（光学工程专业论文）横流co2激光聚焦系统光学设计及模拟.pdf

横流c 0 ：激光聚焦系统光学设计及模拟 摘要 高功率横流c 0 2 激光器在激光切割、焊接和热处理等工业加工领 域，发挥着愈来愈重要的作用。在激光加工中，影响激光材料加工主 要有两方面因素，一是光束质量，即激光束输出的稳定性和光束模式 结构，另一方面是聚焦后的光束强度分布，即聚焦系统的影响。激光 束通过聚焦系统聚焦到工件表面，良好的激光聚焦特性是获得高质量 激光热处理的关键因素。以往的激光加工用聚焦系统在设计时一般都 是以基模光束为参考，而来自激光器的光束通常不是理想的基模高斯 光束，而是复杂的混合模，所以其聚焦效果不甚理想。通过对新型激 光聚焦系统的分析和设计并改进其聚焦特性，对于推进激光热处理技 术的广泛应用具有重要意义。 本论文在深入了解激光热处理原理和工艺的基础上，利用新型激 光束模式监测仪实时检测了激光加工中的光束模式变化，分析了激光 模式对激光淬火效果的影响。再通过衍射计算、有限元法和实验结合 的手段，分析了聚焦系统对激光热处理的影响，验证了衍射计算和有 限元模拟的准确性。重点设计了_ 种分束叠加聚焦系统用以改善光斑 功率密度分布，通过衍射计算、有限元法结合的手段，对其进行检验 分析，衍射计算结果表明，在观测平面的激光光强分布只有较小的起 伏，聚焦后的光斑光强分布相对比较均匀，峰值相对标准偏差为3 2 1 ， 聚焦效果较好。有限元数值模拟结果表明，整个熔池表面的温度分布 浙江工业大学硕士学位论文 差异变小，以光斑为中心，熔覆层左右两侧的温度呈对称分布，聚焦 系统的聚焦效果良好。 关键词：激光加工，光束模式，激光束变换，衍射计算，有限元模拟 浙江工业大学硕士学位论文 t h eo p t i c a ld e s i g na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ff o c u s i n gs y s t e mi n t r a n s v e r s ef l o w c 0 2l a s e r a bs t r a c t h i g hp o w e rt r a n s v e r s ef l o wc 0 2l a s e r sa r ep l a y i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e si ni n d u s t r i a lp r o c e s s i n gf i e l d ss u c ha sl a s e rc u t t i n g ，l a s e r w e l d i n ga n dl a s e rh e a tt r e a t m e n t t h e r ea r et w om a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g t h eq u a l i t yo fl a s e rp r o c e s s i n g o n ei sl a s e rb e a mm o d e ，a n dt h eo t h e ri s o p t i c a lf o c u s i n gs y s t e m ：t h eg o o df o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i ci st h ek e yf a c t o r t oo b t a i nh i g hq u a l i t yo fl a s e rh e a tt r e a t m e n tw h e nt h el a s e rb e a ml o c a t e d o nt h ew o r k p i e c e st h r o u g ht h eo p t i c a lf o c u s i n gs y s t e m 。p r e v i o u s l yt h el a s e r m o d ew a sr e f e r e n c e da sf u n d a m e n t a lm o d ei no p t i c a ld e s i g n i n g ，h o w e v e r t h eb e a mw a su s u a l l yt h eh i g ho r d e rm u l t i m o d e ，t h e r e f o r et h e r ew e r e e r r o r sb e t w e e nc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f f o c u s i n gs y s t e m ，a n di m p r o v e m e n ti nf o c u s i n gc h a r a c t e r is t i c sa r eo fg r e a t i m p o r t a n c et ow i d ea p p l i c a t i o no fl a s e rt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fd e e p l yu n d e r s t a n d i n go ft h ep r i n c i p l ea n dt e c h n i c so f l a s e rh e a tt r e a t m e n t ，e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oe x a m i n et h ev a r i a t i o n s o ft h ec o n t i n u o u sw a v ec 0 2l a s e rb e a m p r o f i l ed u r i n gt h el a s e rq u e n c h i n g ! i i p r o c e s s ，a n dt oa n a l y z et h ee f f e c to fl a s e rm o d eo nt h eu n i f o r m i t y o f q u e n c h i n gh a r d e n e dl a y e r s i nt h i sp a p e r t h e nb yt h ec o m b i n a t i o no f d i f f r a c t i o n c a l c u l a t i o n s ， f m i t ee l e m e n tm e t h o d s i m u l a t i o n s ， a n d e x p e r i m e n t s ，t h e d i f f r a c t i o nc a l c u l a t i o n sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d s i m u l a t i o n sw e r ep r o v e dg o o dm e t h o d st o t e x tb e a mt r a n s f o r m a t i o ni n f o c u s i n gs y s t e m as p l i t t e r - r e f l e c t i o n - s u p e r p o s i t i o nf o c u s i n gs y s t e mw a s e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d t oi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yi n t e n s i t y t h e f o c u s i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r et e s t e db yd i f f r a c t i o nc a l c u l a t i o n sa n df i n i t e e l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o n s t h ed i f i r a c t i o nc a l c u l a t i o n sr e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h eb e a mi n t e n s i t yw a sf l u c t u a t e ds l i g h t l yo nt h ev i e w i n gp l a n e ，t h e b e a mi n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n sw e r ec o m p a r a t i v e l yu n i f o r m ，a n dt h es t a n d a r d d e v i a t i o no fp e a kv a l u ew a s3 21 t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n si n d i c a t e dt h a tt h et e m p e r a t u r eo nt h es u r f a c eo fm o l t e np o o l d if f e r e dl i t t l e ，a n da tb o t hs i d e so ft h eb e a m s p o tc e n t r et h et e m p e r a t u r ew a s a l m o s tt h es a m e t h ef o c u s i n gs y s t e mw a sp r o v e dg o o d k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ，b e a mm o d e ，l a s e rb e a mt r a n s f o r m a t i o n ， d i f f r a c t i o nc a l c u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o n i v 浙江工业大学硕士学位论文 以、以、l 、屯：热传导系数 a ：热扩散系数 五：波长 k ：波数 p ：物体密度 c ：比热 g ：热流密度 厅：对流换热系数 h ：始 s ：物体辐射发射率 盯：斯蒂芬玻尔兹曼常数 尸：激光功率 吣、甜( x ：光波场振幅函数 f o x 、q ，f o z ：光斑尺寸 ，：光强 t e m ：横向电磁模 z l a ：位相差 ，7 ：激光能量不均匀度 符号说明 v i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c 0 ：激光器的应用背景 c 0 2 激光器是目前研究较多、应用较广泛的一类气体激光器，它以输出功率大、 工作效率高而著称，成为世界激光市场的主力。其结构种类多，工作方式多样， 适合于各种不同应用领域的要求，是最有实用价值的激光器之一，尤其在工业加 工、激光通讯、激光雷达等方面的应用更为突出。 高功率c 0 2 激光器工业应用很广，主要用于激光切割、激光焊接和激光表面 处理等领域。激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用 与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相 对运动，从而形成一定形状的切缝。高功率c 0 2 激光器目前主要用于各种材料切 割，主要包括汽车工业三维仿形切割和高精度切割，特殊材料的切割，如网状过 滤介质、纤维加强材料和复合材料等。激光焊接利用高能量密度激光束，将工件 材料熔融而焊接在一起，可以使焊件热影响区与变形量均降至最低，且无需使用 焊剂或异种材料，其接合强度特别牢固。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、 热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为 金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工 业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材 料。高功率c 0 2 激光器主要用于汽车工业、钢铁行业以及航空航天领域中常用金 属如铝合金、钛合金、不锈钢的焊接。激光表面处理是利用高功率激光束，作用 在工件表面，获得硬化的一薄层，熔融层与硬面合金材料交互熔融成冶金结合， 达到硬化处理的效果。千瓦级c 0 2 激光器用于材料表面处理技术，主要包括激光 变相硬化，激光重熔和合金化，激光涂覆和表面清理等。 1 2 激光聚焦系统的概况 为了使激光器输出的激光能够进行实际的激光加工，需要把激光束传输到不 同距离的工件表面，并且使光束具有一个特定的与给定工艺相适应的功率密度， 利用直接来自激光器的光束或者通过简单聚焦系统进行变换后的光束通常不能满 浙江工业大学硕士学位论文 足要求。传输过程中，根据不同加工的需要，必须借助于各种聚焦系统对激光束 进行变换，才能获得所需要的功率密度甚至各种光强分布图样【1 翻。 目前常用的激光加工用聚焦系统主要有3 卅： l 、离焦系统 进行大面积表面处理最简单的光路是采用离焦光斑，即将被处理表面沿光轴 偏离聚焦光学系统的焦斑平面一段距离。通过改变离焦量可以改变光斑的面积， 但是光斑的能量分布决定于激光束的功率输出以及光学模式，以光斑中的位置能 量分布而言，一般来说( 尤其是基模光束) 是很不均匀的，且随时间而变化。在 各种激光模式中，多模激光的功率密度分布比基模要相对均匀，因此该激光束处 理技术与系统，仅适用于多模输出的激光器。 2 、振镜系统 往聚焦光路内设置振动镜，可以使聚焦或离焦光斑以一定频率在被处理表面 扫描。采用一面振镜系统可在一个方向形成光带；采用二面振镜，可以使光斑在 二个互相垂直的方向扫描，如图1 1 所示。 振镜的振动通常采用电磁根子带动反射镜来实现。用于大功率c 0 2 激光系统的 振镜，考虑到耐热和导热的要求，常用铝镜或铜镜，质量较大，从而限制了其固 有频率。 图1 1 振镜系统示意图 3 、转镜系统 采用高速旋转多棱镜反射激光时，反射光以高重复频率在一定范围内扫描。 如图l i 2 所示，棱面与转轴倾斜一定角度，从而缩小了扫描宽度、减少了棱面数目。 该装置将聚焦光束以一定速度在表面单坐标单方向重复扫描，形成光带，工件再 垂直于光带运动，光束的焦斑平面处在棱面与工件表面之间。调整他们之间的距 浙江工业大学硕士学位论文 离，可以改变工件表面扫描光斑直径及扫描宽度。在一定条件下，工件表面的扫 描光带可以具有清晰的、功率突变的边缘，不存在渐变过渡区。该类型装置具有 一定的柔性，其扫描光斑直径和扫描宽度可调、扫描频率较高，扫描光带内功率 密度分布的均匀性和边缘的清晰度都比较好；但结构复杂、使用不够方便。 一 图1 2 旋转多棱镜的扫描装置 4 、积分镜系统 积分镜通常以球面为基础，其排列有相同尺寸的方形小平面镜片，并用具有 一定导热性的环氧树脂将它们粘固成一体，如图1 3 所示。各块小镜片将傍轴投射 其上的平行激光束的一部分反射为一束矩形光束，各矩形光束在基体球面的焦点 处重叠为一矩形光斑，光斑尺寸等于小镜片的尺寸。改系统尽管入射激光束的功 率密度分布不均匀，各个反射的矩形光束的功率密度分布也不均匀，但是通过多 个矩形反射光束的叠加，其功率密度分布将趋向均匀。 积分镜可以得到边缘清晰的光斑，光斑内功率密度均匀分布。它不同于振镜 和转镜，没有运动部件，结构简单可靠。其效率比波导积分系统高，光斑尺寸不 易调节，柔性较差，适用于固定大批量生产的单位。 图! - 3 积分镜聚焦光斑示意图 浙江工业大学硕士学位论文 5 、波导积分系统 波导积分系统由一个具有高反射率的内表面且截面为方形的镜简和端部的透 镜组成。透镜将入射激光聚焦射入镜筒，通过管壁的反射，在镜筒的出口输出端 光强接近均匀分布。将待处理的工件置于镜筒的出口处，即可得到光强均匀分布 的光斑，如图1 _ 4 所示。 波导积分系统整个激光在镜筒壁上的反射时的吸收率较大，一般激光通过波 导积分系统总光能损失约在1 5 以上，该系统目前推广应用较少。 l 图l - 4 波导积分系统示意图 除此之外，为了适应激光在不同热处理中的应用，李俊昌等人 2 1 介绍了分割叠 像法，就是利用若干反射镜和凹面镜，将原始光斑分割成若干小单元，然后将所 有单元的光束叠加在工作平面上，以达到均匀分布的光斑；王智勇【7 j 等人介绍了带 式积分镜的设计方法，就是在二次曲面( 如抛物面、椭圆面、双曲面等) 反射聚 焦镜的回转方向相垂直的方向上采用多带反射斜面代替曲面，以使反射后的矩形 光斑功率密度均匀分布；黄雅峥等人【8 1 介绍了反射型正交双带式积分镜均束装置的 设计方法，利用两块相互正交的带式积分镜，使原始光束在水平和垂直两个方向 上的光强分布分别均匀叠加。 1 3 大功率激光光束强度分布检测概况 激光束模式的检测对激光加工具有很重要的作用。在相同激光输出功率下， 激光模式不同将导致激光热处理现象、过程以及结果的不同。不同激光器的模式 各不相同，即使对同激光器，不同功率下的激光模式也不尽相同。 1 3 1 聚焦后光强分布的检测方法 目前能直接用于检测激光功率密度分布的光束检测仪大多只能用于检测激光 浙江工业大学硕士学位论文 器输出端口的光斑模式，而与激光加工质量直接相关的是聚焦后的光强分布，所 以有必要研究激光束经过聚焦系统后的光强分布。 间接检测聚焦后的光强分布的有烧蚀法。w a n g 等j k 9 - z o 】用被测激光在一定时 间内辐照已知比烧蚀能的材料，如丙烯酸板等，通过检验激光照射后材料留下的 燃烧模式，结合烧蚀深度、辐照时间、材料密度和比烧蚀能便可计算材料上的激 光光强分布，由被烧蚀掉的材料质量，通过标定还可以得到激光的输出功率。高 淑娟【l l 】也利用这种类似的方法，在有机玻璃上烧痕，再通过计算机辅助模拟，给 出了激光束聚焦后的光强分布。但是这种方法实验者的依赖性很强。 利用空心探针扫描法【1 2 。1 6 】是另一种测量聚焦后光强分布的方法。固定在平动 台上的高速旋转空心探针扫描激光光束，同时，平动台作线性步进平动，这样可 扫描光束的整个横截面。探针的内部是可传输光的空腔，其两端是可传输光的反 射镜，探针表面能承受高功率密度的激光，探针前端表面有一微孔，穿过探针前 端微孔的激光，经探针内部的端反镜及探针内腔，反射到固定在旋转轴线上的光 电传感器，进行直接检测分析。通过改变探针的旋转速度和平动台的进给步长， 可在相当大的范围内调整检测窗口的大小：配合选用带不同直径微孔的空心探针， 既能检测光束又可测量聚焦光斑，并保证对不同直径的光束或聚焦光斑都有一个 恒定的高分辨率。但是使用转针扫描时，光束的图像是由光束扫描的逐渐增加才 获得，因此这种方法的速度有限，不可能测量一段时间内的激光功率起伏。 图1 - 5 空心探针扫描采样测量法原理图 李俊昌等人【2 ，1 7 。1 8 1 将几何光学为基础的空间光线追迹方法与衍射计算的菲涅 耳近似相结合，利用聚焦系统的光学特性，通过光学变换来计算激光束聚焦后的 光强分布，结果与用烧蚀法计算的光强分布相吻合，从而证明利用菲涅耳衍射公 浙江工业大学硕士学位论文 式来计算光强分布是可行的。 1 3 2 光强分布对激光加工的影响概述 激光光束的功率密度分布是由光束的横模决定的。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。不同的激光器输出光束的模式也不相 同，并且大多数激光器存在光强分布不均匀，激光加工一段时间后，激光模式发 生变化等问题，随着激光功率的变化，无论是功率密度还是光斑外轮廓均发生明 显的变化。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。李俊昌等人【2 l 从理论上详细的比较了不同能量密度分布的光斑对 于激光淬火硬化层均匀性的影响，从观察同一位置的热循环变化曲线出发，认为 功率密度理想均匀分布的光斑可以形成较为均匀的硬化带和良好的力学性能，而 功率密度不均匀分布的光斑的形成的硬化带也不均匀。 1 4 数值计算的方法及其在激光热处理中的应用概况 研究激光聚焦系统以及聚焦后的光斑功率密度是为了更准确的计算研究在激 光热处理时工件的非稳态温度场分布，预测熔化区和相变区的形状和深度。 目前，用以描述激光作用下材料温度场的模拟计算方法主要有两种：解析法 和数值计算法【l9 1 。虽然解析方法在物理概念、逻辑推理等方面清晰严谨，但是由 于激光热处理传热过程比较复杂，其温度场分布很难用经典的传热理论计算出精 确解，即使是有一些简单问题可以通过简化得到温度场的解析解，其计算公式也 相当复杂，很难满足工程应用的需要。数值计算方法是解决以上问题的一个有效 的方法。工程上关心的一般不是温度变化的方程，而是一个个离散点的温度值。 数值计算方法恰恰就是将求解区域划分为若干个小块和节点，然后把原有的控制 方程在各个小块和节点上进行推导。获得递推公式或方程。然后将这些方程或公 式组和求解，可以获得整个求解域内各点具体的温度值。随着计算机技术的日新 月异，数值计算方法也得到了飞速的发展。 用于温度场求解的数值方法有：有限差分法、有限容积法、有限单元法、有 限分析法等。其中，有限元法是目前使用最多的一种。 1 、有限差分法【2 0 1 ，( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d 加 6 浙江工业大学硕士学位论文 有限差分法是求偏微分方程数值解的最古老的方法。其基本思想是：先将求 解区域进行离散，同时将求解区域用网格线的交点( 节点) 所组成的点的集合来 代替，对于每个节点上的热传导方程的导数项用相应的差分和差商来代替，从而 在每个节点上可以形成一个代数方程，该方程中包括该节点和其附近节点的温度 未知量，求解这些代数方程组成的方程组就可以得到各节点的温度值。在规则的 区域上的划分结构化网格时，有限差分法是非常简单而且有效的。其不足是离散 方程的守恒性难以保证，而最严重的缺点是：其求解局限于规则的差分网格( 正 方形网格、矩形网格或者正三角形网格等) ，对不规则的区域适应性较差。并且 这种方法只看到了节点的作用，对于把节点联系起来的单元的特性没有考虑，而 这些单元正是构成整体的基本细胞，在计算过程中，单元会起到应有的贡献。 2 、有限容积法【2 ，( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 有限容积法是从热传导控制方程出发，对它在控制容积上作积分，得到离散 方程的一种方法。在积分过程中，。需要对界面上被求函数的本身( 对流通量) 及 一阶导数( 扩散通量) 的构成方式作出假设，针对不同的假设可以得到不同的格式。 该方法得到的离散方程可以保证具有守恒性( 只要界面上的插值方法对位于界面 两侧的控制容积是一样的即可) 。有限体积法对区域形状的适应性比有限差分方 法好，是目前普遍应用的方法之一。 3 、有限单元法 2 2 之5 1 ，( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m ) 有限单元法又称有限元法，其求解热传导方程的基本思想是：将原来在空间 坐标中连续的温度场，离散成一组有限个：且按照一定方式相互联接在一起的单 元的组和体，在每一个单元内部用假定的近似函数来分片的表示温度场，单元内 的近似函数通常使用单元节点的温度及其插值函数来表示，这样就可以将一个连 续的无限自由度的温度场求解问题转化成为一个离散的有限自由度问题，然后通 过单元及节点之间的联系建立方程组，求解后得到离散点上的温度值，然后通过 插值函数得到单元内温度场的近似解，从而得到整个温度场的解 实际上，有限元法是对古典近似计算方法的归纳和总结。它吸收了有限差分 方法中的离散处理的内核，又继承了变分计算中选择插值函数( 试探函数) 并对 区域进行积分的合理方法。插值函数是定义在单元内而不是整个区域，这样就克 服了古典变分法由于不作离散而不能求解复杂问题的缺点，在有限元法中由于对 单元进行积分，就充分考虑了不同单元对节点参数的不同贡献，从而克服了有限 7 浙江工业大学硕士学位论文 差分法中不考虑单元本身特性的缺点。 有限元法的最大优点是：对不规则几何区域的适应性好。是现在应用最为广 泛的数值方法之一。本论文也采用这种方法。 4 、 有限分析法1 2 6 j ，( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ，f a m ) 有限分析法与有限差分法、有限元法一样，用一系列的网格线将计算区域进 行离散，所不同的是在这种方法中，每一个节点与其相邻的网格节点组成一个计 算单元，即计算单元是由一个内点和若干相邻点组成，而不单单是有网格内部进 行。对于平面四边形网格，就是将一个中心点和八个相邻点组成一个计算单元， 在计算单元内将非线性控制方程局部线性化，对计算单元边界上的未知函数的变 化型线作出假设，把所选定的型线表达式中的常数或系数用单元节点的函数值来 表示，这样在该计算单元内可以将求解问题转化为第一类边值问题，设法找出其 解析解，并利用该解析式得到单元内点与相邻点之间的代数表达式，实现内点的 离散。 有限分析法是8 0 年代发展起来的一种数值方法，它克服了在高r e y n o l d s 数下 有限差分及有限容积法的数值解容易发散和振荡的缺点，但是其计算工作量大， 对计算区域几何形状的适应性也比较差。 对于激光热处理过程而言，激光束加热物体，通过激光能量的吸收和热扩散， 引起材料边界上和内部的热流运动，使得各处的温度不同程度的上升，其过程是 一个非线性的热传导过程。大量的文献【2 7 - 3 0 】都报道了利用有限元法来预测激光热 处理效果，石力开等人【3 l 】利用有限元法，采用三维单元，模拟了沉积3 1 6 l 不锈钢 直薄壁件的温度场，进而通过耦合研究其热应力及变形情况，模拟结果与实验数 据相吻合，从而利用说明有限元法研究激光热处理过程的正确性。 1 5 本课题的研究目的 本论文主要针对g f t - i v b 型高功率横流c 0 2 激光器开展工作。高功率c 0 2 激光器作为一种高能量源，具有功率大、方向性和单色性俱佳等优点，已广泛应 用于汽车、冶金、钢铁、机械、发电等行业中，对金属、非金属，尤其是对一些 关键零部件和易损易耗件( 如轴、齿轮、凸轮、针板、叶片、各类模具等) 进行 熔覆、表面处理、密封和高强度焊接等等。然而由于光束模式的不均匀和不稳定， 浙江工业大学硕士学位论文 经过聚焦系统的光斑功率密度分布不均匀，导致激光加工的质量下降和不稳定， 这已经成为制约激光加工技术发展的一个瓶颈。 在激光加工中，影响激光材料加工的主要有两方面因素，一是光束质量，即 激光束输出的稳定性和光束的模式结构；另一方面是聚焦后的光束强度分布，即 聚焦系统的影响，比如使用透镜来进行激光加工时，对加工性能带来影响因素有 工件对激光进行吸收的波长、决定能量大小的输出功率、脉冲输出功率的比例和 频率、表示能量强度分布的激光束模型、以及激光引起的热透镜效应等等。激光 束通过聚焦系统聚焦到工件表面，良好的激光聚焦特性是获得高质量激光热处理 的关键因素。光束质量的问题是目前国产激光器广泛存在的问题，比如，光强分 布不均匀，激光加工一段时间后，激光模式发生变化等，影响激光加工的质量， 而为了实现激光热处理的优化，必须变换作用在工件上的光束的功率密度分布， 因此通过聚焦系统对激光器输出的光束进行变换就显得非常必要。 本论文研究的目的是设计一种光学聚焦系统，用以改善经过聚焦后的激光光 强分布，获得功率密度均匀分布的光斑，再用数值模拟的方法验证其聚焦性能。 1 6 本课题的技术路线 激光模式检测与分析 f 激光熟处理 抛物面聚焦镜 篓一聚焦系统设计i i j 砼llf f _ j躺时斗瞥 i 躬砑 隋 l 不一验证结果 一 正 一有限元模拟 模式对熟处理的影响确 优 化 l 1 激光熟处理 止碉 正确性验证 浙江工业大学硕士学位论文 本论文的研究思路是围绕聚焦系统的设计展开的。首先分析了激光模式对激 光热处理的影响。在此基础上，为了获得良好的激光热处理效果，设计了新的激 光聚焦系统用以改善光斑能量密度分布，采用衍射计算与有限元模拟结合的方法， 检验聚焦系统的聚焦效果。 1 7 本论文研究的主要内容 本论文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章是绪论。本章主要介绍了目前常用的激光聚焦系统，以及数值计算方 法在激光热处中的应用概况。 第二章是激光模式的检测及其对激光热处理的影响。本章简单介绍了采用 i i v i c 0 2 b s 3 5 新型工业用在线光束分析仪实时检测g f t - i v b 型7 k w 横流c 0 2 激光器在激光加工中的模式分布情况，详细分析了在激光加工时的模式变化特征 及其对于激光热处理的影响。 第三章是基于衍射计算的反射式聚焦系统光束变换研究。本章主要根据菲涅 耳衍射理论，分析研究了抛物面反射聚焦系统的光学特性，详细的计算了实际检 测的高功率高阶混合多模激光束经过聚焦系统后的光强分布。 第四章是光斑强度分布对激光热处理影响的数值模拟。本章主要利用有限元软 件a n s y s 为分析工具，探讨了反射抛物面镜作用下，光斑功率密度对激光熔覆过 程的熔池区域温度场的分布的影响，并借助有限元分析手段结合工艺实验，分析 验证利用衍射理论计算光束变换及聚焦的合理性和正确性。 第五章是分束反射叠加型光路设计与模拟验证研究。本章主要针对功率密度 不均匀分布的输出光束，设计了分束叠加型光路聚焦系统，以达到光束功率密度 均匀分布的要求。然后根据衍射理论的和有限元法对其进行了分析和检验。 第六章是结语与展望。本章对全文进行了总结，总结了全文的主要研究内容， 展望了今后的研究工作方向。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 第二章激光模式的检测及其对激光热处理的影响 2 1 前言 在激光材料处理中，激光束的尺寸、功率密度的空间分布、激光和材料的相 互作用时间等基本参数，将对材料处理效果产生重大影响。激光加工系统只有在 输出高质量的激光束时，方能满足材料加工的要求【3 2 】。在激光的应用中，如工业 材料的激光加工，及激光功率空间输运等，激光的作用效果主要取决于传输到目 标上的功率密度，而目标上的功率密度不仅与激光输出功率有关，也取决于激光 束的质量，因此同功率一样，光束质量也是决定强激光系统综合性能的重要指标 【3 3 1 。研究表明激光淬火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1 2 】。 目前，对激光淬火的相关研究大多侧重于激光扫描参数( 激光功率和扫描速 度) 与硬化层尺寸( 层深和带宽) 。的相互关系，而对于硬化层分布均匀性问题较 少涉及。毫无疑问，在层深相同的前提下，分布均匀的硬化层有利于进一步提高 工件的耐磨性，延长其使用寿命。因此，硬化层分布的均匀性也是衡量激光淬火 质量的重要指标之一。本文针对4 5 钢试样进行了激光表面淬火实验，使用基于焦 热电相机的在线光束分析仪观察激光淬火过程中激光束的模式变化，实时检测激 光能量分布情况，分析激光能量空间分布对于激光硬化层均匀性的影响，为后面 利用聚焦系统改善光斑功率密度分布提供前提条件。 2 2 实验准备与过程 2 2 1 买验准备与方法 实验用的激光器是最大输出功率为7k w 的l e og f t - i v b 型横流c 0 2 激光器， 激光淬火时使用s i m e n s 数字控制台。光束经由一系列铜镜传输并聚焦，采用球 面反射聚焦系统，焦距为4 0 0 m m ，光斑尺寸为1 2 m m 1 2 m m 。 实验中采用i i - v i - c 0 2 - b s 一3 5 新型工业用在线光束分析仪( l a s e rb e a m a n a l y z e r ，l b a ) 监视和分析热处理过程中的实时激光束模式变化情况。仪器安置 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 在沿激光耦合输出端附近的光路上，如图2 1 所示。实验过程中可以同时进行激光 在线检测和激光金属材料热处理，且两者互不影响。光束分析仪内部采用g a a s 分 束镜，入射的高功率激光束经过反射镜反射到分束镜，只有小于0 3 的入射光束 被透射到低功率区，剩下的9 9 7 反射到高功率区的主光路上，而透射的光束再经 过1 1 0 0 0 0 0 的衰减照射到焦热电相机，由c c d 感知后再经i e e e1 3 9 4 火线传输到计 算机，如图2 2 所示。实验时每秒钟记录3 2 帧强度为1 2 4 x 1 2 4 的图像。在激光淬火过 程中可以测量并记录如光束尺寸，实际传输功率，模式结构，光束峰值和峰值位 置等关键的参数。 图2 1 激光淬火在线监测示意图 图2 2l b a 结构原理图 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 实验过程 实验记录的激光模式可由二维的基于像素的彩色云图和三维的彩色等高云图 分别给出。在实验时先根据功率计校准l b a 的实际传输功率。实验是在不同的光 功率下完成的，且0 5 0 0 w 、1 0 0 0 w 、1 5 0 0 w 、2 0 0 0 w 、2 5 0 0 w 、3 0 0 0 w 和3 5 0 0 w 。 激光束在不同功率条件下直接辐照1 0 0s 做一次记录。基本的光束参数如光束尺寸、 总功率、功率密度峰值及等效中心位置等可以从记录的图像上提取，这些图像是 由相机以每秒3 2 帧的速率拍下的。通过激光束分析驱动软件，可将关键的光束参 数提取出来并进行统计和处理。在计算光斑的尺寸时，采用二阶矩法，定义为在 激光剖面上光束光强分布在z 枷方向上的标准偏差的四倍。z 和y 方向上的光束宽度 分别为： a ，i = 4 c r y , d 口y = 4 c r y ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 光束横截面上的强度分布的二阶矩为 ，f f ，( 工，y x z i ) 2 d x d y ，r 一j j ：一 q 一胪( 五y ) d r d y ( 2 3 ) i i l ( x , y ) ( y 一力2d x d y = = ；耳一 舭工y ) d x d y ( 2 4 ) 实验的目的是为了考查激光的能量空间分布对激光淬火均匀性的影响。实验 材料为4 5 钢，试样尺寸为1 0 0m mx 4 5m mx 1 2m m ，待处理表面用金相砂纸打磨 并用酒精清洗干净后，在试样表面喷涂自制的黑色吸光涂料，在室温下晾干。实 验时激光扫描速度保持在2 0 0m m m i n 不变，调节激光功率分别至3 0 0 0w 、2 5 0 0w 、 2 0 0 0w 各扫描一次，以便研究不同的激光功率对淬火硬化层深度的影响。激光淬 火后将试样沿垂直于激光扫描方向和沿激光扫描方向各切成小块，经金相砂纸研 磨和抛光机抛光处理，用5 硝酸酒精溶液腐蚀i 然后观察并分析淬火层形貌。 2 3 实验结果与分析 2 3 1 激光模式分析 图2 3 显示2 0 0 0w 时所记录的二维和三维激光模式图。彩色等云图表示功率 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 密度分布，单位为m w c m 2 。由图可知，激光器输出的光束呈复杂的高阶模式，在 光斑截面上有多个能量极大值，激光束横模的外围轮廓是呈矩形分布，由于是高 阶混合多模，所以结构和图形都比较复杂。当激光器的光束功率由5 0 0 w 变化到 3 5 0 0 w 时，光斑功率密度、模式均发生明显变化，但是光强分布强弱变化范围差 异较小，如图2 4 所示。在每个给定的功率下记录的1 0 0 0 组数据中统计计算出激 光束平均功率和平均光斑尺寸，如图2 5 所示，结果表明光斑的x 向平均尺寸从 5 0 0w 时的2 0 8 m m 增加到了3 5 0 0w 时的2 9 0m m ，y 向平均尺寸变化不大，基本 保持在2 8 5m m 左右，光斑尺寸标准偏差的最大值在x 、y 向都出现在激光功率为 1 0 0 0w 左右。另一方面，高的激光功率引起大的功率偏差( 从5 0 0w 时f l 勺+ 7 1w 到 3 5 0 0w 时的4 - 1 2 4w ) ，但是偏差的相对值事实上是随功率的增加而减小的。 在激光加工中，为了准确的描述光强空间剖面分布均匀性，引入不均匀度【3 4 】 来表示空间光强分布的差异。 叩= k 。、一k i t ( 1 m 。+ i m i 。)( 2 5 ) 式c s ，如i 。分别为最大和最小光强。，7 越小，则光强剖面越均匀。 根据式( 2 5 ) ，可以计算所检测激光光斑的不均匀度。图2 - 6 显示的是光斑 功率密度不均匀度随激光功率变化的图示，从图中显示，激光不均匀度维持在q 5 以上，说明光强分布不均匀。输出光束的不均匀与增益因素、放电毛细管的粗细、 内部衍射损耗、气体成分等因素有关，而极大峰值通常被认为是由于激光器泵浦 不连续的抽运机理所导致的。 图2 - 3 功率为2 0 0 0w 时的二维( 左) 、二维( 右) 激光模式图 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 4 功率为3 0 0 0 w 时的二维( 左) 、三维( 右) 激光模式图 4 0 3 5 3 0 e 6 2 5 占 鼍2 0 el5 器 1 0 o 二- 一三丰t 圭三每多乏一 工_ lj l i 一， 一亍工旷 么掣二 厂 m 垂y 一 么厂画r _ 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 l5 0 0 10 0 0 5 0 0 o 05 0 01 0 0 015 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 l a s e rp o w e r ( w ) 图2 5 不同给定功率下的平均光斑尺寸及其标准偏差以及给定功率与实际平均功率的关系 o 了 o6 o 5 o - 京o 3 f 饕。二 o1 o 一。 一 - 一 05 0 01 0 0 0l5 0 0 2 0 0 0 ：5 0 0j 0 0 03e o o 4 0 ( 0 l a s e jl a o v e e i ( w ) 图2 6 光强不均匀度随功率变化示意图 2 3 2 激光淬火硬化层分析 般来说，利用直接来自激光器的光束或者通过简单聚焦系统的光束，材料 一一矗o(i d 警矗 浙江- t 业大学硕士学位论文 经淬火处理后相变硬化带的形貌为中间厚、向光斑两侧边缘逐渐变薄的“月牙形” 硬化层 2 , 3 5 ，其原因在于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；而越靠近光斑两侧边缘，基体横向热传导越强烈，使 许多热量向两侧散失，导致纵向传递的热量减少，造成等温线涉及的深度逐渐变 浅，即硬化层越来越薄。由于激光束空间能量分布不均匀，一部分区域激光能量 密度特别高，以致经球面反射聚焦系统聚焦后的，光斑能量分布不均匀，并且观 察到激光淬火后的试样截面的硬化层左右两边深度不一致( 如图2 7 所示) ，表明激 光功率密度高的一端所形成的硬化层更深一些。另外据观察不同的功率扫描后的 硬化层均出现相似现象，如图2 8 所示。 图2 7p = 2 5 0 0 w 时淬火硬化带形貌 图2 8p = 2 0 0 0 w 时淬火硬化带形貌 2 3 3 产生硬化层深差异的原因分析 激光淬火硬化层深的不均匀主要是由于激光能量密度空间分布的不均匀引起 的。激光表面淬火时，激光扫描作用下试样内部的导热是一个三维的非稳态热传 导过程，根据文献3 6 文献3 7 ，可将试样假设为半无限大固体，在深度方向( z 轴) 的温度分布可近似表示为： 酢，旷兀= 等等唧怯愕嘶 南 弦6 ， 其中，乃为初始温度，0 为热传导系数，以为热扩散系数，为作用时| 自j ，p r 尼f a 为误差函数的补函数，q ”为激光功率密度。 浙江工业大学硕士学位论文 激光扫描时，可以理解为表面温度为垒丛笺生竖的热源沿被扫描的固体表面 以 移动。在实验过程时，从图3 可以明显发现，光斑功率密度分布不均匀，功率密度 高的一端与低的一端差异较大，实验时试样内部的传热条件几乎相同，而由于高 的功率密度g ”导致高的表面温度，所以在硬化层横截面发现，除了光斑中心的硬 化深度特别深之外，高功率密度一端扫描后的硬化层比低功率密度的一端要深一 些。 2 4 本章小结 1 ) 利用在线激光束分析仪成功的检测了激光淬火过程中的激光模式。由光束 分析仪记录的彩色等云图显示，输出的光束呈复杂的高阶模式，在光斑截面上有 多个能量极大值。在激光器的光束功率由5 0 0 w 变化到3 5 0 0 w 时，光斑功率密度、 模式均发生明显变化，但是光强分布强弱变化范围差异较小。由于激光器气体成 分和放电毛细管放电不均等因素，光强不均匀度维持在o 5 以上，光斑功率密度分 布极不均匀。 。 2 ) 通过观察激光模式图与淬火硬化层图可发现，由于激光能量密度的空间分 布的不均匀，功率密度高的一端与低的_ 端差