[發明專利]一種納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法

有效

• 申請號: 202011178754.8
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112247365B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 馬建偉;曹興坤;韓東旭;葉濤;李騰龍;賈振元;劉巍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362;B23K26/70
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 關慧貞

本發明一種納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法屬于特種加工領域，涉及一種基于能量累積規律的納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。該方法基于高斯脈沖激光在束腰平面上的能量分布，推導得到準束腰平面上激光單脈沖的能量分布方程，慮及待加工工件的幾何特征以及激光傾斜入射時的幾何參數，求解脈沖激光傾斜加工時工件表面的能量動態分布模型，結合激光光學參數和非光學參數對工件表面能量動態分布的影響，并依托激光加工能量守恒定律和熱力學規律，給出基于能量累積規律的脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。該方法預測準確、全面可靠，可有效應用于高性能天線內壁的加工，對提高高性能天線的機械與電氣性能具有重要應用意義。

技術領域

本發明屬于特種加工領域，涉及一種基于能量累積規律的納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。

背景技術

高性能天線是一種曲面覆層天線，具有三維立體結構和復雜幾何特征，此外新一代天線還要求內壁加工精度高，且內外壁帶線位置嚴格對應，采用數控銑削等常規方法難以滿足天線加工要求。激光加工是一種非接觸式加工方法，具有高加工精度、高空間結構分辨率的特點，逐漸應用于該類天線的精密加工。納秒級多脈沖激光在加工天線時，激光能量在鍍層金屬表面不斷累積，材料升溫、熔化，從而實現材料的去除。近年來，有關激光加工工藝參數影響工件表面能量累積規律，進而影響燒蝕輪廓變化規律的研究取得一定的進展，并在激光垂直加工天線外壁時得到有效應用。然而在天線內壁加工過程中，激光與天線壁面干涉，不能垂直入射到天線內壁表面，而激光傾斜入射又會導致光斑形狀的變化，進而影響天線內壁表面能量分布規律和激光燒蝕輪廓幾何參數。因此，建立激光傾斜入射時天線內壁表面的能量動態分布模型并實現激光燒蝕輪廓的求解與預測是實現天線內壁高精加工的關鍵環節，對提高高性能天線的電氣與機械性能具有重要意義。

現有技術文獻1鄒世坤等人專利公開號CN102489875A的“一種利用柱面鏡進行激光傾斜入射的能量補償方法”，利用單個柱面鏡或者雙柱面鏡組合的方式，對傾斜入射的激光在其作用延伸方向進行預壓縮，使傾斜入射作用區域等同于垂直入射以實現能量補償。該方法沒有得出激光傾斜加工時的能量動態分布模型，不能實現靶材表面的燒蝕形貌預測。技術文獻2“Surface treatment with linearly polarized laser beam atobliqueincidence”，I.Gutu等，Optics And Laser Technology，2002，34(5):381-388，在激光垂直入射時將10.6μm線偏振激光束聚焦成橢圓形光斑，通過選取適當的入射角使工件表面的聚焦激光光斑呈圓形。該方法需通過大量實驗數據分析獲得，理論依據薄弱，只適用于激光傾斜程度較小的激光熱處理過程中，適用性差，不能滿足天線內壁曲面上復雜圖案的加工。

發明內容

本發明針對現有技術的局限性和缺陷，發明了一種基于能量累積規律的納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。該方法基于高斯脈沖激光在束腰平面上的能量分布，推導得到準束腰平面上激光單脈沖的能量分布方程，慮及待加工工件的幾何特征以及激光傾斜入射時的幾何參數，求解脈沖激光傾斜加工時工件表面的能量動態分布模型，結合激光光學參數和非光學參數對工件表面能量動態分布的影響，并依托激光加工能量守恒定律和熱力學規律，給出基于能量累積規律的脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。該方法能夠準確地預測激光傾斜加工時工件表面的燒蝕形貌，可應用于納秒脈沖激光加工高性能天線內壁過程中，有效地解決了激光與天線壁面干涉帶給激光加工的技術難題。

本發明的技術方案是一種納秒脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法，其特征在于，該方法基于高斯脈沖激光在束腰平面上的能量分布，推導得到準束腰平面上激光單脈沖的能量分布方程，慮及待加工工件的幾何特征以及激光傾斜入射時的幾何參數，求解脈沖激光傾斜加工時工件表面的能量動態分布模型，結合激光光學參數和非光學參數對工件表面能量動態分布的影響，并依托激光加工能量守恒定律和熱力學規律，給出基于能量累積規律的脈沖激光傾斜加工燒蝕輪廓預測方法。

方法的具體步驟如下：

步驟1，傾斜入射時脈沖激光能量密度分布求解