CN102380706A - 光纤激光毛化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤激光毛化系统，所述系统包括：光纤激光器，光纤激光器与输出光纤直接耦合或者通过分光闸耦合到输出光纤，输出光纤与机器人相连，从而将激光输出到设置在机器人中的射出头；机器人，其上设置有射出头和侧吹系统，射出头用于将所述光纤激光器输出的激光投射到待加工的工件表面上，侧吹系统设置在射出头的一侧；冷却系统，用于对光纤激光器进行冷却；控制系统，用于控制所述机器人和光纤激光器；机床，机床上设置有待加工的工件。与传统激光毛化相比具有下述技术优势：(a)柔性化特点。(b)不需要预涂层处理。(c)机床的精度要求低。(d)高质高效低成本的特性。该装置的能量密度，加工质量和效率均很高。

Description

光纤激光毛化系统

技术领域

本发明涉及一种激光毛化系统，更具体地说，涉及一种光纤激光毛化系统。

背景技术

激光毛化技术是一项集激光技术、自动控制技术、精密机械、材料科学于一体的高新技术。激光毛化是世界上新近发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。激光毛化轧辊具有比喷丸毛化螺丝更长的使用寿命，在轧板过程中能提高轧制速度，减少板面擦伤，改善板型，在板卷退火中防止粘连，能显著提高工厂的生产率和产品质量。

1984年，比利时冶金研究中心发明了冷轧辊激光毛化技术。他们使用CO₂激光器对轧辊进行毛化处理，并做了一些相关的应用研究。激光毛化技术的发明引起了相关企业及科研人员的极大关注。之后日本、法国、德国开始引进该项技术用于钢铁工业。1990年，日本、韩国的一些研究者开始探索使用Nd:YAG激光器进行轧辊毛化。与此同时，国内的一些研究单位及企业也开始了激光毛化技术的研究。1990年，中国科学院力学研究所与北京吉普汽车有限公司、首都钢铁总公司钢研所、中国大恒公司合作开展了YAG激光毛化冷轧辊技术的攻关研究，并于1992年研制成功我国第一台可用于带钢规模化生产的YAG激光毛化冷轧辊设备。1995年，华中理工大学与武汉钢铁(集团)公司、武汉重型机床厂合作研制成功CO₂激光毛化设备。另外，清华大学，哈尔滨工业大学等单位也进行了一些这方面的研究工作。

现有成熟的激光毛化技术主要有二类：一类是采用CO₂激光器的毛化装置；另一类是采用YAG激光器的毛化设备。

目前国内开发的YAG激光毛化设备主要是采用闪光灯泵浦的Nd:YAG固体激光器。而灯泵固体激光器有一些不可避免的缺点：泵浦光的转换效率低、晶体热效应严重、闪光灯需经常更换、体积庞大。激光毛化设备稳定性差，不能适应规模化生产的要求。

CO₂激光毛化设备体积庞大，自动定位系统复杂，价格也十分昂贵；轧辊作平移运动时，不仅会大幅度增加机床的长度、重量，而且轧辊及其支撑件在重载、低速下，运行极易出现“爬行”，从而影响毛化质量；CO₂激光毛化设备气体消耗量很大，极易出现因气压不足迫使毛化中断，造成废品率升高；激光毛化设备的斩光盘需经常更换；CO₂激光的波长较长(为10.6μm)，金属材料对这种波长的激光的吸收率较低。

发明内容

为了克服现有的激光毛化技术的缺陷，本发明提供了一种光纤激光毛化系统，所述系统包括：光纤激光器，光纤激光器与输出光纤直接耦合或者通过分光闸耦合到输出光纤，输出光纤与机器人相连，从而将激光输出到设置在机器人中的射出头；机器人，其上设置有射出头和侧吹系统，射出头用于将所述光纤激光器输出的激光投射到待加工的工件表面上，侧吹系统设置在射出头的一侧；冷却系统，用于对光纤激光器进行冷却；控制系统，用于控制所述机器人和光纤激光器；机床，机床上设置有待加工的工件。

其中，所述射出头输出的激光在焦点处的光斑直径大约为0.1mm。

其中，光纤激光器输出的是经过调制的脉冲激光束。

其中，在控制系统中设置有PLC控制器。

其中，采用PLC控制器对连续光纤激光器或脉冲光纤激光器的输出进行调制，调制所得到的激光脉冲的重复频率和/或波形。

其中，机器人能够控制射出头进行旋转运动或者左右摆动。

其中，所述光纤激光毛化系统利用下面的A、B、C三种方式之一或者A、B、C三种方式的任意组合来实现毛化点的无序分布，A、使用随机激光脉冲来实现毛化点距的无序分布；B、使射出头绕自身的中心轴做旋转运动，使毛化凸台在毛化坑边缘随机分布；C、以沿设定方向的直线为中心线，使射出头绕该中心线做左右偏转运动。

其中，所述光纤激光器为多模光纤激光器。

其中，所述机床的精度要求为普通车床级别。

其中，所述侧吹系统能够进行三维调节，从而实现侧吹针头到激光工作光斑的角度调节和距离调节。

其中，机床所驱动的工件的旋转运动与机器人的直线运动复合，使得激光在工件上的运动轨迹为螺旋运动轨迹，从而形成覆盖工件表面的包络线。

其中，射出头中设置有透镜，用于将激光聚焦在待加工的工件表面上。

其中，所述光纤激光器的激光输出波长范围为910nm-2100nm，所述光纤激光器的输出功率范围为100W-2000W。

根据本发明的示例性实施例的光纤激光毛化系统还可包括其他工作台，这些工作台设置在机器人导轨旁边，可以在这些工作台上进行焊接、切割、钻孔等多种工艺。

根据本发明的另一方面，还提供了一种实现光纤激光毛化点的无序分布的方法，所述方法利用下面的A、B、C三种方式之一或者A、B、C三种方式的任意组合来实现毛化点的无序分布，A、使用随机激光脉冲来实现毛化点距的无序分布；B、使射出头绕自身的中心轴做旋转运动，使毛化凸台在毛化坑边缘随机分布；C、以沿设定方向的直线为中心线，使射出头绕该中心线做左右偏转运动。

根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置，与传统激光毛化相比具有下述技术优势：(a)柔性化特点。用光纤激光技术与工业机器人配合可在二维和三维空间内实现多种毛化工艺，如无序毛化。(b)使用该装置进行毛化作业时，不需要预涂层处理。(c)机床的精度要求为普通车床级别。(d)多功能的特性。(e)高质高效低成本的特性。该装置的能量密度，加工质量和效率均很高，还由于其高光电转换率和其免维护性使运行成本极低，对水、电、气的消耗都很低。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置。

图2A到图2C是根据本发明的实施例的侧吹系统。

图3示出了经调制后的输出脉冲信号的一个示例。

图4示出了根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置所产生的有序毛化效果。

图5示出了根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置所产生的无序毛化效果。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

如图1所示，根据本发明的实施例的光纤激光毛化系统包括：光纤激光器3，光纤激光器3与输出光纤直接耦合或者通过分光闸4耦合到输出光纤，输出光纤与机器人5相连，从而将激光输出到设置在机器人5中的射出头12；机器人5，其上设置有射出头12和侧吹系统13，射出头12用于将所述光纤激光器3输出的激光投射到待加工的工件表面上，侧吹系统13设置在射出头的一侧；冷却系统2，用于对光纤激光器3进行冷却；控制系统1，用于控制所述机器人5和光纤激光器3；机床6，机床6上设置有待加工的工件7。

其中，控制系统1可以为机器人控制柜1。如图1所示，待加工的工件7具体可以为轧辊，其作为被毛化的对象而设置在机床6上。射出头12中设置有聚焦透镜，其将激光聚焦在待加工的工件7的表面上。

根据本发明的实施例的光纤激光毛化系统的激光光源使用光纤激光器3，执行机构是机器人系统5，激光通过光纤从光纤激光器3输出到安装在机器人系统5的头部的射出头12直接实施无序毛化作业。机器人5可以接受指令控制射出头12做旋转运动或者左右摆动。该光纤激光毛化系统还可包括机器人行走导轨11，机器人5在导轨11上做直线运动。

其中，分光闸4可将光纤激光器3的输出激光分成多路，从而输送给多个机器人(在图1中仅仅示出了一个机器人5)，从而可使多个机器人同时对多个工件进行加工处理。机床6可以使用专业的毛化机床，但是为了节省成本，本发明优选使用普通的机床，例如普通的车床，而传统的使用CO₂激光器或者YAG激光器的毛化设备却不能使用普通的车床，这将在后面阐述。本发明的冷却系统2优选使用冷却水箱系统利用循环水对光纤激光器3进行冷却，这样是为了使光纤激光器3更好地散热，但实际上冷却系统还可以采用风冷等方式。

根据本发明的示例性实施例的光纤激光毛化系统还可包括工作台8、9、10。根据本发明的示例性实施例的光纤激光毛化系统除了毛化，还可以在工作台8、工作台9、工作台10进行焊接、切割、钻孔等多种工艺。这些工作台设置在机器人导轨旁边，从而可以对工件轻松实现多种处理。

本发明的基本原理是：光纤激光器3(可以为连续的也可以为脉冲的)产生的激光根据实际需要受到安装在机器人控制柜1中的PLC(可编程逻辑控制器)的调制，形成高能量密度脉冲激光束(当然本发明只是优选使用PLC来进行调制，但其他调制方式也可达到基本的要求)，并且对光纤激光器的输出进行调制，调制所得到的激光脉冲的重复频率和/或波形。调制后的激光通过光纤传输到机器人系统5，经过射出头12的聚焦后照射到材料表面，材料吸收激光能量后温度升高，使材料在表面一个微小区域内熔化，形成熔池。侧吹系统13将辅助气体(辅助气体的成分可以为氮气、二氧化碳等)通过侧吹针头16吹向熔池，熔池金属被吹到熔池外面，形成一个边缘微凸的毛化坑。当光束停止照射时，由于快速的热传导，毛化坑会很快凝固，这样就会形成硬度升高的凸台。机床6所驱动的轧辊7的旋转运动与机器人5沿着轧辊的纵长方向的直线运动这两种运动的复合，使得激光在待毛化的工件表面上的运动轨迹为螺旋运动轨迹，从而形成覆盖工件表面的包络线。

如图1以及图2A到图2C所示，侧吹系统13可以在三维空间上调节，可以实现侧吹针头16到激光工作光斑的角度调节和距离调节。辅助气体由进气管15输送，通过侧吹针头16吹向待处理工件上的熔池。

本发明为了解决现有技术中的缺陷，采用了光纤激光作为工作光源，光纤激光具有以下显著的优点：(1)由于光纤激光波长比CO₂激光波长(10.6μm)的量级短一个数量级，金属材料对光纤激光的波段有着更高的吸收率，这样可以有效降低毛化设备对激光器输出功率的要求，对于有些待加工材料不需要像CO₂激光毛化那样为了提高吸收率而进行预涂层处理。

其中，F是理想透镜的焦距，D是输入光束在该透镜处的直径，M²是激光模式参数，λ是激光的波长，而由于光纤激光波长比CO₂激光的波长短，所以根据该公式，其聚焦光斑也比CO₂激光小，一般均匀多模光纤激光器经过聚焦后就可达到毛化加工的要求。不需要像CO₂激光器那样使用高质量的基模激光器。(3)光纤激光毛化工艺简单，整机成本比CO₂激光毛化设备低很多。(4)光纤激光光束质量品质高、可靠性强。(5)光纤激光毛化更加环保。(6)电光转换效率高，比传统激光毛化设备的光电转换效率提高15倍以上。(7)维护成本低。(8)结构紧凑、体积小、可移动、更耐久。(9)光纤结构具有较大的单位体积表面积，根据本发明的实施例的使用光纤激光器的毛化设备的冷却要求较低，只需要简单的循环水冷即可，当然，使用风冷系统也可达到基本的要求。

与使用CO₂激光器或YAG激光器的毛化系统相比，采用光纤激光器的激光毛化系统还具有一个优点，即，其输出的激光很容易耦合到输出光纤，从而输出到机器人系统的射出头，不需要昂贵且难以校准的微透镜耦合系统。

由于光纤激光器输出的激光具有发散角度非常小等特性，所以可以选择精度要求仅为普通车床精度级别的机床，而现有技术中的使用CO₂激光器或YAG激光器等的毛化系统必须使用磨床精度级别的机床，因此，根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置节约了昂贵的设备费用。

由于光纤激光波长比CO₂激光的波长短，其聚焦光斑也比CO₂激光小，根据本发明的实施例的机器人的射出头12输出的激光在焦点附近的光斑直径为0.1mm，因此可比现有技术中的毛化方法形成更加密集的毛化点。如可以在1mm距离上输出8个不连续毛化点。

光纤激光器3的输出是经过安装在机器人控制柜1中的PLC特殊调制的高能量密度脉冲激光束。采用PLC对连续光纤激光器进行高重复频率调制(可以通过调制光纤激光器的泵浦源或激光器中的元件等方式来实现)，也对激光脉冲的波形进行调制，从而实现任意脉冲输出。

使用该装置进行毛化作业时可以实现毛化点的无序分布，无序化的实现途径有如下三种，(一)使用随机激光脉冲，可以实现毛化点距的无序分布，如图5，(二)机器人驱动射出头，使射出头绕自身的中心轴(也即激光束的中心线)旋转(当然射出头可同时还保持着沿轧辊7纵长方向的直线运动)，由于射出头12旋转，则固定在射出头旁边的侧吹系统13也随之旋转，其吹出的气流方向就不停变化，熔池金属被吹出的方向也就在变化，从而可以使毛化凸台在毛化坑边缘随机分布。(三)以某一沿设定方向的直线为中心线(例如，以沿竖直方向的直线为中心线)，机器人5带动射出头12绕该中心线左右偏转，从而射出的激光也发生左右偏转，同时侧吹系统也发生左右偏转，可以实现毛化点的正弦分布。这三种方式可以单独使用，也可以联合，从而实现毛化点的无序分布。例如，第二种方式和第三种方式可以复合，其运动方式类似于左右摆动的落地式电风扇，风扇的叶片在绕轴旋转的同时还随整个风扇头左右摆动，不过该风扇缺少本发明的机器人5的射出头的直线运动。

主控系统通过触摸屏实现人机交互，方便用户选择毛化分布形式和设定毛化工艺参数。可设置参数包括：激光功率、主轴转速、激光频率、占空比、频率偏差值、占空比偏差值、变频周期、激光头平移速度。主轴转速是指轧辊的转动速度；占空比是在一串理想的脉冲周期序列中持续时间与脉冲周期的比值；激光头平移速度是指机器人的移动速度，调节该参数即可调节两列毛化点之间的间隔。

脉冲调制控制系统可通过PLC脉冲输出端口来输出脉冲频率和占空比可调整的脉冲，同时在脉冲输出时对其频率调整，实现随机的脉冲频率输出，图3示出了经调制后的输出脉冲信号的一个示例。

<第一实施例>

使用根据本发明的光纤激光毛化系统，对材料为Cr12的工件进行毛化，毛化参数如表1的第一实施例一列所示。实现的有序毛化效果如图4所示。使用根据本发明的光纤激光毛化系统进行有序毛化，具有如下技术效果：(1)改善深冲性能的技术特点。激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通，有利于用冲压成形时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整，同时减少冲压用油量。与电火花等加工技术相比，深冲性能更为优良。(2)提高涂镀性能和鲜映度的特点。激光毛化的轧辊表面保留有较大的平坦光亮部份(最大可达60％)，使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。为用户增加了产品的竞争能力。(3)板型可开发的技术特点。激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节范围大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。与电火花等技术相比，表面没有很多无序的针状尖峰，粗糙度更为均匀。(4)强化轧辊的表面强度，提高轧辊使用寿命的技术特点。激光毛化的轧辊，其轧辊表面均匀分布了密集的高强度的硬化质点，它可减少轧辊消耗，减少换辊量、提高轧机生产效率。比其他方式毛化的轧辊使用寿命提高100％。(5)无变形的技术特点。保证轧辊磨削辊型不变，有利于轧机板形控制。(6)低成本的技术特点。激光毛化作业消耗少，运行费用低，作业介质安全。(7)环保的技术特点。作业时无粉尘，废油等工业废料和噪声的排出。有利于环境保护，节省三废处理投资。(8)配置简洁特点。满足相同规模的轧材生产能力所需配备的设备少，电力装机容量小。(9)毛化工作面准备粗糙度要求低，在0.5μm～0.6μm。

表1毛化参数

组别	第一实施例(图4)	第二实施例(图5)
			激光功率(W)	900	625
脉冲频率(HZ)	2500	2000-3000
			脉冲波形	方波	方波
平移速度(mm/s)	0.278	0.278
			轧辊转速(rpm)	50	50
气体方向	滞后	滞后
			气体流量(L/min)	3-4	3-4
气体角度(°)	30	30
			离焦量(mm)	0	0
占空比	5.50％	5.50％

<第二实施例>

使用根据本发明的光纤激光毛化系统对材料为9Cr3Mo、直径280mm、长度为1550mm的轧辊进行毛化，毛化参数如表1的第二实施例一列所示。实现的无序毛化效果如图5所示。经过光纤激光毛化的轧辊，其表面形貌可以通过调节激光毛化工艺参数(如激光功率、离焦量、脉冲重复频率、脉冲宽度、辅助气体成分、方向、流量等)来精确控制；激光毛化对冷轧辊的硬度没有限制。光纤激光表面毛化处理中产生的凸台形貌特征对金属板材的深冲压性能、涂镀性能或机械零件接触表面(如机械密封、内燃机中的活塞环、推力轴承等)的摩擦性能有很大程度的影响。这些微小的毛化凹坑可以储存润滑剂或金属碎屑，以改善板材在深冲压过程中的润滑性能、降低机械零件接触表面的摩擦并减少机械零件的损耗；毛化表面增大了涂料和材料的接触面积，可以提高材料对涂漆的吸附能力和涂漆光亮度；金属板材的毛化表面使得板材与板材之间接触时存在一定的微小空隙，防止板材在退火时发生粘连现象；激光毛化加工过程中，激光作用到材料表面后，温度迅速上升，而激光束停止照射后，温度又由于热传导扩散而迅速下降，这实际上相当于是一次快速激光淬火，即相变硬化过程，可以提高被加工材料(如轧辊等)的表面硬度及耐磨性，从而提高其使用寿命。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了根据本发明的实施例的光纤激光毛化装置，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种光纤激光毛化系统，所述系统包括：

光纤激光器，光纤激光器与输出光纤直接耦合或者通过分光闸耦合到输出光纤，输出光纤与机器人相连，从而将激光输出到设置在机器人中的射出头；

机器人，其上设置有射出头和侧吹系统，射出头用于将所述光纤激光器输出的激光投射到待加工的工件表面上，侧吹系统设置在射出头的一侧；

冷却系统，用于对光纤激光器进行冷却；

控制系统，用于控制所述机器人和光纤激光器；

机床，机床上设置有待加工的工件。

2.根据权利要求1所述的光纤激光毛化系统，其中，所述射出头输出的激光在焦点处的光斑直径大约为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的光纤激光毛化系统，其中，光纤激光器的输出是经过调制的脉冲激光束。

4.根据权利要求1所述的光纤激光毛化系统，其中，在控制系统中设置有PLC控制器。

5.根据权利要求4所述的光纤激光毛化系统，其中，采用PLC控制器对连续光纤激光器或脉冲光纤激光器的输出进行调制，调制所得到的激光脉冲的重复频率和/或波形。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，机器人能够控制射出头进行旋转运动或者左右摆动。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，所述光纤激光毛化系统利用下面的A、B、C三种方式之一或者A、B、C三种方式的任意组合来实现毛化点的无序分布，

A、使用随机激光脉冲来实现毛化点距的无序分布；

B、使射出头绕自身的中心轴做旋转运动，使毛化凸台在毛化坑边缘随机分布；

C、以沿设定方向的直线为中心线，使射出头绕该中心线做左右偏转运动。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，所述光纤激光器为多模光纤激光器。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，所述机床的精度要求为普通车床精度级别。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，所述侧吹系统能够进行三维调节，从而实现侧吹针头到激光工作光斑的角度调节和距离调节。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤激光毛化系统，其中，机床所驱动的工件的旋转运动与机器人的直线运动复合，使得激光在工件上的运动轨迹为螺旋运动轨迹，从而形成覆盖工件表面的包络线。

12.一种实现激光毛化点的无序分布的方法，所述方法利用下面的A、B、C三种方式之一或者A、B、C三种方式的任意组合来实现毛化点的无序分布，

A、使用随机激光脉冲来实现毛化点距的无序分布；

B、使射出头绕自身的中心轴做旋转运动，使毛化凸台在毛化坑边缘随机分布；

C、以沿设定方向的直线为中心线，使射出头绕该中心线做左右偏转运动。

Images