CN101862901A - 聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法，其使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束入射于伪随机声光偏转系统中的声光偏转器，通过由伪随机电信号控制的声光偏转器作用后产生二维随机无规则偏转的一个小角度，且在上述过程中，同时使用一置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉冲激光束进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊表面无规则扫描的聚焦光点对轧辊表面进行毛化加工，并在轧辊表面形成随机无规则毛化点分布。本发明方法处理的轧辊在轧制钢板时，可以形成的无规则毛化点分布，可以提供各种板型，提高了钢板的轧制质量。

Description

聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法及装置

技术领域

本发明属于辊类表面激光毛化处理领域，特别涉及一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法及装置。

背景技术

具有特殊表面形貌的毛化冷轧薄钢板在制造业中，特别是在汽车与家电产业中有着广泛的应用。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理后的轧辊轧制而成的，因此毛化轧辊的表面形貌特征对冷轧薄钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。

为了确保冷轧钢板具有优良的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄钢板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的表面进行毛化处理，以轧制出满足用户特殊工艺要求的毛化冷轧钢板。

激光轧辊毛化技术是现在使用的几种毛化技术(包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化)中实用而又先进的一种毛化技术。

激光毛化技术是将聚焦后的高能量、高重复频率的脉冲激光束照射到轧辊表面，利用激光束的高亮度在轧辊表面形成非常高的能量密度，对激光聚焦处的轧辊表面实施加热、熔化并部分汽化，以致在轧辊表面形成微小毛化坑。其基本原理是：对经过特殊调制的高能量密度(10⁴～10⁶W/cm²)、高重复频率(10³～10⁴次/秒)的脉冲激光束进行聚焦，并使其作用于作旋转运动的轧辊表面形成微小熔池；同时吹以一定方向、压力和流量的辅助气体，对熔池熔融金属进行挤压造型；短激光脉冲作用后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相变硬化点。与此同时，聚焦脉冲激光束沿轧辊长度方向移动，以完成对整根轧辊表面的毛化加工。

目前，激光毛化轧辊技术主要分为两大类：一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化，另一类则是采用气体CO₂激光器的CO₂激光毛化。其共同特点是：采用声光调Q的Nd:YAG激光器或经特殊调制的CO₂激光器作为脉冲激光加工源，由光源输出的脉冲激光经激光加工头聚焦后，作用于以一定转速旋转的轧辊表面；加工过程中，激光加工头的横向移动配合轧辊的旋转运动，从而在轧辊表面形成等螺距的螺旋扫描线点阵毛化坑分布。例如：中国专利“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”(专利号：ZL94220848.X)与中国专利“分光式激光毛化调制装置”(专利号：ZL200710041118.9)。

上述激光轧辊毛化工艺的基本特征是：毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布。由于螺旋扫描线的螺距(一般为0.1～0.4mm)相对于轧辊直径来说非常小，可以认为：螺旋扫描线每一圈上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的一条螺旋直线上；因此整个轧辊面上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的多条等间距(即螺距)的平行螺旋线上。但一般情况下，各圈之间的毛化坑的相对位置分布是不固定的；因而在轧辊长度方向上，毛化坑呈非直线形分布，如图1所示，基本上可以认为是无规律的。

上述毛化坑分布形式存在两个明显的缺点：

1.虽然轧辊表面的激光毛化坑很浅，但对于大面积的毛化冷轧钢板，还是可以明显地感觉到冷轧钢板在沿长度方向上(沿轧辊圆周方向轧制)存在均匀分布的直线，而在冷轧钢板的横向方向则没有明显的直线分布。

2.在冷轧钢板的长度方向容易形成拉伤，形成沿冷轧钢板长度方向上很细的直线划痕。仔细观察这些划痕，发现绝大部分划痕出现在对应轧辊表面两圈毛化坑之间的一条直线形空白区域内。分析这些直线划痕形成的原因，是因为在两圈毛化坑之间的直线形空白区域内，轧辊是平滑的，轧辊与钢板之间紧密接触；如果在钢板轧制过程中形成铁屑，则这个铁屑不能够被轧辊表面的毛化坑吸收，始终存在于钢板与轧辊之间，连续划出可见的直线痕迹。

综上所述，如果毛化板表面的毛化点随机无序的无规则分布，则既可以解决了毛化板表面毛化点分布的均匀度问题而提高毛化板的美观性，又可以提高毛化板的质量。

发明内容

本发明目的是：为解决现有技术存在的问题而提供一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法及装置，所述方法及装置可以使聚焦光点在小范围内二维随机扫描，从而在轧辊表面加工出无规则的毛化点分布，通过该方法及装置处理的轧辊在轧制钢板时，不会在钢板的长度方向上形成划痕，从而提高钢板的轧制质量。

本发明的技术方案如下：首先是一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法，其特征在于：使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束入射于伪随机声光偏转系统中的声光偏转器，通过由伪随机信号控制的声光偏转器作用后产生二维随机无规则偏转的一个小角度，且在上述过程中，同时使用一置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉冲激光束进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊表面无规则扫描的聚焦光点对轧辊表面进行毛化加工，并在轧辊表面形成随机无规则毛化点分布。

本发明的上述聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法，进一步按照下述具体步骤对轧辊表面实施毛化加工：

1)由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹轧辊；

2)启动数控机床，使轧辊按设定的转速旋转，同时使搭载伪随机声光偏转系统及聚焦机构的工作平台沿轧辊的长度方向平移；

3)使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束入射到伪随机声光偏转系统中的声光偏转器；

4)通过伪随机声光偏转系统中的计算机控制器与伪随机信号发生器联合设定声光偏转驱动器的伪随机电信号频率范围及幅值范围，使脉冲激光束经过声光偏转器作用后在一个二维小角度范围内作无规则扫描；

5)通过置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉冲激光束进行聚焦；

6)在数控机床对轧辊转速、工作平台平移速度的控制及由计算机控制器与伪随机信号发生器对声光偏转驱动器输出的伪随机电信号频率范围、幅值范围的控制下，使所述以螺旋线上的点为中心的小范围二维无规则随机扫描的聚焦光点对轧辊进行毛化加工，在轧辊表面上打出无规则的毛化点分布。

本发明同时提供了一种能够实现上述加工方法的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，该装置能够在轧辊表面形成无规则毛化点分布，并且结构简单、质量可靠。

一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，包括高功率脉冲激光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及用于安装轧辊并与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖，所述工作平台上装有伪随机声光偏转系统和聚焦机构，所述伪随机声光偏转系统由顺序电连接的声光偏转器、声光偏转驱动器、伪随机信号发生器及计算机控制器构成，声光偏转器的声光频率及幅值变化由声光偏转驱动器输出的电信号所控制，同时计算机控制器与伪随机信号发生器联合控制声光偏转驱动器输出的伪随机电信号的信号频率和幅值范围，所述聚焦机构置于声光偏转器的前部或者后部。

本发明的上述装置中，所述伪随机信号发生器可以在一定的幅值范围内以一定的频率输出随机变化的伪随机信号，输出的最大幅值和变化频率由计算机控制器设定。伪随机信号量的输出是电信号发生中的一种标准输出方式。

本发明的上述装置中，脉冲激光束经过声光偏转器作用之后的小角度无规则偏转，一般可以实现3到100mrad范围的无规则偏转。所述声光偏转驱动器的常规工作频率范围为1Hz到100KHz。

本发明的上述装置中，所述高功率脉冲激光器是YAG脉冲激光器，所述YAG脉冲激光器为调Q式脉冲激光器或者外调制脉冲激光器。

本发明的上述装置中，所述聚焦机构为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

本发明的上述装置中，所述高功率脉冲激光器和伪随机声光偏转系统之间的激光传输光路上还设置有光学元件系统。所述光学元件系统是根据实际系统需要而使用的由一系列光学元件构成的机构，既可以是扩束系统，也可以是导光系统，均为常规技术。

本发明的上述装置在具体工作时，同常规技术一样，待加工的轧辊工件由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制。伪随机信号的幅值范围与频率范围均由计算机控制器设定。所述数控机床采用现有的设备，例如XL9型数控车床。

本发明的优点是：

1.本发明方法及装置由于采用伪随机信号控制的声光偏转器，实现了聚焦光点随机无规则偏转的毛化加工，在轧辊表面形成无规则排布的毛化坑分布，使得轧辊表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的螺旋线。故采用本发明方法及装置生产出来的轧辊在轧制钢板时，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

2.同时本发明提供的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置还具有如下优点：

(1)采用伪随机信号控制声光偏转驱动器，实现了声光偏转器对聚焦光点在轧辊表面上在一个小范围二维空间内无规则扫描。这种方法结构简单、成本低，而且维修方便。

(2)采用声光偏转器实现激光束的二维随机无规则偏转，可方便地使轧辊表面聚焦光点在二维小范围内随机无规则快速摆动。因为声光驱动器的工作频率在1Hz到100KHz范围内变化，所以聚焦光点可以实现非常高速度进行随机无规则摆动，从而大大提高了激光毛化的加工效率。

(3)采用计算机控制器、伪随机信号发生器联合控制声光偏转驱动器输出信号的频率范围及幅值范围，可以非常方便地根据轧辊转动速度和工作台平移速度的需要而实时控制轧辊表面随机无规则摆动的频率范围及空间范围。因此，本发明的伪随机声光偏转系统结构简单、使用方便，而且可以灵活地根据实际要求进行实时控制。

(4)由于数控机床采用的是三轴联动的数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计算机控制相结合，非常方便于在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可实现辊面毛化坑的多种分布，产品质量好。

总之，本发明所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置整体结构简单、使用寿命长，并且工作稳定，加工效率高、产品质量好。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为常规激光毛化工艺在轧辊上形成的毛化坑分布示意图(毛化坑沿轧辊圆周方向是直线形分布，但在轧辊长度方向上是非直线形分布)；

图2为本发明一种具体实施例的外部结构示意图；

图3为聚焦机构放置于声光偏转器后部状态的聚焦光点小范围二维随机扫描系统图；

图4为聚焦机构放置于声光偏转器前部状态的聚焦光点小范围二维随机扫描系统图；

图5为伪随机声光偏转系统的工作原理图；

图6为本发明提供的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置在轧辊表面形成的毛化坑分布。

具体实施方式

实施例：如图2、图3和图5所示为本发明提供的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置的一种具体实施方式，包括高功率脉冲激光器1和数控机床3，所述数控机床3的床身上装有通过平移导轨303驱动的工作平台12及用于安装轧辊13并与平移导轨303平行的轧辊转轴301和顶尖302，所述工作平台12上装有伪随机声光偏转系统4和聚焦机构6，所述伪随机声光偏转系统4由顺序电连接的声光偏转器401、声光偏转驱动器402、伪随机信号发生器403及计算机控制器404构成，声光偏转器401的声光频率及幅值变化由声光偏转驱动器402输出的电信号所控制，同时计算机控制器404与伪随机信号发生器403联合控制声光偏转驱动器402输出的伪随机电信号的信号频率和幅值范围，所述聚焦机构6置于声光偏转器401的后部，同时具体如图5所示，本实施例中在高功率脉冲激光器1和伪随机声光偏转系统4之间的激光传输光路上还设置有光学元件系统5，所述光学元件系统5在图2中并未示出。

本实施例中的所述高功率脉冲激光器1采用YAG激光器，其输出功率从100～2000瓦连续可调，激光输出波长为1.06μm。本实施例中所述光学元件系统5是扩束镜。所述聚焦机构6为透射式聚焦镜。具体结合图5所示，所述伪随机声光偏转系统4由声光偏转器401、声光偏转驱动器402、伪随机信号发生器403及计算机控制器404构成；其中，声光偏转器401的声光频率及幅值变化由声光偏转驱动器输出的电信号所控制，同时计算机控制器404与伪随机信号发生器403联合控制声光偏转驱动器输出电信号的频率范围和幅值范围。因此，由高功率脉冲激光器1输出的脉冲激光束2经过由伪随机信号控制的声光偏转器401作用后，产生一个与伪随机信号相对应的无规则偏转二维小角度θ；其中，所述声光偏转器401的偏转角度高达3到100mrad，所述声光偏转驱动器402的常规工作频率范围为1Hz到100KHz。

结合图2、图3、图5所示，对采用上述实施例装置对轧辊进行毛化加工的方法及原理进行说明，所述方法具体分成下述几个步骤：

1)由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹轧辊13，具体如图2所示；

2)启动数控机床3，使轧辊13按设定的转速旋转，同时使搭载伪随机声光偏转系统4及聚焦机构6的工作平台12沿轧辊13的长度方向平移；同常规技术一样，所述轧辊13由轧辊转轴301带动旋转，转速由数控机床3控制；而所述工作平台12可作三维运动，其运动也由数控机床3控制，伪随机声光偏转系统4和聚焦机构6随工作平台12一起移动；

3)使高功率脉冲激光器1输出的脉冲激光束2经光学元件系统5入射到伪随机声光偏转系统4中的声光偏转器401，具体如图3所示；

4)通过伪随机声光偏转系统4中的计算机控制器404与伪随机信号发生器403联合设定声光偏转驱动器402的伪随机电信号频率范围及幅值范围，使脉冲激光束2经过声光偏转器401作用后在一个二维小角度范围内作无规则扫描，具体如图5所示；

5)通过置于声光偏转器401后部的聚焦机构6对进入或射出声光偏转器401的脉冲激光束2进行聚焦；

6)在数控机床3对轧辊13转速、工作平台12平移速度的控制及由计算机控制器404与伪随机信号发生器403对声光偏转驱动器402输出的伪随机电信号频率范围、幅值范围的控制下，使所述以螺旋线上的点为中心的小范围二维无规则随机扫描的聚焦光点对轧辊13进行毛化加工，在轧辊13表面上打出无规则的毛化点分布。

具体如图6所示，由于轧辊13表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线，故采用上述装置生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

实施例2：具体结合图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中将聚焦机构6放置于声光偏转器401前部，聚焦机构6依然采用透射式聚焦镜，而本实施例其余同实施例1。这样高功率脉冲激光器1发射出的脉冲激光束2经过光学元件系统5之后入射到聚焦机构6聚焦，然后再经由伪随机信号控制的声光偏转器401偏转而在轧辊13的表面而进行毛化加工。聚焦机构6的等效焦距相对实施例1更长，这是由于声光偏转器401放置于聚焦机构6与轧辊13表面之间所致。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法，其特征在于：使高功率脉冲激光器(1)输出的脉冲激光束(2)入射于伪随机声光偏转系统(4)中的声光偏转器(401)，通过由伪随机电信号控制的声光偏转器(401)作用后产生二维随机无规则偏转的一个小角度，且在上述过程中，同时使用一置于声光偏转器(401)前部或者后部的聚焦机构(6)对进入或射出声光偏转器(401)的脉冲激光束(2)进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊(13)表面无规则扫描的聚焦光点对轧辊(13)表面进行毛化加工，并在轧辊(13)表面形成随机无规则毛化点分布。

2.根据权利要求1所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工方法，其特征在于按下述具体步骤对轧辊(13)表面实施毛化加工：

1)由数控机床(3)上的轧辊转轴(301)和顶尖(302)装夹轧辊(13)；

2)启动数控机床(3)，使轧辊(13)按设定的转速旋转，同时使搭载伪随机声光偏转系统(4)及聚焦机构(6)的工作平台(12)沿轧辊(13)的长度方向平移；

3)使高功率脉冲激光器(1)输出的脉冲激光束(2)经光学元件系统(5)入射到伪随机声光偏转系统(4)中的声光偏转器(401)；

4)通过伪随机声光偏转系统(4)中的计算机控制器(404)与伪随机信号发生器(403)联合设定声光偏转驱动器(402)的伪随机电信号频率范围及幅值范围，使脉冲激光束(2)经过声光偏转器(401)作用后在一个二维小角度范围内作无规则扫描；

5)通过置于声光偏转器(401)前部或者后部的聚焦机构(6)对进入或射出声光偏转器(401)的脉冲激光束(2)进行聚焦；

6)在数控机床(3)对轧辊(13)转速、工作平台(12)平移速度的控制及由计算机控制器(404)与伪随机信号发生器(403)对声光偏转驱动器(402)输出的伪随机电信号频率范围、幅值范围的控制下，使所述以螺旋线上的点为中心的小范围二维无规则随机扫描的聚焦光点对轧辊(13)进行毛化加工，在轧辊(13)表面上打出无规则的毛化点分布。

3.一种用于实现如权利要求1所述加工方法的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，包括高功率激光器(1)和数控机床(3)，所述数控机床(3)的床身上装有通过平移导轨(303)驱动的工作平台(12)及用于安装轧辊(13)并与平移导轨(303)平行的轧辊转轴(301)和顶尖(302)，其特征在于所述工作平台(12)上装有伪随机声光偏转系统(4)和聚焦机构(6)，所述伪随机声光偏转系统(4)由顺序电连接的声光偏转器(401)、声光偏转驱动器(402)、伪随机信号发生器(403)及计算机控制器(404)构成，声光偏转器(401)的声光频率及幅值变化由声光偏转驱动器(402)输出的电信号所控制，同时计算机控制器(404)与伪随机信号发生器(403)联合控制声光偏转驱动器(402)输出的伪随机电信号的信号频率和幅值范围，所述聚焦机构(6)置于声光偏转器(401)的前部或者后部。

4.根据权利要求3所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，其特征在于所述高功率脉冲激光器(1)是YAG脉冲激光器，所述YAG脉冲激光器为调Q式脉冲激光器或者外调制脉冲激光器。

5.根据权利要求3所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，其特征在于所述声光偏转器(401)允许的偏转角度范围为3mrad到100mrad，所述声光偏转驱动器(402)的常规工作频率范围为1Hz到100KHz。

6.根据权利要求3所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，其特征在于所述聚焦机构(6)为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。

7.根据权利要求3所述的聚焦光点无规则偏转的激光辊类表面毛化加工装置，其特征在于所述高功率脉冲激光器(1)和伪随机声光偏转系统(4)之间的激光传输光路上还设置有光学元件系统(5)。

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