CN102049617A - 高功率调q脉冲激光毛化加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，包括脉冲调Q激光器和数控机床，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工件且与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖；工作平台上装有导光机构和激光毛化聚焦头；其特征在于：所述脉冲调Q激光器包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元、Nd:YAG激励介质和由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。本装置采用重复频率高、峰值功率高、单脉冲能量高的脉冲激光器，故可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化加工效率。

Description

高功率调Q脉冲激光毛化加工装置

技术领域

本发明属于辊类表面激光毛化处理领域，特别是涉及一种高功率调Q脉冲激光毛化加工装置。

背景技术

毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊表面毛化，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。

目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类：一类是采用CO₂气体激光器的CO₂激光毛化，另一类是采用Nd:YAG固体激光器的YAG激光毛化。

目前，已经研制成功且用于生产的CO₂激光毛化装置的基本原理是：CO₂激光器发射出的高能连续激光束经光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束；利用聚焦透镜将变换后的脉冲激光束聚焦于被加工的轧辊表面进行毛化；加工过程中，轧辊旋转的同时，激光头与光学发射调制系统沿轧辊长度方向移动，在轧辊表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑。例如：华中科技大学激光院研制的大型CO₂激光轧辊毛化加工成套系统。但由于该系统采用了光调制转盘技术，只有很少一部分激光输出能量能够得到有效地利用，因而其能量利用效率不高；且机械结构复杂、设备体积庞大、相对造价较高。上述CO₂激光毛化设备由于能量利用率比较低，因此其加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。近年来，基于斩光盘光束调制原理的此类激光毛化技术，其主要发展集中体现在：通过设计不同结构形式的光调制转盘(斩光盘)，以提高激光能量利用率。例如：中国专利“一种用于激光调制的转盘”(专利号ZL94218749.0)与中国专利“分光式激光毛化调制装置”(专利号ZL200710041118.9)。

为了克服上述激光毛化技术的不足，本发明专利发明人发明了一种高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及装置，其方法的基本特征是：利用高功率连续激光器输出连续激光束；通过导光机构对该连续激光束进行调制，使其分成K(≥2)路脉冲激光束；利用K个独立的聚焦头分别对K路脉冲激光束进行聚焦后输出，对辊类表面同时进行多头(K个聚焦头)毛化加工，在辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。基于此方法的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置可以同时实现多头毛化加工，加工效率高；激光能量利用效率高，且对激光功率没有限制；但该装置若要进一步提高加工效率，则必须进一步增加聚焦头的数量，这会使装置整机结构变得复杂。

上述发明已于2006年申报国家发明专利(申请号：200610018261.1)与发明专利(申请号：200620095100.8)。目前，发明专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”已获授权(专利号：ZL200610018261.1)，且发明专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工装置”已获授权(专利号：ZL200620095100.8)。

除了CO2激光毛化外，YAG固体激光毛化是另一种可能的激光毛化装置。YAG激光毛化装置的基本原理是：采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光发生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的轧辊表面进行毛化；通过控制调Q频率与轧辊的转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如：中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”(专利号ZL00264774.5)，就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源的。该激光毛化装置的优点是：激光器直接输出脉冲激光，不需要外光路调制，激光能量利用率高；激光波长短(1.06μm)，轧辊表面激光吸收率高，同样带来高的激光能量利用率。但其缺点是：所使用的声光调Q器件虽然具有较高的脉冲频率，但其衍射效率是有限的；因此，当激光增益很高时，声光调Q器件无法提供足够高的损耗使激光器的振荡有效关断。综上所述，声光调Q脉冲Nd:YAG激光器的单脉冲能量低，平均功率也低，从而导致毛化粗糙度有限，生产效率低，特别是在较高粗糙度要求下生产效率更低，难以满足大型轧钢厂的生产需要。

发明内容

本发明目的是：针对现有毛化加工装置毛化粗糙度有限，生产效率低的缺点而提供一种高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，该装置采用重复频率高、峰值功率高、单脉冲能量高的脉冲调Q激光器，从而可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化加工效率。

本发明的技术方案是：一种高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，包括脉冲调Q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工件且与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖；所述工作平台上装有导光机构和激光毛化聚焦头；其特征在于：所述脉冲调Q激光器包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元、Nd:YAG激励介质和由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。

本发明中所述的脉冲调Q激光器是本发明的设计核心，其利用机械调制盘实现调Q，相比现有的声光脉冲调Q激光器，平均功率及单脉冲能量更高。对于该脉冲调Q激光器，本发明还有如下附加技术特征：

所述机械调制盘上的通光部位具体可以是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。当通光切口的数量较多时，机械调制盘的外缘则呈锯齿状。

或者，所述通光部位也可以是通光孔。

或者，所述机械调制盘上的通光部位大于一个时，也可以部分为通光孔，而余下的则是开设于机械调制盘外缘上的通光切口。

本发明中所述脉冲调Q激光器主要采用一个高速旋转的机械调制盘以实现激光器的调Q，其主要的工作原理如下：机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么将在Nd:YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通光部位旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光部位交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。

并且当所述机械调制盘上的通光部位大于一个时，这些通光部位可呈圆周等间距分布于机械调制盘上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出脉冲的重复频率是恒定的。当然所述通光部位大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，那么激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也是不一致的，重复频率不是恒定的。

为了提高激光器从关断过渡到开启的速度，一般要求谐振腔存在一个光斑非常小的位置，并将机械调制盘放置于该位置。这样当机械调制盘的通光孔或者通光切口的边缘扫过这个光斑时，激光器从关断到开启的过渡时间就会非常短。为了使谐振腔中某一位置产生直径很小的光斑，本发明可采取以下两种方案：

1)在所述谐振腔内增设一对透射式聚焦镜，该对透射式聚焦镜于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

2)在所述谐振腔内增设一个透射式聚焦镜，该透射式聚焦镜与激光器原先的输出透反镜相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

当然除了采用上面讲到的于谐振腔中产生小直径光斑的方法缩短激光器从关断到开启的时间之外，本发明还可以通过下述两种方案来达到同样的目的：

3)把通光切口或者通光孔加工成锥形结构。

4)保持通光孔或者通光切口的间隙尺寸不变，使所述机械调制盘相对激光光轴以角度θ倾斜放置，θ为机械调制盘的转轴与激光光轴的水平方向夹角，取值为10°～45°。

值得一提的是上述方案3)或者4)可以与方案1)或者2)结合运用，从而更进一步的减小激光器从关断到开启的时间。并且当方案1)或者2)与方案3)结合运用时，本发明中优选使得呈锥形结构的通光切口(或者通光孔)的锥角大于望远准直系统共焦面上的光斑发散角。

本发明中所述机械调制盘的材料为具有足够高机械强度的遮光材料，例如各种金属，考虑到尽可能减小机械调制盘在旋转过程中的旋转惯量，优选比重小的材料，例如铝或合金铝材。

本发明中所述连续泵浦单元同常规技术一样，可采用灯泵浦单元，例如连续氪灯泵浦单元；当然也可以采用连续输出的半导体泵浦单元。且本发明为了获得高重复频率，机械调制盘的旋转速度应该足够高，通常采用每分钟数千至数万转的转速，该转速由数控机床控制。

本发明中所述脉冲调Q激光器的输出透反镜外侧进一步设有输出聚焦透镜，用于对输出透反镜输出的脉冲激光束进一步聚焦。

本发明提供的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置在具体毛化加工时，同现有技术一样，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。所述数控机床采用现有的设备，例如XL9型数控车床。脉冲调Q激光器发出的脉冲激光束经过导光机构导向，再经过激光毛化聚焦头聚焦形成聚焦光点对轧辊工件表面实施毛化加工，在数控机床对轧辊工件转速、机械调制盘转速及工作平台平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊工件表面加工形成螺旋扫描线点阵毛化坑分布。

本发明的优点是：

1.本发明中采用的脉冲调Q激光器的关断由于是通过机械调制盘的非通光部位实现的，当激光被关断时实际上就等同于在激光器中直接插入了一个机械开关，因此对应的关断能力几乎是无限的。这种关断方式对激光器功率没有任何限制，可以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和激光脉冲频率。

2.本发明中采用的脉冲调Q激光器不但具有与声光脉冲调Q激光器一样的高重复频率脉冲输出，而且可以同时产生与转镜调Q、电光调Q及染料调Q等脉冲激光器一样的高峰值功率巨脉冲输出。不仅如此，该脉冲调Q激光器解决了目前声光调Q脉冲激光器在实现高稳定、高重复频率、高峰值功率及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。综上所述，本发明借助脉冲调Q激光器提供的稳定性高、重复频率高、峰值功率高、脉冲能量高及脉宽短的脉冲激光输出，可加工更深厚度的辊类材料，应用于激光毛化时可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化频率和毛化加工效率。

3.本发明整体结构简单、成本低，使用寿命长，工作稳定，生产维护容易。

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为本发明的整体外部结构示意图；

图2为本发明中脉冲调Q激光器的第一结构原理图；

图3为本发明中脉冲调Q激光器的第二结构原理图；

图4为本发明中脉冲调Q激光器的第三结构原理图；

图5为图4中机械调制盘的倾斜放置示意图；

图6为图5的A-A视图；

图7为本发明在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示为本发明高功率调Q脉冲激光毛化加工装置的一种具体实施方式，它包括脉冲调Q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及用于安装轧辊工件13且与平移导轨303平行的轧辊转轴301和顶尖302；所述工作平台12上装有导光机构4和激光毛化聚焦头6。结合图2所示，本实施例中所述脉冲调Q激光器1的组成如下：由输出透反镜102和全反镜103构成的谐振腔、置于所述谐振腔内的连续泵浦单元101和Nd:YAG激励介质，以及置于所述谐振腔内的机械调制盘105和高速电机106。本实施例中所述连续泵浦单元101采用连续氪灯泵浦单元，所述机械调制盘105由铝材料制成，并置于连续泵浦单元101和输出透反镜102之间。机械调制盘105的转轴位于连续泵浦单元101输出的激光光轴上方，并与高速电机106的输出轴相连，从而能够在高速电机106的带动下高速旋转。而在机械调制盘105的外缘上开设有30个呈圆周等间距分布的通光切口(图中只画出2个通光切口)，这些通光切口可藉由机械调制盘105的转动而交替供激光光轴通过。并且本实施例中所述脉冲调Q激光器1的输出透反镜102外侧还设有输出聚焦透镜104。

本实施例中所述脉冲调Q激光器1的工作原理如下：机械调制盘105旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元101提供能量，那么将在Nd:YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘105的旋转，当通光切口旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘105旋转的过程中，非通光部位与通光切口交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启。并且由于连续泵浦单元101不断提供连续的激光能量，那么激光器就将输出恒定高重复频率、高能量的激光脉冲。并且由于本实施例中在输出透反镜102外侧还设有输出聚焦透镜104，故由输出透反镜102输出的脉冲激光束将通过输出聚焦透镜104进一步聚焦后再输出。

如图1所示，本实施例在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊工件13由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹，并由轧辊转轴301带动旋转，其转速由数控机床3控制。数控机床3上的工作平台12可作三维运动，其平移速度由数控机床3控制。所述数控机床3采用现有的设备，例如XL9型数控车床。脉冲调Q激光器1发出的脉冲激光束2经导光机构4导向，再经过激光毛化聚焦头6聚焦形成1个聚焦光点对轧辊工件13表面实施毛化加工。在数控机床3对轧辊工件13转速、机械调制盘105转速及工作平台12平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊工件13表面加工形成1条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体结合图7所示，该螺旋扫描线点阵的纵向点间距根据轧辊工件13表面粗糙度要求可设为b＝50～500μm，横向点间距ΔX根据轧辊工件13表面粗糙度要求也可设为50～500μm，螺旋扫描线螺距为ΔX。

实施例2：本实施例与实施例1的区别在于对脉冲调Q激光器1内部结构的改变，具体如图3所示：本实施例中脉冲调Q激光器1的谐振腔内还设有第一透射式聚焦镜107和第二透射式聚焦镜108，且该第一透射式聚焦镜107和第二透射式聚焦镜108于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且所述机械调制盘105恰好位于该望远准直系统的共焦面上。本实施例其余与实施例1相同。结合图3所示，本实施例由于在谐振腔内引入了望远准直系统，使谐振腔内存在一个光斑很小的位置(该光斑也即望远准直系统的共焦点)，当机械调制盘105高速旋转时，其上的通光切口边缘扫过这个光斑的速度将更快，故与实施例1相比，本实施例内的脉冲调Q激光器1从关断到开启的过渡时间更短，脉冲能量更高，脉宽更短。

实施例3：如图4所示，本实施例与实施例2的区别在于对脉冲调Q激光器1内部结构的改变，相比实施例2，本实施例中的脉冲调Q激光器1的改变有如下两点：

1)将所述谐振腔内的第二透射式聚焦镜108去除而仅保留第一透射式聚焦镜107，且该第一透射式聚焦镜107与谐振腔本身的输出透反镜102相对布置而构成望远准直系统，并且所述机械调制盘105也恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

2)结合图5、图6所示，本实施例中的机械调制盘105相对激光光轴以角度θ倾斜放置，所述θ为机械调制盘105的转轴与激光光轴的水平方向夹角，本实施例中的θ取值为20°。本实施例其余与实施例2相同。

本实施例中同样在谐振腔内引入了望远准直系统，但同时本实施例还通过将机械调制盘105倾斜布置的方式缩短了激光束2从关断到开启的开启时间，从而提高了脉冲的峰值功率。故相比实施例2，本实施例的激光器从关断到开启的过渡时间更短，脉冲能量更高，脉宽更短。

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 (9)

1.一种高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，包括脉冲调Q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)及用于安装轧辊工件(13)且与平移导轨(303)平行的轧辊转轴(301)和顶尖(302)；所述工作平台上装有导光机构(4)和激光毛化聚焦头(6)；其特征在于：所述脉冲调Q激光器(1)包括由输出透反镜(102)和全反镜(103)构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元(101)、Nd:YAG激励介质和由高速电机(106)带动旋转的机械调制盘(105)，所述机械调制盘(105)由遮光材料制成并且其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位。

2.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述谐振腔内还设有一对透射式聚焦镜(107、108)，该对透射式聚焦镜(107、108)于激光光轴上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘(105)恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

3.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述谐振腔内还设有一个透射式聚焦镜(107)，该透射式聚焦镜(107)与所述输出透反镜(102)相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制盘(105)恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

4.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述通光部位是开设于机械调制盘(105)外缘上的通光切口。

5.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述通光部位是通光孔。

6.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述通光部位大于一个时，部分为通光孔，而余下的则为开设于机械调制盘(105)外缘上的通光切口。

7.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述通光部位大于一个时，呈圆周等间距或非等间距分布于机械调制盘(105)上。

8.根据权利要求1或2或3所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述机械调制盘(105)相对激光光轴以角度θ倾斜放置，θ为机械调制盘(105)的转轴与激光光轴的水平方向夹角，取值为10°～45°。

9.根据权利要求1所述的高功率调Q脉冲激光毛化加工装置，其特征在于所述脉冲调Q激光器(1)的输出透反镜(102)外侧还设有输出聚焦透镜(104)。

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