一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法与流程

1.本发明涉及激光增材制造、激光熔覆、激光焊接等激光材料加工领域技术领域，尤其涉及一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法。


背景技术：

2.激光束因其功率密度高、参数控制灵活，工艺柔性好等特点而广泛用于各类激光材料加工领域，如激光增材制造、激光焊接、激光熔覆、激光表面改性等先进制造领域。在涉及材料
‑
结构
‑
工艺的多因素耦合的制造加工过程中，光束形态对熔池热输运具有主导作用，而且熔池固/液界面热输运特征(温度梯度、热流方向、冷却速率)显著影响零件内部微观组织特性和宏观表面形貌。随着激光空间整形技术的发展，学者们以空间域光束形态为调控方式，探寻激光束空间特性对熔池热输运和凝固组织之间的关系成为目前激光材料加工的主要研究方向。
3.因其激发原理使得光纤激光束具有独特的空间特性，表征为能量随空间域规律演变。空域特性体现为控制热流密度的空间分布，从而对熔池热输运进行调控，主要影响熔池形貌和温度场。熔池冷却速率和热流的梯度方向又决定了凝固速率、方向、凝固组织的结构、晶粒尺寸等，进而使零件呈现出不同的力学和表面特性。因此，学者们广泛开展了针对激光束不同空间形貌与加工样件的组织性能的相关模拟和试验，以期调控激光束空间形态来控制零件组织性能。在激光增材制造领域，光束的空间形态显著影响光
‑
粉
‑
熔池之间的多场耦合，影响熔池的形貌和温度分布，不同光束形态得到的金属组织性能差异显著；对于激光焊接，光束空间形态显著影响焊接熔池温度分布，进而影响接头力学性能和形变；激光熔覆加工中，需要保证熔覆层和基体的稳定结合以及涂层的表面力学特性，光束空间形态对其具有重要影响。
4.然而，激光束在实际传输过程中因受光学器件间的耦合状态、热透镜效应及其它因素的影响，光束经过多次调制后并不呈现出预期的特定光束形态，如在近场(焦平面附近的一个瑞利长度内)呈现为近平顶形貌而非理论高斯形貌，远场呈现为近高斯形态分布。因此，基于已有光束诊断识别系统，建立光束空间形态与各形态参数之间的数学关系，进而精准调控激光束空间形态成为目前激光加工领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，能够精准重构真实聚焦激光束的功率密度形貌，得到空间形态参数(半径、离焦量、形态因子)间的数学关系式，可以解决背景技术中的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法的技术方案具体如下：
7.本发明实施例公开了一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，所述方法包括以下步骤：
8.实时获取数个光束截面的功率密度；
9.根据获取的数个光束截面的功率密度，得到截面功率密度测量数据；
10.根据得到的截面功率密度测量数据，选取截面功率密度数学模型，并进行权重非线性化拟合，得到相应的空间光束形态因子k和光束半径r
b
；
11.依据识别的空间形态因子k、光束半径r
b
在离焦量方向上的演化规律，构建k和r
b
的数学模型，基于该数学模型得到以下光束特征参数：光束焦斑半径r0、瑞利长度z
r
；
12.通过得到的空间形态因子k与离焦量的z
d
的数学关系式，计算得到与实际加工所需的光束空间形态相对应的离焦量值，然后在纵向上连续调节可调熔覆头的上下距离，达到连续改变加工表面的离焦量的目的，从而实现激光束空间形态的连续调节。
13.在上述任一方案中优选的是，所述实时获取数个光束截面的功率密度包括：
14.以激光束焦平面位置为测量中心，使用光束诊断系统沿光束传播方向等间距采集数个光束截面的功率密度。
15.在上述任一方案中优选的是，所述截面功率密度测量包括：
16.数据根据每个所述的光束截面上的功率密度的真实空间形态，选择合适的激光束功率密度模型，采用超高斯模型表征激光束截面功率密度分布。
17.在上述任一方案中优选的是，所述进行权重非线性化拟合包括：
18.采用权重非线性优化算法和激光束截面功率密度模型依次拟合每一光束截面的试验测量数据，得到相应的空间光束形态因子k和光束半径r
b
。
19.在上述任一方案中优选的是，采用超高斯模型表征所述的功率密度分布具有类平顶形貌特征的激光束，其数学模型如下：
[0020][0021]
其中，x、y分别表示激光束截面内点的横坐标和纵坐标，p0为激光功率，rb是超高斯光束半径，采用1/e2功率密度下降法进行度量，k为空间形态因子，γ表示伽马函数；e是指自然常数。
[0022]
在上述任一方案中优选的是，所述超高斯光束半径r
b
的数学关系式为：
[0023][0024]
式中，等号右边第二项为高斯项修正，r0、z
r
分别为理想的焦斑半径和瑞利长度，z
d
表示激光束离焦量，a1为带长度量纲的模型参数、a2为常系数。
[0025]
在上述任一方案中优选的是，所述空间形态因子k与离焦量z
d
的数学关系式为：
[0026][0027]
其中，a5为带长度量纲的模型参数、a3、a4为常系数。
[0028]
在上述任一方案中优选的是，采用非线性最小二乘法拟合识别出模型参数和常系数。
[0029]
在上述任一方案中优选的是，所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，采用权重非线性最小二乘法拟合试验测量值，以使辨识后的截面功率密度模型在高功率密
度区的预测值与试验测量值良好吻合，其中，权重因子w
ij
可表示为，
[0030][0031]
式中，ib为权重阈值，其值设为式中，ib为权重阈值，其值设为表示第n个光束测量截面上的最大功率密度。
[0032]
在上述任一方案中优选的是，所述光束截面功率密度的权函数i
w
(x
i
,y
i
)可表示为，
[0033]
i
w
(x
i
,y
i
)＝w
ij
i(x
i
,y
i
)，
[0034]
通过拟合，可识别得到所有光束测量截面上的非独立参数r
b
和k。
[0035]
在上述任一方案中优选的是，所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，还包括激光束空间形态调节装置，所述激光束空间形态调节装置的调节方法包括以下步骤：
[0036]
位于熔覆头上方的调节机构带动熔覆头上下移动，调节机构与熔覆头刚性连接；
[0037]
调节机构设置有
‑
15～15mm的等间距刻度，用来定量标识熔覆头上下移动的距离以精准调节相对应激光束空间形态；
[0038]
若选择光束形态因子k为2.1的超高斯光束，由光束形态因子和离焦量的数学关系式，计算得到相应的离焦量值为4.1；
[0039]
随后调节机构刻度值为4.1mm，从而在加工表面得到满足工艺要求的光束形态，依据同样步骤可实现激光束空间形态的连续调节。
[0040]
在上述任一方案中优选的是，激光束焦斑半径r
b
、瑞利长度z
r
及激光束模型被确定后，需要对识别后的激光束模型进行验证。联合式和并代入辨识的焦斑半径r
b
、瑞利长度z
r
及待定系数，可计算得到任意光束测量截面上所有测量点的功率密度，基于相关性分析方法将其与对应位置的试验测量值进行比较，数据表明功率密度预测值与测量值高度吻合，基于光束空间形态参数辨识方法可得到光束空间形态参数间精准数学关系，为激光束空域形态调制提供可靠理论依据。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
基于光束空间形态调制理论，建立了真实聚焦激光束空间形态参数间准确的数学关系；根据所建立的空间形态参数(离焦量和光束半径、空间形态因子)的数学关系式，可依据实际加工需求调节离焦量以实现精准调控真实聚焦激光束的空间形态。此外，本调控方法基于现有光束诊断识别系统，简单可靠，无需增加其他设备，具有显著的可行性和实用价值。
附图说明
[0043]
附图用于对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0044]
图1为本发明光束空间形态连续调节流程图和调节示意图。
[0045]
图2为本发明不同离焦量的3种典型真实聚焦光纤激光束的截面功率密度3d形貌。
[0046]
图3a为本发明的辨识的光束半径与离焦量的关系示意图。
[0047]
图3b为本发明的辨识的光束形态因子与离焦量的关系示意图。
[0048]
图4为本发明的光束截面功率密度预测值与测量值对比图。
具体实施方式
[0049]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0050]
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
[0051]
实施例：
[0052]
本发明实施例公开了一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，所述方法包括以下步骤：
[0053]
实时获取数个光束截面的功率密度，所述实时获取数个光束截面的功率密度包括：以激光束焦平面位置为测量中心，使用光束诊断系统沿光束传播方向等间距采集数个光束截面的功率密度；
[0054]
根据获取的数个光束截面的功率密度，得到截面功率密度测量数据，所述截面功率密度测量包括：数据根据每个所述的光束截面上的功率密度的真实空间形态，选择合适的激光束功率密度模型，激光束截面功率密度为近超高斯形貌；
[0055]
根据得到的截面功率密度测量数据，选取截面功率密度数学模型，并进行权重非线性化拟合，得到相应的空间光束形态因子k和光束半径r
b
；
[0056]
依据识别的空间形态因子k、光束半径r
b
在离焦量方向上的演化规律，构建k和r
b
的数学模型，基于该数学模型得到以下光束特征参数：光束焦斑半径r0、瑞利长度z
r
；
[0057]
通过得到的空间形态因子k与离焦量的z
d
的数学关系式，计算得到与实际加工所需的光束空间形态相对应的离焦量值，然后在纵向上连续调节可调熔覆头的上下距离，达到连续改变加工表面的离焦量的目的，从而实现激光束空间形态的连续调节。
[0058]
在本发明实施例所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法中，所述进行权重非线性化拟合包括：
[0059]
采用权重非线性优化算法和激光束截面功率密度模型依次拟合每一光束截面的试验测量数据，得到相应的空间光束形态因子k和光束半径r
b
。
[0060]
在本发明实施例所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法中，采用超高斯模型表征所述的功率密度分布具有类平顶形貌特征的激光束，其数学模型如下：
[0061][0062]
其中，x、y分别表示激光束截面内点的横坐标和纵坐标，p0为激光功率，r
b
是超高斯光束半径，采用1/e2功率密度下降法进行度量，k为空间形态因子，γ表示伽马函数；e是指自然常数，所述空间形态因子k的数学关系式为：
[0063][0064]
其中，a5为带长度量纲的模型参数、a3、a4为常系数。
[0065]
在本发明实施例所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法中，所述超高斯光束半径r
b
的数学关系式为：
[0066][0067]
式中，等号右边第二项为高斯项修正，r0、z
r
分别为理想的焦斑半径和瑞利长度，z
d
表示激光束离焦量，a1为带长度量纲的模型参数、a2为常系数，采用非线性最小二乘法拟合识别出光束特征参数、模型参数和常系数。
[0068]
在本发明实施例所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法中，所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，采用权重非线性最小二乘法拟合试验测量值，以使辨识后的截面功率密度模型在高功率密度区的预测值与试验测量值良好吻合，其中，权重因子w
ij
可表示为，
[0069][0070]
式中，i
b
为权重阈值，其值设为为权重阈值，其值设为表示第n个光束测量截面上的最大功率密度，所述光束截面功率密度的权函数i
w
(x
i
,y
i
)可表示为，
[0071]
i
w
(x
i
,y
i
)＝w
ij
i(x
i
,y
i
)，
[0072]
通过拟合，可识别得到所有光束测量截面上的非独立参数r
b
和k。
[0073]
在本发明实施例所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法中，所述的聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，还包括激光束空间形态调节装置，所述激光束空间形态调节装置的调节方法包括以下步骤：
[0074]
位于熔覆头上方的调节机构带动熔覆头上下移动，调节机构与熔覆头刚性连接；
[0075]
调节机构设置有
‑
15～15mm的等间距刻度，用来定量标识熔覆头上下移动的距离以精准调节相对应激光束空间形态；
[0076]
若选择光束形态因子k为2.1的超高斯光束，由光束形态因子和离焦量的数学关系式，计算得到相应的离焦量值为4.1；
[0077]
随后调节机构刻度值为4.1mm，从而在加工表面得到满足工艺要求的光束形态，依据同样步骤可实现激光束空间形态的连续调节。实施例1：
[0078]
本实施例提供了一种聚焦光纤激光束的空间形态连续调节方法，光束空间形态参数包括：激光束离焦量、光束半径、光束形态因子，激光器类型为光纤激光器，试验激光功率为800w、激光波长为1.07μm。采用现有光束诊断系统focusmonitor(fm120)沿激光束离焦量z
d
＝
‑
13～13mm范围内等间距采集26个光束截面的功率密度数据。图2为激光束不同离焦量下的三个功率截面a/b/c的激光束功率形貌，图中近场a截面为平顶形态，远场c呈现出近高斯形貌而非传统高斯形貌。故采用超高斯模型表征聚焦光纤激光束的截面功率密度，其数学模型如下，
[0079][0080]
其中，x、y分别表示激光束截面内点的横坐标和纵坐标，p0为激光功率，r
b
是超高斯光束半径，采用1/e2功率密度下降法进行度量，k为光束空间形态因子，γ表示伽马函数；e是指自然常数；
[0081]
激光材料加工中，激光功率密度越大，其对加工过程的影响越显著。因此，采用权重非线性最小二乘法拟合试验测量值，以使辨识后的截面功率密度模型在高功率密度区的预测值与试验测量值良好吻合，其中权重因子w
ij
可表示为，
[0082][0083]
式中，i
b
为权重阈值，其值设为为权重阈值，其值设为表示第n个光束测量截面上的最大功率密度。
[0084]
光束截面功率密度的权函数i
w
(x
i
,y
i
)可表示为，
[0085]
i
w
(x
i
,y
i
)＝w
ij
i(x
i
,y
i
)
ꢀꢀ
(3)
[0086]
通过拟合，可识别得到所有光束测量截面上的非独立参数r
b
和k。光束半径r
b
和形态因子k与离焦量的关系分别见图3(a)、图3(b)中的黑色方形标识。依据激光理论，高斯光束的半径r
b
与离焦量z
d
服从双曲线关系，见式(4)右边第1项。考虑到光纤激光束在近场与高斯光束存在显著差异，故增加一项高斯项进行修正，见式(4)右边第2项。
[0087][0088]
式中，r0、z
r
分别为理想的焦斑半径和瑞利长度，z
d
为激光束离焦量，a1为带长度量纲的模型参数、a2为常系数。
[0089]
基于式(4)对辨识的光束半径r
b
进行拟合得到r0、z
r
、a1和a2，其拟合曲线见图3(a)。
[0090]
依据图3(b)中的光束形态因子k的变化趋势，采用洛伦兹函数(见式(5))拟合可高度逼近辨识的光束形态因子k，拟合曲线见3(b)。同时，模型参数a3、常系数a4、a5被识别。
[0091][0092]
激光束焦斑半径r
b
、瑞利长度z
r
及激光束模型被确定后，需要对识别后的激光束模型进行验证。联合式(1)、(4)、(5)，并代入辨识的焦斑半径r
b
、瑞利长度z
r
及待定系数，可计算得到任意光束测量截面上所有测量点的功率密度，基于相关性分析方法将其与对应位置的试验测量值进行比较。图4是三处典型位置处的光束截面功率密度预测值与测量值对比图。a
‑
a、b
‑
b和c
‑
c分别代表三处典型位置，其离焦量z
d
分别为
‑
0.36mm、5.79mm和11.94mm。数据表明功率密度预测值与测量值高度吻合，基于光束空间形态参数辨识方法可得到光束空间形态参数间精准数学关系，为激光束空域形态调制提供可靠理论依据。
[0093]
这里以激光熔覆为例进一步说明本发明涉及的光束形态连续调节方法。以激光束空间形态参数辨识法所建立的激光束离焦量和半径、形态因子间数学关系式为依据，可在不改变激光功率参数情况下，调节离焦量以聚焦激光束不同空间形态。图1为本发明涉及的
聚焦激光束连续调节流程及装置示意图。图中激光束沿传播方向呈现出不同空间形态，焦平面位于熔覆基板下方。
[0094]
激光束空间形态调节方法为：位于熔覆头上方的调节机构带动熔覆头上下移动，调节机构与熔覆头刚性连接；调节机构设置有
‑
15～15mm的等间距刻度，用来定量标识熔覆头上下移动的距离以精准调节相对应激光束空间形态。按照熔覆组织性能的要求，若选择光束形态因子k为2.1的超高斯光束，由光束形态因子和离焦量的数学关系式，计算得到相应的离焦量值为4.1，随后调节机构刻度值为4.1mm，从而在加工表面得到满足工艺要求的光束形态，依据同样步骤可实现激光束空间形态的连续调节。
[0095]
本发明涉及的聚焦激光束空间形态连续调节方法，能够精准重构真实聚焦激光束的功率密度形貌，得到空间形态参数(半径、离焦量、形态因子)间的数学关系式。在得到数学关系的基础上，以激光熔覆为例详细说明空间形态连续调节方法：依据建立的离焦量和光束形态因子的关系式，定量连续调控激光束在加工表面的空间特性，满足实际加工工艺需要。
[0096]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。