本发明涉及一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法，所述系统包括：激光产生模块，配置为用于输出纳秒激光脉冲的纳秒激光器；外置光学整形模块，包括整形曲面镜组或整形曲面组合镜，配置为对所述纳秒激光脉冲进行整形，以形成矩形均匀纳秒激光脉冲；样件模块，包括多种待实施激光脉冲喷丸技术的样件及形成所述样件的材料。所述运用方法为采用所述系统对所述样件及形成所述样件的材料实施激光脉冲喷丸技术。本发明解决了现有技术中采用圆形激光光斑而产生的问题和国内现有方形脉冲激光器输出激光脉冲能量低、不适合用于激光脉
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 112375899 A (43)申请公布日 2021.02.19 (21)申请号 9.7 (22)申请日 2020.10.29 (71)申请人 上海交通大学 地址 200030 上海市徐汇区华山路1954号 (72)发明人 邓晓旭 (74)专利代理机构 上海翰信知识产权代理事务 所(普通合伙) 31270 代理人 张维东 (51)Int.Cl. C21D 10/00 (2006.01) C22F 3/00 (2006.01) 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (54)发明名称 矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及 其运用方法 (57)摘要 本发明涉及一种矩形均匀激光脉冲冲击强 化与成型系统及其运用方法，所述系统包括：激 光产生模块，配置为用于输出纳秒激光脉冲的纳 秒激光器；外置光学整形模块，包括整形曲面镜 组或整形曲面组合镜，配置为对所述纳秒激光脉 冲进行整形，以形成矩形均匀纳秒激光脉冲；样 件模块，包括多种待实施激光脉冲喷丸技术的样 件及形成所述样件的材料。所述运用方法为采用 所述系统对所述样件及形成所述样件的材料实 施激光脉冲喷丸技术。本发明解决了现有技术中 采用圆形激光光斑而产生的问题和国内现有方 A 形脉冲激光器输出激光脉冲能量低、不适合用于 9 激光脉冲喷丸技术的问题。 9 8 5 7 3 2 1 1 N C CN 112375899 A 权利要求书 1/1页 1.一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，其特征在于，包括： 激光产生模块，配置为用于输出纳秒激光脉冲的纳秒激光器； 外置光学整形模块，包括整形曲面镜组或整形曲面组合镜，配置为对所述纳秒激光脉 冲进行整形，以形成矩形均匀纳秒激光脉冲； 样件模块，包括多种待实施激光脉冲喷丸技术的样件及形成所述样件的材料。 2.如权利要求1所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，其特征在于，所述整形 曲面镜组或整形曲面组合镜采用高光学损伤阈值光学材料制备，所述高光学损伤阈值光学 2 材料能承受纳秒激光脉冲的能量密度不低于1J/cm 。 3.如权利要求2所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，其特征在于，所述外置 光学整形模块适用于各种重复频率大小和多种能量高低的纳秒激光脉冲。 4.如权利要求3所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，其特征在于，各种重复 频率大小和多种能量高低的纳秒激光脉冲包括： 高重复频率和高能量的纳秒激光脉冲； 低重复频率和低能量的纳秒激光脉冲； 其中，高脉冲重复频率的范围为5-10Hz，低脉冲重复频率的范围为大于0Hz、小于5Hz； 2 2 低能量激光功率的范围为MW/cm 量级，高能量激光功率的范围为GW/cm 量级。 5.如权利要求1所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，其特征在于，激光产生 模块产生高斯、类高斯或平顶光束型脉冲； 高斯、类高斯或平顶光束型脉冲为圆形的纳秒激光脉冲。 6.一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，其特征在于，采用如权利 要求1-5中任一项所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统对所述样件及形成所述样 件的材料实施激光脉冲喷丸技术。 7.如权利要求6所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，其特征在 于，形成所述样件的材料包括但不限于金属材料、非金属材料及有机材料；其中，金属材料 包括但不限于铝材料、铝合金材料、钢材料、钢合金材料、铁材料、铁合金材料、钛材料、钛合 金材料、镁材料以及镁合金材料；非金属材料包括但不限于陶瓷和硅基。 8.如权利要求7所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，其特征在 于，铝合金材料包括航空铝材料。 9.如权利要求6所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，其特征在 于，所述系统运用于航空领域中的民用和军用飞机、舰船、发电装置以及核工业设备的制造 与维修。 10.如权利要求9所述的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，其特征在 于，所述系统运用于样件及形成所述样件的材料的强化和成型，包括但不限于叶片的强化 和焊缝的强化。 2 2 CN 112375899 A 说明书 1/5页 矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法 技术领域 [0001] 本发明涉及激光脉冲喷丸和光束整形均匀化技术领域，特别涉及一种矩形均匀激 光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法。 背景技术 [0002] 激光脉冲冲击强化与成型(LSP)技术(也称为激光脉冲喷丸技术)是一种先进的材 料表面强化处理技术。其机理是：短脉冲(纳秒级)的强激光辐照金属材料表面产生高压冲 击波，诱导了材料内部残余压应力和微结构的变化，形成比传统机械喷丸更深的诱导残余 压应力层。 [0003] 但是，目前我国激光脉冲冲击技术大多采用圆形激光光斑，通过调整光斑重叠率 避免光斑之间的缝隙，存在主要问题包括：重叠率低会存在未加工区域，重叠率高则会发生 过加工，这些因素最终将反映在板料的机械性能上，表现为成形工件的残余应力分布不均 匀、表面粗糙，同时也产生了残余应力洞的问题，影响激光脉冲喷丸技术在我国高端技术产 业方面的应用，成为激光脉冲喷丸技术发展的羁绊。 [0004] 并且表面硬度，我国现有方形激光器输出的激光脉冲能量较低，难以适用于对能量要求高 的激光脉冲喷丸技术。 [0005] 因此有必要提供一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法，以解 决现有技术中采用圆形激光光斑而产生的问题和国内现有方形脉冲激光器输出激光脉冲 能量低、不适合用于激光脉冲喷丸技术的问题。 发明内容 [0006] 本发明的目的在于提供一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方 法，以解决现有技术中采用圆形激光光斑而产生的问题和国内现有方形脉冲激光器输出激 光脉冲能量低、不适合用于激光脉冲喷丸技术的问题。 [0007] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种矩形均匀激光脉冲冲击强化 与成型系统，包括： [0008] 激光产生模块，配置为用于输出纳秒激光脉冲的纳秒激光器； [0009] 外置光学整形模块，包括整形曲面镜组或整形曲面组合镜，配置为对所述纳秒激 光脉冲进行整形，以形成矩形均匀纳秒激光脉冲； [0010] 样件模块，包括多种待实施激光脉冲喷丸技术的样件及形成所述样件的材料。 [0011] 可选的矩形冲击脉冲振动试验，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统中，所述整形曲面镜组或 整形曲面组合镜采用高光学损伤阈值光学材料制备，所述高光学损伤阈值光学材料能承受 2 纳秒激光脉冲的能量密度不低于1J/cm 。 [0012] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统中，所述外置光学整形模 块适用于各种重复频率大小和多种能量高低的纳秒激光脉冲。 [0013] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统中，各种重复频率大小和 3 3 CN 112375899 A 说明书 2/5页 多种能量高低的纳秒激光脉冲包括： [0014] 高重复频率和高能量的纳秒激光脉冲； [0015] 低重复频率和低能量的纳秒激光脉冲； [0016] 其中，高脉冲重复频率的范围为5-10Hz，低脉冲重复频率的范围为大于0Hz、小于 2 2 5Hz；低能量激光功率的范围为MW/cm量级，高能量激光功率的范围为GW/cm 量级。 [0017] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统中，激光产生模块产生高 斯、类高斯或平顶光束型脉冲； [0018] 高斯、类高斯或平顶光束型脉冲为圆形的纳秒激光脉冲。 [0019] 本发明还提供了一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，采用上 述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统对所述样件及形成所述样件的材料实施激光脉 冲喷丸技术。 [0020] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法中，形成所述 样件的材料包括但不限于金属材料、非金属材料及有机材料；其中，金属材料包括但不限于 铝材料、铝合金材料、钢材料、钢合金材料、铁材料、铁合金材料、钛材料、钛合金材料、镁材 料以及镁合金材料；非金属材料包括但不限于陶瓷和硅基。 [0021] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法中，铝合金材 料包括航空铝材料。 [0022] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法中，所述系统 运用于航空领域中的民用和军用飞机、舰船、发电装置以及核工业设备的制造与维修。 [0023] 可选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法中，所述系统 运用于样件及形成所述样件的材料的强化和成型，包括但不限于叶片的强化和焊缝的强 化。 [0024] 相对于现有技术，本发明具有以下有点： [0025] (1)纳秒激光器输出的纳秒激光脉冲为高能量的纳秒激光脉冲； [0026] (2)外置光学整形模块将输出的纳秒激光脉冲进行整形和均匀化充磁机，实现多种形状， 包括方形、长方形和线形等，形成激光能量均匀分布的激光脉冲，均匀度大于90％，适用于 不同研究领域复杂多样化样件的激光脉冲喷丸冲击处理。 [0027] (3)可对具有沟槽和转角等复杂结构的样件及形成所述样件的材料进行激光脉冲 冲击。 [0028] (4)激光脉冲冲击的方向可垂直、可倾斜入射于冲击样件及形成所述样件的材料 表面。 [0029] (5)激光脉冲冲击不会产生二次加工缺陷。 [0030] (6)激光脉冲喷丸的覆盖方式是矩形脉冲印记简单搭接组成，从而实现无残余应 力洞。 [0031] (7)可以对脉冲能量精密化控制，具有高精确性和可重复性。 [0032] (8)可以输出高重复频率和高能量的纳秒激光脉冲，从而应用于激光脉冲喷丸技 术的很多领域。 4 4 CN 112375899 A 说明书 3/5页 附图说明 [0033] 图1为本发明实施例提供的实施激光脉冲喷丸技术示意图； [0034] 图2为本发明实施例提供的系统模块图。 [0035] 其中，1-激光产生模块；2-外置光学整形模块；3-样件模块。 具体实施方式 [0036] 下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述， 本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准 的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 [0037] 在下文中，如果本文所述的方法包括一系列步骤，则本文所呈现的这些步骤的顺 序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未 描述的其他步骤可被添加到该方法中。 [0038] 现有技术中，目前我国激光脉冲冲击技术大多采用圆形激光光斑，通过调整光斑 重叠率避免光斑之间的缝隙，存在的主要问题为成形工件的残余应力分布不均匀、表面粗 糙，同时容易产生残余应力洞的问题。另外，我国现有方形激光器输出的激光脉冲能量较 低，难以适用于对能量要求高的激光脉冲喷丸技术。 [0039] 因此有必要提供一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统，如图1和2所示，图1 为本发明实施例提供的实施激光脉冲喷丸技术示意图；图2为本发明实施例提供的系统模 块图，所述系统包括： [0040] 激光产生模块1，配置为用于输出纳秒激光脉冲的纳秒激光器，所述纳秒激光器可 以为Nd：YAG激光器； [0041] 外置光学整形模块2，包括整形曲面镜组或整形曲面组合镜，配置为对所述纳秒激 光脉冲进行整形，以形成矩形均匀纳秒激光脉冲；所述外置光学整形模块2可以为一个单独 的矩形均匀化整形子系统； [0042] 样件模块3，包括多种待实施激光脉冲喷丸技术的样件及形成所述样件的材料起重机。 [0043] 本发明利用矩形均匀纳秒激光脉冲进行激光脉冲冲击加工，边界对接简单，避免 了残余应力分布不均匀和表面粗糙等问题，同时也弥补了圆形光斑冲击加工过程中所引起 的样件表面残余应力洞的缺点，提高了激光脉冲冲击的安全可靠性和样件的疲劳寿命。 [0044] 进一步的，所述整形曲面镜组或整形曲面组合镜采用高光学损伤阈值光学材料制 2 备，所述高光学损伤阈值光学材料能承受纳秒激光脉冲的能量密度不低于1J/cm ，优选的， 2 所述高光学损伤阈值光学材料能承受纳秒激光脉冲的能量密度为10J/cm ，以适应更高重 复频率和更高能量的纳秒激光脉冲。 [0045] 较佳的，所述外置光学整形模块适用于各种重复频率大小和多种能量高低的纳秒 激光脉冲。其中，各种重复频率大小和多种能量高低的纳秒激光脉冲包括：高重复频率和高 能量的纳秒激光脉冲；低重复频率和低能量的纳秒激光脉冲；其中，高脉冲重复频率的范围 2 为5-10Hz，低脉冲重复频率的范围为大于0Hz、小于5Hz；低能量激光功率的范围为MW/cm量 2 级，高能量激光功率的范围为GW/cm量级。 [0046] 本发明中的外置光学整形模块具有能量利用率高、光学损伤阈值高和光学系统相 对简单等优点，适合于高功率纳秒激光脉冲的均匀化整形。并可对脉冲空间分布畸变不敏 5 5 CN 112375899 A 说明书 4/5页 感，实现多种形状，包括方形、长方形和线形等均匀化整形激光脉冲，适用于不同研究领域 复杂多样化样件的激光脉冲喷丸冲击处理，实现激光脉冲喷丸技术在相关多种研究领域的 应用。 [0047] 通常的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统中，激光产生模块产生高 斯、类高斯或平顶光束型脉冲；高斯、类高斯或平顶光束型脉冲为圆形的纳秒激光脉冲。在 所述激光产生模块发射出纳秒激光脉冲后，所述外置光学整形模块对所述纳秒激光脉冲进 行整形和均匀化。 [0048] 本发明中由于所述外置光学整形模块位于所述激光产生模块外部，因此所述矩形 均匀激光脉冲冲击强化与成型系统能产生高重复频率和高能量的纳秒激光脉冲，且所述外 置光学整形模块因为采用所述高光学损伤阈值光学材料而能对高重复频率和高能量的纳 秒激光脉冲进行整形和均匀化。 [0049] 并且，本发明中的矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型技术可以安全有效的消除裂 纹处残余张应力，同时改变了裂纹尖端的应力状态，激光脉冲喷丸所形成的压应力能够阻 止裂纹的形成和扩展；位错密度的增加使位错运动的阻力增加，使疲劳裂纹形成的阻力增 加、时间推迟，从而延长样件的疲劳寿命。 [0050] 全球40％以上航空发动机故障是由于部件疲劳断裂导致的，利用本发明的矩形均 匀激光脉冲冲击强化与成型系统可以提高航空发动机关键部件(以叶片为例)疲劳强度 15％以上，提升使用寿命80％以上；而加工成本不到新品的10％，节能95％以上，经济价值 和社会效益潜能巨大。 [0051] 进一步的，本发明不同于美国矩形均匀激光脉冲喷丸加工系统，本发明利用目前 国内比较成熟的Nd:YAG激光器输出高能的高斯或者类高斯型圆形光斑，再经过外置光学整 形模块获得光斑强度均匀的矩形脉冲。这种方法的成本相比于直接产生方形光斑激光器低 很多，技术难度低，并且可通过更换其中光学原件，实现多种尺寸的不同形状的光斑，而无 需对激光器操作，更具灵活多变性。矩形光斑的能量均匀度大于90％，满足激光脉冲喷丸技 术对脉冲光束质量的要求。 [0052] 本发明还提供了一种矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法，采用上 述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统对所述样件及形成所述样件的材料实施激光脉 冲喷丸技术。 [0053] 优选的，形成所述样件的材料包括但不限于金属材料、非金属材料及有机材料；其 中，金属材料包括但不限于铝材料、铝合金材料、钢材料、钢合金材料、铁材料、铁合金材料、 钛材料、钛合金材料、镁材料以及镁合金材料；非金属材料包括但不限于陶瓷和硅基。 [0054] 进一步的，铝合金材料包括航空铝材料。 [0055] 优选的，在所述矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统的运用方法中，所述系统 运用于航空领域中的民用和军用飞机的设备的制造与维修、舰船的设备的制造与维修、发 电装置的设备的制造与维修以及核工业的设备的制造与维修，其中设备的制造与维修主要 为设备中关键部件的制造与维修。进一步的，所述系统运用于前述领域中样件及形成所述 样件的材料的强化和成型，包括但不限于叶片的强化和焊缝的强化。较佳的，本发明还可以 运用于有机/无机混合钙钛矿薄膜材料的激光结晶和金属纳米阵列的激光脉冲喷丸压印制 备。 6 6 CN 112375899 A 说明书 5/5页 [0056] 优选的，所述样件及形成所述样件的材料在实施激光脉冲喷丸技术时，所述样件 及形成所述样件的材料由夹具固定在光学多维移动台或机械手上，可多维灵活移动；对于 大型不易移动的样件及形成所述样件的材料，所述外置光学整形模块可根据需要增设光学 元件，使矩形脉冲在大型样件或形成所述大型样件的材料表面移动，以完成激光脉冲喷丸 技术。 [0057] 在一个实施例中，纳秒激光脉冲冲击样件时，所述样件表面有吸收层和约束层，纳 秒激光脉冲诱导等离子体爆炸产生的压力被约束层限制，从而使吸收层和样件能更好的吸 收激光，并且能增加样件的残余压应力层的深度。 [0058] 相对于现有技术，本发明具有以下有点： [0059] (1)纳秒激光器输出的纳秒激光脉冲为高能量的纳秒激光脉冲； [0060] (2)外置光学整形模块将输出的纳秒激光脉冲进行整形和均匀化，实现多种形状， 包括方形、长方形和线形等，形成激光能量均匀分布的激光脉冲，均匀度大于90％，适用于 不同研究领域复杂多样化样件的激光脉冲喷丸冲击处理。 [0061] (3)可对具有沟槽和转角等复杂结构的样件及形成所述样件的材料进行激光脉冲 冲击。 [0062] (4)激光脉冲冲击的方向可垂直、可倾斜入射于冲击样件及形成所述样件的材料 表面。 [0063] (5)激光脉冲冲击不会产生二次加工缺陷。 [0064] (6)激光脉冲喷丸的覆盖方式是矩形脉冲印记简单搭接组成，从而实现无残余应 力洞。 [0065] (7)可以对脉冲能量精密化控制，具有高精确性和可重复性。 [0066] (8)可以输出高重复频率和高能量的纳秒激光脉冲，从而应用于激光脉冲喷丸技 术的很多领域。 [0067] 上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属 技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和 技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍 属于本发明的保护范围之内。 7 7 CN 112375899 A 说明书附图 1/1页 图1 图2 8 8
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