CN107511588A - 一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法 - Google Patents

Abstract

一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其包括以下步骤：A，保持激光毛化头与基体材料之间的相对运动关系；B，使用随机信号对激光脉冲进行随机延时和随机偏转，每个激光脉冲沿扫描轨迹在一定范围内均生成一个表面毛化点；C，控制激光毛化头与基体材料之间的相对运动关系，可实现基体材料的表面毛化，其毛化点呈稀疏分布；D，同时使用多个毛化头或多道次毛化，然后将不同毛化头或不同道次所形成的稀疏毛化点进行叠加，实现所需的最终目标表面形貌。本发明有效的解决了激光毛化的有序性的问题，并可以使用多毛化头毛化来解决毛化效率偏低的问题。

Description

一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法

技术领域

本发明涉及表面处理领域中的激光毛化技术，更具体地涉及到一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法。

背景技术

通常，钢板表面需要有特定的表面毛化形貌，以便在冲压时其表面微坑能储存润滑油减少摩擦，在涂装时能够增强涂层的附着力同时又具有较好的涂装效果。而钢板表面上的粗糙度主要通过在轧制时从辊面复印而来，因此需要轧辊表面具有特定的表面毛化形貌。

激光毛化技术是将高能量、高重复频率的脉冲激光束聚焦在轧辊表面，使轧辊表面材料被迅速加热并发生熔化或汽化，在轧辊表面形成毛化凹坑或带凸台的毛化凹坑，最终在轧辊表面形成大量的毛化微坑(毛化点)，使得轧辊表面具有特定的表面毛化形貌。

近年来随着激光技术的快速发展，再加上激光毛化技术具有的设备投资较少、运营成本低、清洁环保等优点，已经有越来越多的钢铁厂开始采用激光毛化技术。但由于激光毛化技术的特点，其毛化坑是通过轧辊的旋转和激光毛化头的横向移动来一个个形成的，因此不可避免的使得毛化点在轧辊表面上是沿着毛化头在辊面扫描轨迹的螺旋线有规律分布的，所造成的缺陷就是，在放大镜下，可以很明显的观察到沿轧辊圆周方向上形成的条纹，而由于条纹之间的相互干涉，在肉眼下又容易产生“莫尔条纹”、“斜纹”等缺陷。由于一直以来未能完全克服毛化点有序分布的问题，因此使得激光毛化钢板形貌具有方向性，影响其冲压涂装效果，使得激光毛化技术一直以来都未能在对表面质量要求较高的产品上(如汽车外板)得到应用。

专利CN 2853263 Y及专利CN 100475412 C分别公开了一种用于加工辊类表面圆周无规则毛化点的激光加工设备和一种圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法，其通过伪随机延时装置使每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的时间范围内产生随机的延时，实现了毛化点在轧辊圆周方向上的可控随机。其主要缺陷是毛化点仅实现了沿圆周方向一定程度的随机分布，毛化点分布仍然具有比较明显的方向性。

专利CN 100462180 C公开了一种无规则偏转毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法，通过在激光路径上增加一个伪随机信号控制的振镜，使每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的空间范围内产生随机的偏转，从而实现激光毛化点在局部网格区域内的可控随机。其主要缺陷是毛化点仍然为紧密排列结构，具有比较明显的网格分布特征，此外，其毛化效率还受振镜响应频率限制，毛化效率低。

专利CN 202877731 U公开了一种聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，通过在现有的激光毛化设备上增加一个压电陶瓷偏转系统，从而实现激光束的可控偏摆，使得毛化点在局部范围内的分布无序。其主要缺陷未对激光脉冲源和偏转系统进行同步控制，仅实现了毛化点在轧辊轴向方向上的偏摆，毛化点的分布仍然具有一定的规律性。

综上所述，虽然众多专家学者在激光毛化点随机分布上做了大量工作，但仍未能完全解决激光毛化点的随机分布问题。此外，由于激光毛化是逐点毛化的，在毛化面积较大且单位面积毛化点密度要求较高时，毛化时间会很长，而由于不能完全实现毛化点的随机分布的问题，使得在使用多毛化头进行毛化时，各毛化头形成的毛化点之间容易出现重叠干涉，进而产生表面质量缺陷，导致激光毛化技术无法像电火花毛化一样使用多个毛化头毛化，限制了激光毛化效率的提升。

发明内容

本发明的目的是针对目前激光毛化技术所存在的表面形貌具有方向性的问题和毛化效率偏低的缺点，提出一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，它可以有效的解决了激光毛化的有序性的问题，并可以使用多毛化头毛化来解决毛化效率偏低的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其包括如下步骤：

S1：使至少一个激光毛化头与基体保持相对运动；

S2：对每个激光脉冲进行随机延时和随机偏转，使每个激光脉冲沿扫描轨迹在基体表面一定局部范围内形成一个随机分布的表面毛化点；

S3：控制毛化头与基体材料的相对运动关系，每个毛化头在基体表面形成稀疏分布的毛化点阵；

S4：重复每个激光毛化头的激光毛化操作至少一个道次。

所述的激光毛化头可发出经聚焦后的激光，其焦点落在基体材料上，在激光能量的作用下，基体材料发生熔化或汽化，从而造成基体材料表面轮廓的微观不平，形成激光毛化点。

所述的激光毛化头与基体的相对运动通过可单独移动或旋转激光毛化头、单独移动或旋转基体、同时移动或旋转激光毛化头和基体三种方式中的一种来实现，其目的是通过相对运动，实现激光毛化头扫描轨迹对基体表面的覆盖。

所述的延时是指两个激光脉冲之间的时间间隔，其和基体材料表面上两个相邻毛化点在激光毛化头与基体材料相对运动方向上的间距相关。

所述的偏转是指通过改变激光方向，使毛化点相对于激光毛化头在基体材料上的扫描轨迹有一定的偏移量，偏转角度的范围和毛化点在扫描轨迹左右侧的最大偏移量相关。

所述的一定局部范围是通过延时的范围和偏转的范围来控制的。

既可以在同一时刻使用两个及以上的激光毛化头同时对基体材料进行毛化，每个毛化头之间相对独立，因此各毛化头参数可以相同也可以不同；也可以使用一个或多个毛化头毛化完成后，在原基础上再次或多次重新进行毛化，每个道次之间相对独立，因此各道次的参数可以相同也可以不同。

作为优选方案，所述的一定局部范围是长、宽分别为(1.5～3)φ、(1.5～3)φ的矩形区域，φ为毛化点直径，且所述矩形区域的长度和宽度不相等。

作为优选方案，所述的稀疏分布的毛化点阵是指毛化点之间存在一定的间距，在基体毛化区域内其覆盖面积不高于基体面积的50％。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、实现了毛化点的均匀随机分布，改善了激光毛化表面形貌质量，解决了现有激光毛化技术中长期存在的表面形貌具有方向性的问题。

2、基于本发明可实现毛化点的均匀随机分布，有效避免了现有激光毛化技术中常见的莫尔条纹缺陷。

3、基于本发明可实现毛化点的随机稀疏分布，因此在多毛化头下不用担心毛化头之间的毛化点干涉重叠等问题，解决了影响激光毛化效率的问题。

4、基于本发明的技术方案，多毛化头或多道次之间生成的稀疏毛化点是相互独立的，因此不同的毛化头或不同的道次之间可以使用不同的毛化工艺参数，因此可以在基体材料表面实现不同类型毛化点的组合分布。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为发明方法的流程图；

图2为具体实施方式中所采用的系统结构示意图；

图3为具体实施方式中的激光光路示意图；

图4为稀疏毛化点在辊面上形成的过程及分布特征示意图；

图5为实施例1中不同道次叠加后的毛化点分布示意图；

图6为实施例2中四毛化头毛化后的毛化点分布示意图；

图中：1、数控机床，101、床身，102、头部装夹盘，103、托架，104、丝杠，105、尾部托架，2、激光毛化头，201、振镜，202、聚焦透镜，3、脉冲激光源，4、轧辊，5、控制柜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见附图1，本发明的一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法主要包括以下步骤：

A，参见附图2，所使用的数控机床1为常规的数控轧辊车床，其形式结构可选用安阳瑞恒数控生产的RHCK8480型号，主要由床身101，头部装夹盘102，通过丝杆104驱动的托架103，尾部托架105等部分组成，轧辊4在头部装夹盘102的驱动下以一定的速度进行旋转运动，激光毛化头2安装在机床托架103上，托架103沿轧辊4的轴向方向以一定的速度水平移动，激光毛化头2在轧辊4表面上形成一个螺旋形的扫描轨迹，保持激光毛化头2与轧辊4之间恒定的相对运动关系。

其中，激光毛化头2可发出经聚焦后的激光，其焦点落在基体材料上，在激光能量的作用下，轧辊表面材料发生熔化或汽化，从而造成轧辊表面轮廓的微观不平，形成激光毛化点，毛化点直径Φ一般在20～200μm之间。

B，参见附图3，通过随机信号发生器，生成两个随机信号序列，其中一个随机信号序列用于激光源的激光脉冲延时控制，另一个随机信号序列用于振镜201的偏转角度控制，激光脉冲在不同的随机延时和随机偏转作用下，每个激光脉冲沿扫描轨迹在一定范围内生成一个表面毛化点。

其中，激光源3可以通过外部电信号对其进行快速开关控制，形成激光脉冲，也可以是脉冲间隔可调的脉冲激光源。

其中，振镜201是可以快速偏转的反射镜，其偏转角度可以通过外部电信号来控制。

其中，延时主要是控制两个激光脉冲之间的时间间隔，在毛化头与辊面之间恒定的相对运动速度下，其时间间隔对应于两个毛化点在轧辊圆周方向上的间距X(参见附图4)，优选的间距范围一般为毛化点直径Φ的1.5～3倍。

其中，偏转主要是通过改变激光方向，从而改变激光焦点落在轧辊表面的位置，其角度大小对应于毛化点相对扫描轨迹的偏移量Y(参见附图4)，优选的偏移宽度范围b(毛化点相对扫描轨迹左右两侧所能达到的最大偏移界限之间的距离)一般为毛化点直径Φ的1.5～3倍。

C，参见附图4，通过控制激光毛化头扫描轨迹的螺距，可实现整个轧辊表面毛化，其毛化点呈稀疏分布；

其中，螺距一般和随机偏移宽度范围b(参见附图4)相互对应，从而使得毛化点能在辊面均匀覆盖。

其中，毛化点阵的稀疏分布是指毛化点之间存在一定的间距，在基体毛化区域内其覆盖面积不高于基体面积的50％。

D，在上述步骤中同时使用多个毛化头(参见附图5)毛化或进行多道次毛化(参见附图6)，然后将不同毛化头或不同道次所形成的稀疏毛化点进行叠加，最终实现所需的目标表面形貌。

其中，目标表面形貌一般是指具有一定粗糙度、峰值数的表面形貌，即对毛化点的大小、分布密度具有一定的要求。由于各个毛化头之间或各个道次之间相对独立，因此可以单独设定不同道次或不同毛化头的毛化工艺参数，通过不同毛化头或不同道次之间工艺参数的组合，从而满足不同的目标表面形貌需求。

实施例1

本实施例所采用的激光毛化系统结构如图2所示，包括驱动轧辊旋转的数控车床1、激光毛化头2、脉冲激光源3、控制柜5。

激光脉冲源3与激光毛化头2一起安装在数控车床的托板103上，通过外部信号的控制，可以使激光快速的在开启和关闭状态之间进行切换，从而发出高频的脉冲式激光，并发射到激光毛化头2内。

激光毛化头2内部有聚焦透镜202，能够将激光束进行聚焦并使其焦点落在轧辊表面上，使轧辊表面在高能激光的作用下形成毛化点。

控制柜5作为上位机，除控制数控车床的转速及托板平移速度外，还对激光功率、冷却系统等进行控制，此外，能够生成随机信号A与随机信号B，随机信号A作为时间间隔信号，控制控制激光脉冲源所发出的激光脉冲之间的时间间隔，随机信号B作为激光束的偏转位置信号，控制激光束在轧辊轴向方向上的偏转量，参见图2。

已知，激光脉冲频率f在1～20KHz内可调，其单脉冲能量在辊面上形成的毛化点直径Φ约为100μm左右，扫描振镜的最大响应频率4KHz左右，最大偏转角度范围为±10°，轧辊转速n在0～300r/min可调，毛化头移动速度v在0～100mm/s可调，轧辊直径d为650mm。激光束的焦点在辊面轴向方向的最大偏转宽度b为200μm，振镜偏转角度和焦点偏移距离具有一一的对应关系，此处X的偏移范围为(-100μm，100μm)，对应于θ的范围在(-4°，4°)之间。

根据上述信息，以扫描振镜的最大响应频率作为激光脉冲的最高频率f，在该频率下时，轧辊辊面旋转过的长度正好为一个毛化点的直径Φ。即轧辊旋转速度n需设定为：

激光毛化头需在轧辊旋转一圈是正好走过宽度b，因此毛化头移动速度需设定为：

随机信号A的下限为1/f，即250μs。为使毛化点沿轧辊圆周方向的平均间距与b相等，也为200μm，随机信号A的上限应为250μs×(2-Φ)/Φ，即750μs。

基于以上信息，设定的随机信号A范围为(250μs，750μs)，随机信号B范围为(-4°，4°)，轧辊转速为11.76r/min，毛化头平移速度为39.2μm/s。

在相同参数设定下，分别进行了1～4个道次的毛化试验，图5a、图5b、图5c、图5d分别为由1～4个道次数叠加后所形成的毛化点的分布示意图。

实施例2

本实施例与实施例1类似，主要区别在于同时使用了4个激光毛化头以提高毛化效率，4个激光毛化头沿轧辊圆周方向布置，同步运动，各毛化头除使用不同的随机信号源外，其他参数均一致。轧辊转速、毛化头移动速度、随机信号范围等参数设定和实施例1相同。

其毛化点在毛化过程中辊面上的毛化点分布示意图参见图6。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：使至少一个激光毛化头与基体保持相对运动；

S2：对每个激光脉冲进行随机延时和随机偏转，使每个所述激光脉冲沿扫描轨迹在基体表面一定局部范围内形成一个随机分布的表面毛化点；

S3：控制毛化头与基体的相对运动关系，每个毛化头在基体表面形成稀疏分布的毛化点阵；

S4：重复每个激光毛化头的激光毛化操作至少一个道次。

2.如权利要求1所述的实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其特征在于，所述一定局部范围是长、宽分别为(1.5～3)Φ、(1.5～3)Φ的矩形区域，Φ为毛化点直径，且所述矩形区域的长度和宽度不相等。

3.如权利要求1所述的实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其特征在于，所述激光毛化点的覆盖面积不高于基体的表面积的50％。

4.如权利要求1所述的实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法，其特征在于，所述激光毛化头与基体的表面的距离恒定，且激光毛化头在基体的表面上的扫描速度恒定。