CN1199757C

CN1199757C - 采用激光聚光头阵列的激光毛化机

Info

Publication number: CN1199757C
Application number: CN 02136854
Authority: CN
Inventors: 王裕民; 于开义
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: CN1401456A

Abstract

一种采用激光聚光头阵列的激光毛化机，适用于金属表面上的毛化处理。由激光器发射的激光束经过激光放大后，再经分束器分成多束光经多根光纤传输到K≥2个激光聚光头上。激光聚光头置放在工作平台上的相对位置能够移动的小移动平台上，激光聚光头组成矩形，或斜平行四边形，或线形阵列。工作平台置放在数控机床的激光转轴上。待毛化轧辊置放在数控机床的轧辊转轴上。通过数控机床控制转轴转动和导轨上的工作平台移动，使激光聚光头输出的光焦点在待毛化轧辊表面上扫描，形成毛化坑点阵分布。与在先技术相比，本发明的激光毛化机能够缩短毛化时间，能够使用调制频率较低的激光器，产生毛化坑点阵的分布宏观均匀性好。

Description

采用激光聚光头阵列的激光毛化机

技术领域：

本发明是一种采用激光聚光头阵列的激光毛化机。适应于金属表面的毛化处理。

背景技术：

众所周知，钢板的表面都要经过毛化处理，它们是通过毛化轧辊压制形成的。轧辊表面毛化最早是采用喷砂形成表面毛化。70-80年代出现了电火花技术，用放电在轧辊表面形成毛化坑。九十年代左右又开发了激光技术，将激光束聚焦在轧辊表面进行轧辊毛化。这一技术称为第三代的毛化技术。采用脉冲的CO₂激光器或声光调制的掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)激光器，将聚焦的激光在轧辊面上进行螺旋扫描，在表面上产生一个规则的毛化坑分布。

激光毛化与喷丸或电火花相比，毛化坑分布是规则的，(而前者是无规分布)，且花纹可调；另外在击出坑的过程中也经历了热处理，因而表面硬度也有所增高。但到目前为止，激光毛化机都是采用单个激光聚光头，进行单螺线扫描。因而它的缺点是毛化效率低，毛化所用的时间太长，为此自然想到应采用多个激光聚光头。由于毛化坑的间距一般为150-200μm，将平均功率百瓦级的激光毛化机所带的单个激光聚光头排成这样的列阵是不可能的，如果采用几个头分区毛化，由于几路激光的差别以及不同区域的衔接困难，毛化的均匀性很差。

发明内容：

本发明为了解决上述在先技术中的困难，采用一种大尺度的激光聚焦头阵列，产生密集的毛化坑点阵，实现对毛化轧辊的毛化。使有差异的激光束产生的不同毛化坑混合均匀分布，并使毛化时间大大缩短。

本发明激光毛化机的具体结构如图1所示。包括：数控机床7，该数控机床7上设置相互平行的轧辊转轴701和导轨702上；工作平台1，该工作平台1置于能够作三维运动的导轨702的上；含有聚光镜的激光聚光头201、202、203、204、205、206；激光器6；待毛化轧辊8，该待毛化轧辊8置放在轧辊转轴701上；其特征在于：在工作平台1上置有K≥1个相对位置能够移动的小移动平台101、102、103、104、105；由K≥2个含有聚光镜的激光聚光头201、202、203、204、205、206组成的激光聚光头阵列2，与K≥2个激光聚光头201、202、203、204、205、206的输入端连接的K≥2根光纤3，光纤3的输入端都连接在分束器4的光束输出端，在分束器4光束输入端与激光器6之间的光路上，有激光放大器5，在每个小移动平台101、102、、103、104、105上，置放一个激光聚光头201、202、203、204、205、206。

对于第一个激光聚光头201可以直接固定在工作平台1上，其它的激光聚光头202、203、204、205、206分别固定在小移动平台101、102、103、104、105上，如图1-2、图2-1、图3-1、图4、图5-1、图6、图7-2所示。每个小移动平台带动上面的激光聚光头相对于第一个固定的激光聚光头201可作相对微移位，调整它们之间的相对位置，就可以得到不同形状的激光聚光头阵列2。所以，有K≥2个激光聚光头，而在工作平台1上有K≥1个小移动平台就够用了。

所说的由K≥2个激光聚光头(以下简称聚光头)201、202、203、204、205、206组成的激光聚光头阵列2的阵形，可以是矩形的，如图1-2所示；或是斜平行四边形的，如图5-1和图6所示；或是线形的，如图2-1、图3-1和图7-2所示。

如上所述的本发明激光毛化机，首先将待毛化轧辊8装在数控机床7的轧辊转轴701上。将第一个聚光头201直接固定在工作平台1上，其它聚光头202、203、204、205、206置放在工作平台1上的小移动平台101、102、103、104、105上，调节置放在小移动平台上的聚光头与第一个聚光头的相对位置，组成所要求的激光聚光头阵列2的阵形后，将各小移动平台的位置固定，再移动(可以由数控机床7自动调整)导轨702上的工作平台1，使固定工作平台1上的第一个聚光头201的中心对准置放在轧辊转轴701上的待毛化轧辊8的初始位置(0位置)。并使所有的激光聚光头阵列2上的聚光头的焦点都焦在待毛化轧辊8的表面上。由激光器6发射的激光束经激光放大器5放大后再经分束器4分成K≥2束光，通过K≥2根光纤3分别输进K≥2个聚光头内，由聚光头将激光聚焦在待毛化轧辊8的表面上，形成毛化坑。由数控机床控制轧辊转轴701带动待毛化轧辊8转动，同时工作平台1匀速沿着导轨移动。聚光头输出的激光焦点在待毛化轧辊8表面上进行扫描，这就在待毛化轧辊8的表面上形成均匀分布的毛化坑阵列。如图1-3，图1-4，图2-2，图3-2和图5-2所示。

上述结构在毛化机启动前各聚光头的位置是由数控机床自动调好，启动后，工作平台1带动所有的聚光头都以同一速度(大平台)沿导轨(X轴方向)移动。激光器6是高重复脉冲激光器。经分束器4分束后，各路激光束要达到平均功率近百瓦才能由聚光头将光束聚焦在待毛化轧辊表面上，形成毛化坑。因此由激光器6输出的激光要经过激光放大器5将激光功率放大。安装在数控机床7上的轧辊转轴701的转速为n(1/秒)，由数控机床7上的编码器将角度信息输入到数控机床中，同时装放聚光头的工作平台以匀速沿导轨即轴线X方向移动。

对于激光毛化机只有一个聚光头时，工作时激光焦点在待毛化轧辊8表面上产生单螺线扫描，通过程控可以产生两种点阵毛化坑分布：图1-3，图1-4就是单个聚光头扫描产生的毛化坑分布的点阵展开图，它们分别对应矩形和菱形的点阵分布。图1-3所示的矩形点阵中毛化坑点阵中最小单元是矩形a×b，图1-4点阵最小单元是菱形，菱形在X及Y向对角线为2a×b。图1-3及1-4中s为毛化坑的螺距，p为激光相邻两个脉冲焦点在轧辊表面上产生的毛化坑间距离(激光脉冲Y向点距)。激光脉冲调制的频f＝πD/p·n，聚光头沿X方向平移速度v＝s·n，毛化长L所需时间T＝L/(s·n)。以下叙述要求产生毛化坑点阵为图1-3及图1-4时，采用本发明的激光聚光头阵列的情况。

1.对于聚光头的阵列为线形时(简称为聚光头线阵)：

图2-1为k＝2在x方向排列的两个聚光头。第一个聚光头201的中心位置为O，第二个聚光头202的中心位置距第一个聚光头201的中心位置的距离设定为Δx＝Ns+a，N为整数，Δx最小距离以能放置两个聚光头为准。在数控机床7中设定激光脉冲y向点距为b。待毛化坑点阵为a×b，及螺距s＝2a，图2-2为毛化坑分布的点阵展开图。毛化时间T＝L/(n·s)＝L/(2n·a)，因此比单个聚光头所用的时间缩短一倍。

图3-1为k＝2在y方向排列的两个聚光头。第一个聚光头201的中心位置为O，第二个聚光头202的中心位置距第一个聚光头201的中心位置的距离设定为Δy＝Mp+b，M为整数，Δy最小距离以能放置两个聚光头为准。激光脉冲y向的点距为p＝2b。待毛化点阵为a×b，及螺距s＝a，此时脉冲频率f＝πD·n/2b降低了一倍，如果维持激光状态不变，即调制频率不变，应将轧辊转速提高一倍，n’＝2n，这样毛化时间T’＝L/(a·2n)也比采用单个聚光头所用的时间缩短一倍。图3-2是毛化坑的展开图。

如果将K≥2个聚光头组成一个线阵，K个聚光头的分布应该是O，Ns+a，2(Ns+a)……(K-1)(Ns+a)。设定螺距s＝ka，y向激光脉冲点距P＝b，其中a×b为待毛化点阵，毛化时间比采用单个聚光头所用的时间将缩短K-1倍，即K≥2个聚光头所用的时间T’＝T/K。

2.对于K＝K′×K″个聚光头阵列

图4给出K′×K″个聚光头组成的阵列图。(其中K′≥1、K″≥1)在X方向，两聚光头中心的间距ΔX＝Ns+a，在y方向，两激光头的间距Δy＝Mp+b，在数控机中设定毛化坑点阵间距为a×b，设定螺距s＝k′a，脉冲激光焦点在y向上点距p＝k′b。(i)如果设定轧辊转轴701的转速与单个聚光头情况一样，则激光脉冲频率f＝πDn/(k″b)为单个聚光束时的1/K″倍。此时工作平台1的平移速度为v＝k′·a·n比单个聚光头速度增大(k′-1)倍，因此比单个聚光头毛化时间缩短K′-1倍。(ii)若设定轧辊转轴701的转速n′＝k″n，此时激光脉冲频率与单个聚光头y方向产生毛化坑点距b的脉冲频率f一样，但聚光头阵列2平移速度v＝k′k″an比单个聚光头速度增大(k′k″-1)倍，所以毛化时间缩短到单个聚光头时间的1/(k′k″)倍。

3.产生菱形点阵毛化坑分布的K＝2×2个聚光头阵列

上述阵列聚光头产生的毛化坑分布皆为矩形点阵分布。如果改变毛化坑分布为生菱形点阵分布，以2×2聚光头阵列为例说明。图5-1给出K＝4个聚光头的分布，在X方向上两两聚光头201和202，203和204的中心距离为Δx＝Ns+2a，在y方向上两两聚光头201和203，202和204的中心距离为Δy＝Mp+b/2，并在x方向上203相对201聚光头的中心和204相对202聚光头的中心平移皆为a，设定在x方向螺距为s＝4a，y方向激光脉冲焦点的点距p＝b，由此产生的毛化坑为菱形点阵分布。如图5-2所示的毛化坑分布。聚光在平移Ns+4a距离之后，毛化坑呈现均匀的菱形点阵分布。菱形点阵X，Y对角线为2a及b与单个聚光头的图1-4所示的一样，在该情况下，激光脉冲频率不变，聚光头阵列沿x平移速度增大为单个聚光头时的4倍，，即毛化时间缩短到单个聚光头所用时间的1/4倍。

4.产生菱形点阵毛化坑分布的K＝K′×K″个聚光头的聚光头阵列

在一般的情况下，要产生菱形点阵分布的毛化坑，K′×K″个聚光头的排布见图6，该聚光头阵列为K′×K″阶，其中K′为任意整数，K″为偶数，在X方向两列聚光头间距Δx＝Ns+2a，设定螺距s＝2k′a，

在Y方向，两行聚光头间距Δy＝MP+b/2，设定激光脉冲焦点的点距P＝K″b/2(k″为偶数)，偶数行相对于奇数行向右位移a，产生的毛化坑点阵为菱形分布，X及Y对角线各为2a及b，(i)激光器6低频运转时，当激光脉冲频率f＝πD·n/(k″b/2)(即频率降低为k″/2倍)，工作平台平移速度为V＝2k′(na)增快为2k′倍，则毛化时间缩短为1/2 k′倍。(ii)激光器6高频运转时：当维持激光脉冲频率与单个聚光头一样时，轧辊转轴701的转速应提高到k″n/2，因而工作平台1平移速度V＝k′k″(na)即毛化时间缩短到1/(k′k″)倍。

由上所述，本发明阵列式聚光头最明显效益就是缩短了毛化时间，使用(k″×k′)阶阵列聚光头若得到与单个聚光头同样密集程度的毛化坑点阵分布，毛化效率最大可提高(k′k″)倍，它将不同路的激光束产生的毛化坑在微观上均匀分布，因此既使几束激光束性能和功率有些不一致，也不会影响毛化面的宏观均匀性。

另外一个特点就是能降低对激光器脉冲频率(f)的要求。在激光毛化机中选择什么样的激光器，也是非常重要的，例如a)在用声光调Q的Nd:YAG激光器时，若能将调Q频率降低到10KHz以下，就可以解决每个脉冲的稳定性问题，并提高脉冲能量。b)毛化机常用的CO₂激光器通常采用机械调Q，若能将10k-30KHz的调制频率降低到频率为KHz量级时，将会大大简化设备及调Q的稳定性。c)在频率要求不是太高的情况下，还可以直接利用脉冲运转的半导体激光二极管(LD)。这将大大提高能量效率和减小毛化机的体积，采用本发明毛化机的结构，就可以做到上述三点，做到对激光器6的调制频率要求降低。因此激光器6在运行中可以稳定地工作，毛化坑分布也更均匀。

附图说明：

图1为本发明的激光毛化机的结构和单个激光聚光头毛化坑点阵示意图。

其中图1-1是本发明采用激光聚光头阵列的激光毛化机结构示意图。

图1-2是激光聚光头阵列示意图。

图1-3是单个聚光头毛化坑分布为矩形点阵展开示意图。

图1-4是单个聚光头毛化坑分布菱形点阵展开示意图。

图2是激光聚光头阵列的阵形为水平线形的及毛化后毛化坑分布的点阵展开示意图。其中图2-1是沿X方向排列的两个聚光头(线阵)的示意图。

图2-2是待毛化轧辊表面上毛化坑分布点阵展开示意图。

图3是激光聚光头阵列的阵形为垂线形以及毛化后毛化坑分布点阵展示图。其中，图3-1是y方向排列的两聚光头(线阵)的示意图。

图3-2是待毛化轧辊表面上毛化坑分布点阵展开示意图。

图4是K＝K′×K″阶聚光头阵列排布示意图。

图5是激光聚光头阵列为斜平行四边形及其毛化坑分布点阵展开示意图。其中，图5-1为斜平行四边形分布的K＝2×2阶聚光头阵列示意图

图5-2是待毛化轧辊表面上毛化坑分布菱形点阵展开示意图。

图6是K＝K′×K″激光聚光头的激光聚光头阵列为斜平行四边形的示意图。

图7为具体实施方式中，激光毛化机具体结构示意图。其中，图7-1是具体实施例所用的毛化机整体结构示意图。

图7-2是在实施例中K＝2个聚光头呈斜线激光聚光头阵列示意图。

具体实施方式：

如图7所示的结构。激光器6为声光调制的Nd:YAG晶体激光器。激光放大器5为Nd:YAG晶体激光放大器。输出激光束波长为1.06μm。分束器5由50％透过和50％反射的半透半反平板401及一反射镜402构成。如图7-1所示。聚光头的数量K＝2，是线形(斜线)阵列，如图7-2所示。

声光调制的Nd:YAG激光器6输出光束经过激光放大器5放大后，经分束器4分为两路，再经两根光纤3分别输入到两个激光聚光头201和202上。其中聚光头201固定在工作平台1上，工作平台1由数控机床7的伺服电机驱动，另一个聚光头202安装在工作平台1上的小移动平台101上，小移动平台101可在工作平台1上做X及Z方向小的平移(见图7-2)。它们皆由数控机床控制。待毛化轧辊8置放在数控机床7上的轧辊转轴701上。置放在数控机床7上的导轨702上的工作平台1上的聚光头201、202的焦点恰好焦在待毛化轧辊8的表面上。工作时先将工作平台1上的第一个聚光头聚焦到待毛化轧辊8上令位置置零(第一个聚光头201满足X＝0)，然后移动第二个聚光头202的小移动平台102使之满足两聚光头201与202的中心位置之间ΔX＝a及Δy＝Mp+b/2条件，锁定后，两个聚光头随工作平台1一起移动。在数控机床上输入的参量有：待毛化轧辊直径D＝600mm，长度L＝1800mm，毛化坑的点距参量a＝160μm及b＝180μm，螺距s＝2a＝320μm，激光调制脉冲间点距p＝b＝180μm，轧辊转轴701的转速n＝69转/分。输入参数Δx＝180μm，Δy＝80mm+190μm。此时f＝12.3KHz。毛化坑分布点阵为2a×b的菱形。毛化时间T＝1.35小时。如果只用一个聚光头201时，产生同样的毛化坑点阵为菱形2a×b，所用毛化时间T＝2.7小时。因此本实施例所用的毛化时间比单个聚光头所用时间缩短了一倍。

Claims

1.一种采用激光聚光头阵列的激光毛化机，包括：

数控机床(7)，该数控机床(7)上设置相互平行的轧辊转轴(701)和导轨(702)；

工作平台(1)，该工作平台(1)置于导轨(702)上；

含有聚光镜的激光聚光头(201、202、203、204、205、206)；

激光器(6)；

待毛化轧辊(8)，该待毛化轧辊(8)置放在轧辊转轴(701)上；

其特征在于：

在工作平台(1)上置有K≥1个相对位置能够移动的小移动平台(101、102、103、104、105)，由K≥2个所述激光聚光头(201、202、203、204、205、206)组成激光聚光头阵列(2)，与K≥2个激光聚光头(201、202、203、204、205、206)输入端连接的K≥2根光纤(3)，光纤(3)的输入端都连接在分束器(4)的光束输出端，在分束器(4)的光束输入端与激光器(6)之间的光路上有激光放大器(5)，每个小移动平台(101、102、103、104、105)上，置放一个激光聚光头(201、202、203、204、205、206)。

2.根据权利要求1所述的采用激光聚光头阵列的激光毛化机，其特征在于所说的由K≥2个激光聚光头(201、202、203、204、205、206)组成的激光聚光头阵列(2)是矩形，或是斜平形四边形，或是线形。