CN101053924A - 分光式激光毛化调制装置 - Google Patents

Abstract

一种激光毛化加工的分光式激光毛化调制装置，包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、光束变换组合镜、聚焦镜和轧辊。扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方。连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。使用本发明光束调制装置加工的毛化轧辊表面具有各向同性和均匀一致的粗糙度，以及较高的耐磨性。

Description

分光式激光毛化调制装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于激光加工技术领域的光束传输系统，特别是一种用于激光毛化加工的分光式激光毛化调制装置。

背景技术

激光毛化是钢铁工业为了生产优质钢板而新近发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。激光毛化轧辊时，高能量密度、高重复频率的脉冲激光束，聚集照射到轧辊表面，形成若干微小熔池，同时辅助气体侧吹熔池中的熔融物，按指定要求堆积到熔池边缘；光脉冲作用停止后，微坑熔融物迅速冷却，形成表面硬化的微坑和坑边凸台结构。连续激光经过激光调制盘调制形成脉冲激光，用于冶金轧辊的毛化，可提高表面粗糙度均匀性和各向同性。高重复频率脉冲激光是获得高峰值功率，减小热影响区的有效方法。YAG调Q脉冲激光模式较差，平均功率较低，用于大型冷轧辊的毛化加工时表面粗糙度不高，毛化效率较低，采用高光束质量的CO₂连续激光进行脉冲调制后可克服这些不足。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利US4,462,660和US4,885,751，以及中国专利：一种用于激光调制的转盘(99814313.8)，提供了一种激光调制盘，盘面开有等间距圆周分布的透孔，透孔与盘面形成截面为四边形的反射齿。当激光束通过透孔时，在被加工物表面形成凹坑，当激光束照射到反射齿上时则反射激光到被加工物面产生预热和淬火效果。然而，这反射区域并不总是和直接照射区域匹配，这导致预热区对毛化作用不大。当聚焦长度短时，预热或淬火效果不显著，斩光盘挡光不完全。斩光盘必须靠近加工面，否则会加工出连续的螺旋线而非孤立的毛化点。通过把高速旋转的机械式斩光盘置于聚焦透镜和工件之间来获得脉冲激光束，转盘离工件距离较近，激光加工时会对斩光盘造成污染。另外，该装置聚焦距离较长，难以获得较小的焦斑，并且光斑大小及位置也无法进行调整，斩光盘形状复杂，无法获得满意的加工精度，斩光盘旋转时阻力较大，难以达到每分钟一万转以上的转速，对辅助气体的侧吹也会产生影响。因此光束调制装置需要重新设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分光式激光毛化调制装置，使其提高CO₂激光毛化轧辊的质量，根据光束经过光学系统的变换与传输特性，采用离焦式望远镜和光束变换组合镜系统对激光束进行扩束、准直、聚焦，其机械式分光转盘使连续激光调制成设定频率的脉冲激光，当激光束通过斩光盘透孔时，可在轧辊表面形成一定粗糙度和密度形貌的毛化坑。当激光束通过光束变换组合镜反射到加工表面时，进行预热和淬火，同时可调节焦点位置以及散焦程度，达到先预热后毛化的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、光束变换组合镜、聚焦镜和轧辊。扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方。连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。

所述的光束变换组合镜由第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜和第一平面反射镜、第二平面反射镜组成，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜分别位于分光转盘左右两侧，第一平面反射镜、第二平面反射镜分别位于第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜下侧，入射光束经分光转盘上表面反射后由第一抛物面反射镜会聚并使光路发生转折，然后光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜改变方向后，再由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘下底面上反射输出，可上下左右移动第二抛物面反射镜和第二平面反射镜与分光转盘的相对位置，以改变反射输出光束的腰斑大小和位置。第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜与扩束望远镜相互共焦，连续激光发生器发出的激光束，经过扩束望远镜物镜后的入射激光束及转盘对其的反射激光束的光束焦点对转盘是离焦的，另外由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘上的光束焦点对分光转盘也是离焦的，离焦量的设计要保证分光转盘上反射点的功率密度满足散热要求，可采用风冷进行散热。

所述的分光转盘圆周开有一定间距分布的透孔，孔径大于入射光斑大小，孔壁与分光转盘外表面角度为45°，分光转盘的上反射面与下底面平行，分光转盘上表面面向扩束望远镜物镜和入射激光束，下底面面向扩束望远镜目镜，分光转盘左面面向光束变换组合镜中第一抛物面反射镜，分光转盘右面面向光束变换组合镜中第二抛物面反射镜，分光转盘与入射激光束光轴间呈45°夹角，离焦放置在扩束望远镜以及抛物面反射镜焦点附近，分光转盘由高速电机带动绕其中心轴旋转，分光转盘采用导电体材料铜、铝或钢，分光转盘反射面镀有铜膜或金膜，以提高反射面的反射率。

本发明为了达到毛化轧辊的聚焦要求，采用扩束望远镜变换高斯光束，对入射光束进行扩束、准直和聚焦，将激光束高度会聚于工件表面，获得设定的光斑直径和能量密度，可以通过调节失调量来调节扩束望远系统出射光束的束腰位置。采用抛物面反射和平面反射组合镜对激光束进行反射和聚焦，采用反射激光束进行预热，透射激光束进行毛化，透射光束聚焦在工件表面下形成一小的熔凝冲击区，反射激光束也可以变换成毛化光束。分光转盘和组合聚焦镜距待毛化处理的表面足够远以避免污染。光束轴线的偏移通过移动该组合镜位置来调节，进而影响预热聚焦光斑的位置和大小，预热光斑强度被调整到接近被处理材料熔点，预热区覆盖整个毛化光斑。

工作时，连续激光发生器激光处理头沿着旋转的轧辊移动，分光转盘逆时针旋转、轧辊顺时针旋转，当激光束被分光转盘反射面反射时，激光束通过光束变换组合镜经反射聚焦后对轧辊表面进行预热及强化。当分光转盘转到透孔时，激光束通过扩束望远镜、聚焦镜聚焦到轧辊表面进行融化，毛化区域必须落在预热区域上，才能达到良好的预热效果和毛化作用，其功率密度在几百千瓦以上，在侧吹气流的作用下形成火山坑状、硬度极高的毛化形貌。预热及毛化光点偏移量的确定按照被处理表面的材料特性以及运动、几何参数由调节装置进行调节，比如调节焦距、脉冲频率、处理速度等。另外可调节参数使反射聚焦光斑与透射焦斑具有相同的焦斑尺寸与能量密度，并间隔一定的距离，实现双点毛化的效果。

本发明的有益效果是：针对激光毛化加工中的特殊要求，利用大功率CO₂激光器和分光转盘对轧辊进行毛化，其平均功率一般为1.3～2.5kW，调制频率为2kHz～35kHz，采用惰性辅助气体侧吹，最终可以获得均布分离的火山坑状毛化点，毛化速率可达到每秒1万点以上。新型激光束调制分光系统提高了CO₂激光毛化轧辊的质量，采用机械式分光转盘使激光束交替透射与反射到加工表面，达到先预热后毛化或双点毛化的效果。本发明可以获得较合理的聚焦光斑和能量密度，可使毛化点实现有效的预热淬火和毛化；加工的毛化轧辊表面具有各向同性和均匀一致的粗糙度，毛化硬度可以达到HV900以上，毛化轧辊具有较高的耐磨性。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明分光转盘结构示意图

图3为本发明分光转盘剖视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

为了获得较高的毛化功率密度，以及使聚焦镜远离被处理的工件，可在激光加工系统的导光系统中加入一个扩束望远镜，以减小激光束的发散角，然后再聚焦，将光束的束腰位置(焦点位置)变换到加工所允许的范围内，从而提高激光束的加工范围和有效焦深，获得较小的焦点光斑直径。为了使连续光变为脉冲光，采用机械式分光转盘进行斩光，激光束通过分光转盘透孔可对轧辊表面进行毛化，当激光束从分光转盘反射面反射时可进行预热和淬火。预热光斑的获得及其调节采用反射聚焦方式，使用一组光束变换镜，先用抛物面反射镜将入射激光变为平行光，经平面镜传输后再由一块抛物面反射镜聚焦光束。离焦量的调节要求预热光点的功率密度刚刚低于被加工材料的熔点，使激光预热区覆盖整个毛化区。

如图1所示，本实施例包括扩束望远镜、光束变换组合镜、聚焦镜3、连续激光发生器8、分光转盘9、轧辊10。所述光束变换组合镜由第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜7和第一平面反射镜5、第二平面反射镜6组成，可前后左右移动该组合镜位置；所述扩束望远镜由物镜1和目镜2组成，扩束望远镜位于连续激光发生器8与聚焦镜3之间，分光转盘9和光束变换组合镜位于扩束望远镜物镜1和目镜2之间，分光转盘9插入于光束变换组合镜第一抛物面反射镜4和第二抛物面反射镜7中间，聚焦镜3位于轧辊10上方。连续激光发生器8发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘9分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘9反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜3聚焦到轧辊10上。

所述的光束变换组合镜中，第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜7分别位于分光转盘9左右两侧，第一平面反射镜5、第二平面反射镜6分别位于第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜7下侧，入射光束经分光转盘9上表面反射后由第一抛物面反射镜4会聚并使光路发生转折，然后光束经第一平面反射镜5、第二平面反射镜6改变方向后，再由第二抛物面反射镜7会聚到分光转盘9下底面上反射输出，可上下左右移动第二抛物面反射镜7和第二平面反射镜6与分光转盘9的相对位置，以改变反射输出光束的腰斑大小和位置。光束变换组合镜中第一抛物面反射镜4、第二抛物面反射镜7与扩束望远镜相互共焦，连续激光发生器8发出的激光束，经过扩束望远镜物镜1后的入射激光束及转盘9对其的反射激光束的光束焦点对转盘9是离焦的，另外由第二抛物面反射镜7会聚到分光转盘9上的光束焦点对分光转盘9也是离焦的，离焦量的设计要保证分光转盘9上反射点的功率密度满足散热要求，可采用风冷进行散热。

所述的分光转盘9圆周开有一定间距分布的透孔，透孔为扇形长圆孔，孔径大于入射光斑大小，孔壁与分光转盘9外表面角度为45°，分光转盘9的上反射面与下底面平行，分光转盘9上表面面向扩束望远镜物镜1和入射激光束，下底面面向扩束望远镜目镜2，左面面向光束变换组合镜中第一抛物面反射镜4，右面面向光束变换组合镜中第二抛物面反射镜7，分光转盘9与入射激光束光轴间呈45°夹角，离焦放置在扩束望远镜以及抛物面反射镜焦点附近，转盘9由高速电机带动绕其中心轴旋转，分光转盘9反射面应具有高反射率，采用导电体材料铜、铝或钢，可以用抛光方法提高反射面的反射率，表面镀铜或金等。

工作时，连续激光发生器8的激光处理头沿着旋转的轧辊10移动，分光转盘9逆时针旋转、轧辊10顺时针旋转，由透射光束进行毛化，光束传输路径是：物镜1→目镜2→聚焦镜3，由反射光束进行预热，光束传输路径是：物镜1→第一抛物面反射镜4→第一平面反射镜5→第二平面反射镜6→第二抛物面反射镜7→目镜2→聚焦镜3。

当激光束被分光转盘9反射面反射时，激光束通过光束变换组合镜经反射聚焦后对轧辊10表面的Q’点进行预热及强化。当分光转盘9转到透孔时，激光束通过扩束望远镜、聚焦镜3聚焦到轧辊10表面的Q点进行融化，Q点必须落在Q’形成的线段上，才能达到良好的预热效果和毛化作用，其功率密度在几百千瓦以上，在侧吹气流的作用下形成火山坑状、硬度极高的毛化形貌。光点偏移量QQ’的确定按照被处理表面的材料特性以及运动、几何参数由调节装置进行调节，比如调节焦距、脉冲频率、处理速度等。可调节参数使反射聚焦光斑与透射焦斑具有相同的焦斑尺寸与能量密度，并间隔一定的距离，实现双点毛化的效果。为了在处理表面获得稳定的能量分布，和均匀一致的毛化粗糙度，有必要对飞行光束的进行控制，可在飞行光路中采用计算机控制技术自动补偿焦移，于是焦距和焦点直径保持稳定，在优化的条件下，毛化的轧辊10具有各向同性和均匀一致的粗糙度。

利用大功率CO₂连续激光发生器8和分光转盘9对轧辊10进行毛化，这里给出一个设计实例具体说明。连续激光发生器8采用波长为10.6μm的基模输出为主的横流CO₂连续激光器，功率为1300W，从连续激光发生器8出射的光束直径为18mm，斩光盘9的旋转速度为10⁴转，轧辊10进给速度为1.8m/s，斩光盘9透孔数是60。于是输出脉冲激光频率达到10KHz，可加工出螺旋状分布的毛化微坑。扩束聚焦系统的结构参数为：物镜1焦距f₁＝30mm，目镜2焦距f₂＝90mm，聚焦镜3焦距f₃＝100mm，扩束倍数|M_T|＝3。激光束经调焦后f₁＝f₄＝f₇，其中f₄为第一抛物面反射镜4焦距、f₇为第二抛物面反射镜7焦距，可得焦深z₀₁＝113mm，聚焦光斑直径2W₀₂′＝0.112mm，聚焦点功率密度为1.33×10⁷W/mm²。当置于离焦状态对毛化点预热，光点离焦量为-0.08mm，透射和反射光束的光点偏移量|QQ′|＜0.13mm。在扫描时间0.12ms内，温度迅速升到材料熔化点附近。通过调整激光扫描速度，控制单脉冲功率、脉宽、离焦量等参数，采用惰性辅助气体侧吹，最终可以获得均布分离的火山坑状毛化点。毛化硬度可以达到HV900以上，远高于基体硬度，淬硬凸台提高了轧辊耐磨性。光束调制系统对激光束进行能量调制获得了均匀的温度场，提高毛化质量，减少裂纹。

Claims (10)

1、一种分光式激光毛化调制装置，包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、聚焦镜和轧辊，其特征在于，还包括光束变换组合镜；扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方；连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。

2、根据权利要求1所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的光束变换组合镜由第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜和第一平面反射镜、第二平面反射镜组成，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜分别位于分光转盘左右两侧，第一平面反射镜、第二平面反射镜分别位于第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜下侧，入射光束经分光转盘上表面反射后由第一抛物面反射镜会聚并使光路发生转折，然后光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜改变方向后，再由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘下底面上反射输出，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜与扩束望远镜相互共焦。

3、根据权利要求2所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的第二抛物面反射镜和第二平面反射镜与分光转盘，通过上下左右移动它们的相对位置调整反射输出光束的腰斑大小和位置。

4、根据权利要求2或3所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的分光转盘，其上反射面与下底面平行，分光转盘上表面面向扩束望远镜物镜和入射激光束，下底面面向扩束望远镜目镜，分光转盘左面面向第一抛物面反射镜，分光转盘右面面向第二抛物面反射镜。

5、根据权利要求4所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的分光转盘与入射激光束光轴间呈45°夹角。

6、根据权利要求1或2或5所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的分光转盘，其圆周设有透孔，孔径大于入射光斑大小。

7、根据权利要求6所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的透孔，其孔壁与分光转盘外表面角度为45°。

8、根据权利要求1或2或5所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的分光转盘由电机带动绕其中心轴旋转。

9、根据权利要求1或2或5所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述的分光转盘，其材料为铜、铝或钢，分光转盘反射面镀有铜膜或金膜。

10、根据权利要求1或2所述的分光式激光毛化调制装置，其特征是，所述连续激光发生器发出的激光束，经过扩束望远镜物镜后的入射激光束及转盘对其的反射激光束的光束焦点对分光转盘是离焦的，另外由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘上的光束焦点对分光转盘也是离焦的。

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