数 的一致性相对于保证作用光束参数的一致性而言比较容易。因此，本文将侧重于 对激光热处理中作用光束进行研究。下面从光束的功率密度分布及光斑的形状尺 天津工业大学硕士学位论文 寸对激光淬火的影响进行讨论。 2 2 激光功率密度分布对热处理结果的影响 激光光束的功率密度分布是由光束的横模( 通常简称“模式”) 决定的。 根据激光理论，激光光束的模式主要取决于激光谐振腔的结构形式。由于不同型 号激光设备谐振腔的结构通常不同，因此，输出光束的模式也不相同。在激光对 金属材料进行热处理的情况下，激光模式结构的差异必然引起热作用的差异。因 此，不但激光设备之间热处理工艺很难存在一种简单的移植关系，甚至对于同一 台设备，由于作用光束的功率密度分布在形式上以及范围上都随光束功率发生变 化，这必然对工艺制定带来极大的不便。 鉴于事实上激光淬火通常采用激光对材料表面进行扫描的方式，现进一步讨 论在扫描作用方式下光束功率密度分布的变化对热处理的影响。为简明起见，下 图2 1 a 绘出了三种功率相同但功率密度不同的光斑能量分布剖面曲线。其中， 光斑1 为功率密度分布均匀的矩形光斑；光斑2 为右端有能量极大而左端能量极 小的光斑；而光斑3 为能量分布与光斑2 镜像对称的另一种形式。假设让这三种 光斑均沿右方对同种铁基材料进行扫描淬火热处理，理论分析求得在同一观察位 置的热循环曲线图b ，以及某一时刻材料热影响区温度沿深度方向的变化曲线图 c 。如果假设热循环曲线中三种曲线的峰值均超过了马氏体相变的临界温度a c l ， 比较三条曲线可以看出，光斑2 对保证碳的扩散时间优于其余两种光斑。但是， 如果逐步降低作用激光的输出功率，光斑3 则可以相对于其余两种光斑在较小功 率的条件下实现材料表面的相变硬化。 光斑1 k 盏 o a 光斑能量分布剖面图 时一l b h 箸 o 一 耀爱r a m c 图2 1 三种功率相同但功率密度分布不同的光束在同一热处理工艺条件下的热作用比较【5 】 1 2 第二章激光热处理光束优化相关理论 虽然，这个简单讨论是在三种人为的理想化假设下进行的，但对问题的研究 不失一般意义。因为在激光设备的实际使用过程中，激光谐振腔通常不可能保持 在理想状态，轻微的失调不但降低了激光设备的电光转换效率，同时会破坏光斑 功率密度分布对称性，而光束功率密度的非对称会导致在同一激光输出功率段从 同一设备获得功率密度分布差异甚大的光束。根据上面分析，利用这种光束进行 热处理时，工件表面的处理结果与光束的扫描方向有关。 2 3 光斑形状对激光热处理结果的影响 利用光束优化技术，产生矩形光斑或线形光斑的宽光束，可对金属材料进行 大面积的表面热处理。光斑形状不同，所产生的温度场和热处理效果也各异。典 型的光斑形状有四种，如下表所示。其中a 型光斑为线光斑，b 型光斑代表组合 积分镜产生的大方光斑，c 型光斑代表积分镜产生的小矩形光斑，d 型光斑近似 表示聚焦法产生的离焦光斑。下面通过理论分析来对四种光斑进行对比研究。 表2 - 1 四种典型光斑及参数晰】 t a b e l2 1g r a p h sa n dp a r a m e t e r so ff o u rf a c u l a s 光斑类型线形光斑a方形光斑b矩形光斑c聚焦光斑d x t 节 c i 口 l r 缀缀 高垛 为髟 口 光 xl l 一 钐钐 v ； 斑 f i j l 2 0 一l y 尺 i 卜 一 甜 lb 寸 2 b = 2 0 m m 2 1 = l m m2 b = 2 0 m m2 b = 5 m m 2 1 = 2 0 m m2 1 = 4 m m 由于激光加工中的光源与分子、原子相比尺寸大得多，因而可以把光束看成 原子热源，把材料看成连续介质，应用宏观热传导方程描述j 光斑作为运动的面热源，以u 速度沿x 轴运动，光源尺寸- l g s l ，- b y 9 ， 其内光强均布，见下图。 天津工业大学硕士学位论文 b r - 1 l x 1r - b 矽 j 三 ， r 一 力 , ； ，r ， i x ：z u t 1 y 。y i fz=z l 令p 为总激光输出功率，为吸收率，引入无量纲因子： x ：旦x r ；y ：旦y t ；z ：旦z t ；：旦，；b ：旦6 ：缈：堡j 2 0 r2 0 r 。2 0 r2 c t 2 0 t2 口 则连续加热稳定条件下，矩形激光光斑的温度场公式为： 哪一z ，= 孟匆砷帕万( 警) 一万( 害) 】 m 岩 一万( 筹 参 其中：c 为材料比热，p 为密度，a = k c p ，0 【为热扩散率，k 为导热率， f p 矿g ) = 去f p d r 为误差函数。 v 么刀i 根据上面推导出来的温度场公式，设定一些参数在计算机上可模拟出四种典 型光斑的温度场分布图如下所示。 图2 3a 、b 、c 、d 四种光斑的温度场分布【蛔 1 4 第二章激光热处理光束优化相关理论 从上图可以看出温度场分布特点：沿x 轴( 光束行进方向) 温度分布不均匀， 存在加热峰，峰值位于光源尾部。光束越窄( v o 越小) ，u 值越大，加热峰越尖 锐，冷却速度越高，有利于快冷淬火。线形光斑2 i 最小，加热峰值趋于光斑中 心，加热效率高；方形、矩形光斑2 l 大，加热峰值向光源尾部偏移较大，热效 率没有线形光斑热效率高。 峰值温度z 正比于- 兰= = ，减小光斑行进方向2 ，的尺寸，在疋保证不变情 。 2 b 2 1 u 。 况下，可使所需的入射功率减小。对于国外的大方形光斑，其2 0 2 0 r a m 的光斑 尺寸，必然要求相当于线形光斑所需淬火功率的2 0 倍，才能达到所需的功率密 度。若用2 k w 功率水平的激光器进行热处理，其功率密度在大方形光斑下不足 以淬火。显然采用线形聚焦光斑是开展千瓦级宽带热处理的一条有效途径。 2 4 激光光束的优化变换 对激光相变硬化带进行分析可以发现，经同一功率，而功率密度分布不同的 光束作用以后，相变硬化带形貌特征以及力学性能可能有明显的差别。一般来说， 利用直接来自激光器的或者通过简单聚焦系统的光束，材料经热处理后相变硬化 带的形貌为中央较深的月牙形，与通常情况下希望经过热处理后获得一个均匀硬 化带的愿望有较大的距离。 进一步研究表明，由于不同工件的形状及使用环境的千差万别，一种工件有 可能对应于一种优化的硬化带要求。理论上可以证明，每种优化的热处理期待值 事实上对应于作用光束的一种特定的功率密度分布。换言之，如果不只满足于激 光淬火过程的实现，而期望获得一个优化的热处理结果，存在一个对光束功率密 度分布进行优化变换的问题。那么，什么样的光束是优化的呢? 通常，人们认为 在激光热处理时作用光束在材料表面形成截面为方形或矩形的均匀光斑是一种 较理想的光束结构。为此，多年来，国内外研制出了不少光束变化系统( 例如非 球面镜、光波导镜、反射式面式带式积分镜、光楔列阵均束器、二元光学元件