CN106425085A - 一种激光毛化加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种新型激光毛化加工装置，包括固体激光系统和毛化机床，固体激光系统包括固体激光器组、与其相连的对应的外光路系统以及脉冲控制器，其中，固体激光器组由1个YAG固体激光器和1个光纤激光器组成，外光路系统包括顺次连接的扩束准直系统、导光机构以及激光毛化聚焦头，脉冲控制器与光纤激光器相连。所诉脉冲控制器控制光纤激光器输出脉冲激光。本发明不仅可产生无规则的微观毛化点形貌和均匀的宏观表面形貌，而且可以获得更优良的涂镀、深冲、拉伸等钢板性能。解决了现有激光毛化不能同时满足微观形貌的无规则性与宏观表面的均匀性问题，实现激光毛化宏观表面均匀、柔和的同时且微观形貌无规则。

Description

一种激光毛化加工装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光毛化加工装置。
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：一类是采用气体激光器的气体激光毛化，例如CO2激光毛化，另一类是采用固体激光器的固体激光毛化，例如YAG激光毛化、光纤激光毛化。
固体激光器主要包括：YAG(Yttrium Aluminum Garnet钇铝石榴石)激光器、YVO4激光器、YLF(Yttrium Lithium Fluoride，钇锂氟化物)激光器、LiSAF(Lithium StrontiumAluminum Fluoride氟化铝锶锂)激光器、光纤激光器等。与国内外电火花和气体激光毛化技术相比，固体激光毛化技术具有毛化点分布二维可控、装备集成度高、稳定性好等优点，装备性价比高，其中应用比较广泛的是YAG激光轧辊毛化技术和光纤激光轧辊毛化技术。
传统固体激光毛化装置的基本原理是：采用声光调Q的YAG固体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。
传统固体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。声光调Q器件的上述限制使得，声光调Q脉冲固体激光器的单脉冲能量较低，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。
传统固体激光毛化的另一个缺点是声光调Q脉冲脉宽很窄(一般标准声光调Q脉冲宽度为100-300ns)，峰值功率很高(兆瓦量级)，因此激光脉冲经过聚焦后达到很高的峰值功率密度(107W/cm2以上)，轧辊表面在这样高的功率密度照射下直接被汽化。由于脉冲宽度很窄，因此激光脉冲照射的结果是形成很浅的凹坑，实践证明这样的凹坑结构并不适合于冷轧时的粗糙度转移。
理想的轧辊毛化激光脉冲宽度应该在几十微秒量级，脉冲的峰值功率在千瓦量级。这样的脉冲聚焦后照射轧辊表面时，轧辊表面被熔化，熔化的表面金属通过侧吹气体被吹出毛化坑，在形成凹坑的同时会形成凸台。该凸台的硬度很高，特别适合在冷轧钢板表面形成凹坑，这样的凹坑对于润滑油的储藏非常有利；同时这样的冷轧钢板具有良好的涂镀、深冲、拉伸等性能。
且随着汽车、家电等行业的发展，对毛化钢板的表面质量(如毛化宏观表面形貌和毛化微观形貌等)和涂镀、深冲等性能要求越来越高，现有的固体激光毛化技术已经无法满足这些需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、可靠性高，实现1个脉冲串固体激光器与1个光纤激光器并联的固体激光毛化加工装置，所述激光毛化加工装置不仅可以产生均匀的毛化宏观表面形貌，而且可以得到无序的毛化微观形貌，同时还可以获得更加优良的涂镀、深冲等性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种激光毛化加工装置，包括毛化机床和安装于所述毛化机床的固体激光系统，所述固体激光系统包括固体激光器组、与其相连的对应的外光路系统以及脉冲控制器，其中，所述固体激光器组由1个YAG固体激光器和1个光纤激光器组成，所述外光路系统包括顺次连接的扩束准直系统、导光机构以及激光毛化聚焦头，所述脉冲控制器与所述光纤激光器相连。
本发明的一个实施例中，所述YAG固体激光器利用一个机械调制盘进行Q调制，产生脉冲激光。
本发明的一个实施例中，所述固体激光器和所述光纤激光器安装在毛化机床同一侧，或者安装在毛化机床不同侧。
本发明的一个实施例中，所述扩束准直系统包括第一扩束准直系统和第二扩束准直系统，所述导光机构包括第一导光机构和第二导光机构，其中所述YAG固体激光器、第一扩束准直系统和第一导光机构顺次相连形成第一光路，所述光纤激光器、第二扩束准直系统和第二导光机构顺次相连形成第二光路。
本发明的一个实施例中，所述激光毛化聚焦头为一个，所述第一光路和所述第二光路连接到同一个激光毛化聚焦头。
本发明的一个实施例中，所述激光毛化聚焦头包括第一激光毛化聚焦头和第二激光毛化聚焦头，所述第一光路连接到第一激光毛化聚焦头，所述第二光路连接到第二激光毛化聚焦头。
本发明的一个实施例中，所述脉冲控制器用于控制所述光纤激光器输出脉冲激光。
本发明的一个实施例中，所述脉冲激光的输出可控，为有规则脉冲激光或者无规则脉冲激光。
本发明的一个实施例中，所述有规则脉冲激光为脉冲间隔和脉冲宽度均有规则，所述无规则脉冲激光为脉冲间隔和脉冲宽度二者至少一个无规则。
本发明的一个实施例中，所述毛化机床的床身上装有通过平移导轨驱动的拖板及用于安装轧辊的轧辊转轴和顶尖，所述激光系统安装于所述拖板上。
本发明中YAG固体激光器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，将在连续泵浦单元的固体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，激光器在固体激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，实现脉冲激光输出。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，即激光器被周期性的关断和开启，从而激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。
本发明中光纤激光器主要工作原理如下：泵浦光通过腔镜耦合进入增益光纤，并且在包层内多次反射穿过参杂纤芯，而参杂纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，进而形成受激发射，再经过一定长度的光纤放大激光后输出激光。然后通过脉冲控制器对激光进行调制，最后实现可控的脉冲光纤激光输出。
本发明中固体激光器的Q调制方法特别适合于激光毛化。对于YAG固体激光器，一方面通过机械调制盘进行Q调制这种方法可以关断任意高功率的激光振荡，因此可以适合高平均功率激光脉冲；另一方面通过控制激光开启的速度，从而获得脉冲串组激光输出，形成适合于激光毛化的理想激光脉冲，典型的脉冲串组激光的脉宽为几十微秒量级，峰值功率为千瓦量级。对于光纤激光器，通过特殊的脉冲控制器可以实现激光脉冲间隔和脉冲宽度二者可控，既可以是有规则的，也可以是无规则的；这种激光脉冲形式可以得到很好的毛化宏观和微观形貌，以及更加优良的涂镀、深冲等性能。
本发明提供的激光毛化加工装置在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊由毛化机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由毛化机床控制。毛化机床上的拖板可作二维平移运动，其移动速度由毛化机床控制。固体激光器组中YAG固体激光器和光纤激光器输出的脉冲激光束经过准直扩束系统、导光机构，然后经激光毛化聚焦头后分别聚焦于轧辊表面，最后对轧辊表面实施毛化加工，从而在轧辊表面加工出2条螺旋线分布的毛化点阵。通过精心设计各光学元件以及对YAG固体激光器和光纤激光器输出功率、Q调制频率的控制，从而在轧辊表面加工出毛化坑深度及毛化点阵形状可控的毛化点阵分布。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明激光毛化加工装置采用1个YAG固体激光器和1个光纤激光器并联工作，YAG固体激光器和光纤激光器的激光输出功率、Q调制频率及脉冲串组形式均由可毛化机床控制。而且，YAG固体激光器和光纤激光器同时工作时，可以根据实际需要单独控制YAG固体激光器和光纤激光器的输出功率，而且可以单独控制它们的Q调制频率及脉冲串组形式输出。同时，可以通过精心设计外光路系统而使聚焦光点在轧辊表面加工出所需要的毛化点阵分布；
2、本发明YAG固体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脉冲频率；
3、本发明光纤激光器脉冲激光输出是通过单独脉冲控制器控制的，通过不同的调制方式，可以产生不同的脉冲形式，可以是有规则的，也可以是无规则的，这样可以得到不同的毛化点，可以实现更加无规则的微观毛化形貌；
4、本发明YAG固体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、及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。即借助脉冲串组Q调制激光器提供的稳定性高、重复频率高、及脉冲能量高的脉冲激光输出，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；
5、本发明固体激光器组中YAG固体激光器和光纤激光器相互间脉冲产生没有影响，通过分别控制二者产生脉冲激光，可以实现激光毛化宏观表面的均匀性与微观形貌的无规则性的统一；
6、本发明固体激光器组整体结构简单，体积小，可以非常方便地放置于毛化机床的二维移动拖板上，因此固体激光器并联系统得到很大程度简化；
7、本发明激光毛化加工装置整体结构简单，成本低，加工效率高，使用寿命长，工作稳定，生产维护容易，非常适用于工业生产应用。
附图说明
图1为激光毛化加工装置整体外部结构示意图；
图2为YAG固体激光器和光纤激光器共用一个激光聚焦毛化头的激光毛化加工示意图；
图3为YAG固体激光器和光纤激光器各用一个激光聚焦毛化头的激光毛化加工示意图
图4为本发明中YAG固体激光器Q调制的脉冲串组输出示意图；
图5为本发明中光纤激光器脉冲控制器的脉冲调制信号输出示意图；
图6为本发明中轧辊表面毛化点分布示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
其中，1－YAG固体激光器、2－光纤激光器、3－脉冲控制器、401－第一扩束准直系统、402－第二扩束准直系统、501－第一导光机构、502－第二导光机构、6－激光毛化聚焦头、601－第一激光毛化聚焦头、602－第二激光毛化聚焦头、7－轧辊、8－毛化机床、801－轧辊转轴、802－顶尖、803-拖板。
具体实施方式
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：如图1和图2，本发明激光毛化加工装置中，包括激光系统和毛化机床8，所述毛化机床8的床身上装有通过平移导轨驱动的拖板803及用于安装轧辊7的轧辊转轴801和顶尖802；所述激光系统安装于拖板803上。
激光系统的结构图如图2所示。激光系统包括顺次连接的固体激光器、扩束准直系统和导光机构；具体地在本实施例中，固体激光器包括YAG固体激光器1和光纤激光器2，扩束准直系统包括第一扩束准直系统401和第二扩束准直系统402，导光机构包括第一导光机构501和第二导光机构502，其中YAG固体激光器1、第一扩束准直系统401和第一导光机构501顺次相连形成第一光路，光纤激光器2、第二扩束准直系统402和第二导光机构502顺次相连形成第二光路，本实施例中YAG固体激光器1和光纤激光器2输出两束脉冲激光，且只有一个激光毛化聚焦头6，本实施例中固体激光器为1个YAG固体激光器和1个光纤激光器。脉冲控制器3与所述光纤激光器2相连。
实施例2：参见图3，与实施例1不同的是：YAG固体激光器1和光纤激光器2不是共用一个激光毛化聚焦头，而是分别单独用一个激光毛化聚焦头，所述第一光路连接到第一激光毛化聚焦头601，所述第二光路连接到第二激光毛化聚焦头602。而且YAG固体激光器和光纤激光器可以不在拖板803的同一侧。
图4所示是本发明中YAG固体激光器脉冲串组输出编组图，所述脉冲串组形式为在调制周期T内的激光通过Q调制压缩在时间Δt内的输出(Δt<<T)，输出时间Δt内激光以一连串小脉冲形成输出。图中所示是每个脉冲串组包含3个小脉冲的激光输出图。YAG固体激光器的输出功率、Q调制频率及脉冲串组输出均由毛化机床根据实际需要而实时控制。
图5所示是本发明中光纤激光器的脉冲控制器的调制信号输出图，所述每两个调制脉冲信号间的间隔都是可控的，即每个脉冲信号间的间隔可以设置成相同的，也可以是不同的；同时每个脉冲宽度也是可控的，即可以宽度相同也可以不同。图中所示是脉冲间隔不同，而脉冲宽度相同。
工作过程：如图1所示，在具体毛化加工时，待加工的轧辊7由毛化机床8上的轧辊转轴801和顶尖802装夹，并由轧辊转轴801带动旋转，其转速由毛化机床8控制。毛化机床8上的拖板803可作二维平移运动，其移动速度由毛化机床8控制；同时，毛化机床可以分别控制YAG固体激光器1和光纤激光器2的Q调制频率及脉冲输出形式。所述毛化机床8采用CK系列数控车床。如图2所示，YAG固体激光器1和光纤激光器2发出的脉冲激光束各自经第一扩束准直系统401和第二扩束准直系统402扩束准直后，再各自经过第一导光机构501和第二导光机构502，然后通过激光毛化聚焦头6(或者601－第一激光毛化聚焦头和602－第二激光毛化聚焦头)聚焦于轧辊表面形成2个非常小的聚焦光点，进而对轧辊7的表面实施毛化加工。通过轧辊转轴801带动轧辊7旋转，所述聚焦光点在轧辊7表面加工形成2条螺旋扫描线形式的毛化点阵分布，具体结合图6所示，激光器在轧辊表面的螺旋扫描线点阵的纵向点间距分别为b、b’，主要是根据毛化机床8分别控制轧辊主轴转速及激光器的脉冲输出频率得到，其中b和b’任意之一为YAG固体激光器加工的毛化点纵向间距，则另一个为光纤激光器加工的毛化点纵向间距，一般情况下有：b、b’＝50－600μm；激光器发出的两束脉冲激光束经激光毛化聚焦头6(或者601、602)聚焦在轧辊表面产生的两条螺旋线(不同聚焦光点产生)横向间距为△X’，而螺旋扫描线(同一聚焦光点产生)螺距为△X，实际系统中△X和△X’都可根据实际要求而控制调整，通常情况下△X＝100－800μm，△X’＝50－600μm。
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 (10)

1.一种激光毛化加工装置，包括毛化机床和安装于所述毛化机床的固体激光系统，其特征在于，所述固体激光系统包括固体激光器组、与其相连的对应的外光路系统以及脉冲控制器，其中，所述固体激光器组由1个YAG固体激光器和1个光纤激光器组成，所述外光路系统包括顺次连接的扩束准直系统、导光机构以及激光毛化聚焦头，所述脉冲控制器与所述光纤激光器相连。
2.如权利要求1所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述YAG固体激光器利用一个机械调制盘进行Q调制，产生脉冲激光。
3.如权利要求1或2所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述固体激光器和所述光纤激光器安装在毛化机床同一侧，或者安装在毛化机床不同侧。
4.如权利要求1或2所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述扩束准直系统包括第一扩束准直系统和第二扩束准直系统，所述导光机构包括第一导光机构和第二导光机构，其中所述YAG固体激光器、第一扩束准直系统和第一导光机构顺次相连形成第一光路，所述光纤激光器、第二扩束准直系统和第二导光机构顺次相连形成第二光路。
5.如权利要求4所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述激光毛化聚焦头为一个，所述第一光路和所述第二光路连接到同一个激光毛化聚焦头。
6.如权利要求4所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述激光毛化聚焦头包括第一激光毛化聚焦头和第二激光毛化聚焦头，所述第一光路连接到第一激光毛化聚焦头，所述第二光路连接到第二激光毛化聚焦头。
7.如权利要求1或2所诉的激光毛化加工装置，其特征在于，所述脉冲控制器用于控制所述光纤激光器输出脉冲激光。
8.如权利要求7所诉的激光毛化加工装置，其特征在于，所述脉冲激光的输出可控，为有规则脉冲激光或者无规则脉冲激光。
9.如权利要求8所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述有规则脉冲激光为脉冲间隔和脉冲宽度均有规则，所述无规则脉冲激光为脉冲间隔和脉冲宽度二者至少一个无规则。
10.如权利要求1或2所述的激光毛化加工装置，其特征在于，所述毛化机床的床身上装有通过平移导轨驱动的拖板及用于安装轧辊的轧辊转轴和顶尖，所述固体激光系统安装于所述拖板上。
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