CN202877731U

CN202877731U - 聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置

Info

Publication number: CN202877731U
Application number: CN 201220466982
Authority: CN
Inventors: 陈培锋; 梁乔春; 王辉
Original assignee: Kai Ruidi Laser Technology Co Ltd Of Wuhan City
Current assignee: Kai Ruidi Laser Technology Co Ltd Of Wuhan City
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-14

Abstract

本实用新型涉及一种聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，解决了加工后的毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布的问题。技术方案包括激光系统和毛化机床，所述激光系统包括高功率脉冲激光器、扩束准直系统、导光机构、压电陶瓷偏转系统及聚焦机构，所述压电陶瓷偏转系统由顺序电连接的压电陶瓷偏转器、压电陶瓷偏转驱动器以及驱动控制系统构成。本实用新型结构简单、操作简便、成本低，可以在加工后轧辊表面形成无规则分布的毛化点。

Description

聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光加工装置，具体的说是一种聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置。

背景技术

具有特殊表面形貌的毛化冷轧薄钢板在制造业中，特别是在汽车与家电产业中有着广泛的应用。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理后的轧辊轧制而成的，因此毛化轧辊的表面形貌特征对冷轧薄钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。

为了确保冷轧钢板具有优良的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄钢板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的表面进行毛化处理，以轧制出满足用户特殊工艺要求的毛化冷轧钢板。

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、激光毛化、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。

激光毛化技术是将聚焦后的高能量、高重复频率的脉冲激光束照射到轧辊表面，利用激光束的高亮度在轧辊表面形成非常高的能量密度，对激光聚焦处的轧辊表面实施加热、熔化并部分汽化，以致在轧辊表面形成微小毛化坑。其基本原理是：对经过特殊调制的高能量密度（10⁴－10⁶W/cm²）、高重复频率（10³－10⁴次/秒）的脉冲激光束进行聚焦，并使其作用于做旋转运动的轧辊表面而形成微小熔池；同时吹以一定方向、压力和流量的辅助气体，对熔池熔融金属进行挤压造型；短激光脉冲作用后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相变硬化点。与此同时，聚焦脉冲激光束沿轧辊长度方向移动，以完成对整根轧辊的表面的毛化加工。

目前，激光毛化轧辊技术主要分为两大类：一类是采用固体激光器的固体激光毛化，如Nd:YAG激光毛化，另一类则是采用气体激光器的气体激光毛化，如CO₂激光毛化。其共同特点是：采用内腔Q调制的Nd:YAG激光器或经特殊调制的CO₂激光器作为脉冲激光加工源，由光源输出的脉冲激光经激光加工头聚焦后，作用于以一定转速旋转的轧辊表面；加工过程中，激光加工头的横向移动配合轧辊的旋转运动，从而在轧辊表面形成等螺距的螺旋扫描线点阵毛化坑分布。例如：中国专利“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”（专利号：ZL94220848.X）与中国专利“分光式激光毛化调制装置”（专利号：ZL200710041118.9）。

上述激光轧辊毛化工艺的基本特征是：毛化坑在轧辊表面沿一条等螺距的螺旋扫描线分布（参见图1）。由于螺旋扫描线的螺距（一般为0.1－0.4mm）相对于轧辊直径来说非常小，可以认为：螺旋扫描线每一圈上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的一条螺旋直线上；因此整个轧辊面上的毛化坑分布在沿轧辊圆周方向的多条等间距（即螺距）的平行螺旋线上。但一般情况下，各圈之间的毛化坑的相对位置分布是不固定的；因而在轧辊长度方向上，毛化坑呈非直线形分布，如图1所示，基本上可以认为是无规律的。

上述毛化坑分布形式存在两个明显的缺点：

1．虽然轧辊表面的激光毛化坑很浅，但对于大面积的毛化冷轧钢板，还是可以明显地感觉到冷轧钢板在沿长度方向上（沿轧辊圆周方向轧制）存在均匀分布的直线，而在冷轧钢板的横向方向则没有明显的直线分布。

2．在冷轧钢板的长度方向容易形成拉伤，形成沿冷轧钢板长度方向上很细的直线划痕。仔细观察这些划痕，发现绝大部分划痕出现在对应轧辊表面两圈毛化坑之间的一条直线形空白区域内。分析这些直线划痕形成的原因，是因为在两圈毛化坑之间的直线形空白区域内，轧辊是平滑的，轧辊与钢板之间紧密接触；如果在钢板轧制过程中形成铁屑，则这个铁屑不能够被轧辊表面的毛化坑吸收，始终存在于钢板与轧辊之间，连续划出可见的直线痕迹。

综上所述，如果轧辊表面的毛化点随机无序的无规则分布，则既可以解决了轧辊表面毛化点分布的均匀度问题而提高轧辊的美观性，又可以提高轧辊的质量。因此急需设计出一种能实现轧辊表面的毛化点随机无序的无规则分布的光毛化加工装置。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、可实现聚焦光点在小范围内二维可控偏摆扫描，从而在轧辊表面加工出可控偏摆的毛化点分布的聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置。

技术方案包括激光系统和毛化机床，所述激光系统包括高功率脉冲激光器、扩束准直系统、导光机构、压电陶瓷偏转系统及聚焦机构，所述压电陶瓷偏转系统由顺序电连接的压电陶瓷偏转器、压电陶瓷偏转驱动器以及驱动控制系统构成。

所述激光系统既可以整体安装在毛化机床拖板上，也可以部分安装在毛化机床拖板上。

所述压电陶瓷偏转器位于聚焦机构之前或之后，可使聚焦光点做二维摆动。

所述扩束准直系统、导光机构位于高功率脉冲激光器及压电陶瓷偏转系统之间，或位于压电陶瓷偏转系统及聚焦机构之间。

所述高功率脉冲激光器为固体脉冲激光器或高功率外调制脉冲CO₂激光器。

所述激光毛化加工装置具体工作时，待加工的轧辊装夹在毛化机床上，并由毛化机床控制旋转运动；毛化机床上拖板可做二维运动，其平移速度由毛化机床控制。

本实用新型工作原理如下：

高功率脉冲激光器产生的脉冲激光束经过扩束准直系统扩束准直，再经导光机构后射入到压电陶瓷偏转器，通过由压电陶瓷偏转驱动器产生的可设定的驱动信号控制的压电陶瓷偏转器作用后产生一个二维可控的小角度偏转，经过压电陶瓷偏转器偏转后的脉冲激光束射入聚焦机构，然后经过聚焦机构聚焦后在轧辊表面形成二维可控偏摆的聚焦光点，同时对轧辊进行毛化加工，从而在轧辊表面形成二维可控的毛化点分布。

压电陶瓷偏摆系统工作原理如下：

当高功率脉冲激光器产生的激光束射入压电陶瓷偏转器时，驱动控制系统控制压电陶瓷偏转驱动器输出设定的可控驱动信号，输出的驱动信号作用于压电陶瓷偏转器，使压电陶瓷偏转器产生摆动偏转，从而使激光束产生相应的二维可控小角度偏转。

本实用新型的优点是：

1．本实用新型方法及装置由于采用可控驱动信号控制的压电陶瓷偏转器，实现了聚焦光点可控偏转扫描的毛化加工，在轧辊表面可以形成无规则排布的毛化坑分布，使得轧辊表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的螺旋线。故采用本实用新型装置生产出来的轧辊在轧制钢板时，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，从而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

2.采用压电陶瓷偏转器实现激光束的二维可控偏摆，可方便地使轧辊表面聚焦光点在二维小范围快速摆动。压电陶瓷偏转驱动器的工作频率可在1Hz到20KHz范围内变化，所以聚焦光点可以实现非常高速度进行摆动，从而大大提高了激光毛化的加工效率。

3.采用驱动控制系统控制压电陶瓷偏转驱动器输出，可设定驱动信号的变化频率和范围，从而可以非常方便地通过轧辊转动速度和拖板平移速度变化来实时控制轧辊表面无规则摆动的频率范围及空间范围，结构简单、成本低、使用方便、维修方便。

附图说明

图1为常规激光毛化装置在轧辊上形成的毛化坑分布示意图（毛化坑沿轧辊圆周方向是直线形分布，但在轧辊长度方向上是非直线形分布）；

图2为实施例1的外部结构示意图；

图3为实施例1中沿激光束的传输光路依次为：高功率脉冲激光器1、扩束准直系统5、导光机构7、压电陶瓷偏转系统4和聚焦机构6的布置示意图；

图4为实施例2中沿激光束的传输光路依次为：高功率脉冲激光器1、导光机构7、压电陶瓷偏转系统4、扩束准直系统5和聚焦机构6的布置示意图；

图5为实施例3中激光束的传输光路依次为：高功率脉冲激光器1、扩束准直系统5、导光机构7、聚焦机构6和压电陶瓷偏转系统4的布置示意图；

图6为压电陶瓷偏转系统的工作原理图；

图7为采用本实用新型装置在轧辊上形成的毛化坑分布示意图。

其中，1－高功率脉冲激光器、2－脉冲激光束、3－毛化机床、301－轧辊转轴、302－顶尖、303－平移导轨、4－压电陶瓷偏转系统、401－压电陶瓷偏转器、402－压电陶瓷偏转驱动器、403－驱动控制系统、5－扩束准直系统、6－聚焦机构、7－导光机构、12－拖板、13－轧辊。

具体实施方式

实施例1：

如图2、图3和图6所示，所述毛化机床3的床身上装有通过平移导轨303驱动的拖板12及用于安装轧辊13并与平移导轨303平行的轧辊转轴301和顶尖302，激光系统中高功率脉冲激光器1、扩束准直系统5、导光机构7、压电陶瓷偏转系统4和聚焦机构6整体安装在毛化机床3的拖板12上，参见图3，沿脉冲激光束的传输光路依次为高功率脉冲激光器1、扩束准直系统5、导光机构7、压电陶瓷偏转系统4和聚焦机构6；参见图6，所述压电陶瓷偏转系统4由顺序电连接的压电陶瓷偏转器401、压电陶瓷偏转驱动器402及驱动控制系统403构成，压电陶瓷偏转器401的偏转量变化由压电陶瓷偏转驱动器402输出的驱动信号所控制，同时驱动控制系统403控制压电陶瓷偏转驱动器402输出可设定驱动信号。高功率脉冲激光器1输出的脉冲激光束2经过由驱动信号控制的压电陶瓷偏转器401作用后，产生一个与驱动信号相对应的可控偏转二维小角度θ；其中，所述压电陶瓷偏转器401的偏转角度高达0.1mrad到100mrad。

本实施例中的所述高功率脉冲激光器1采用YAG激光器，其输出功率从100－2000瓦连续可调，激光输出波长为1.06μm。

工作过程：

1）由毛化机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹轧辊13，具体如图2所示；

2）启动毛化机床3，使轧辊13按设定的转速旋转，同时使拖板12沿轧辊13的长度方向平移；同常规技术一样，所述轧辊13由轧辊转轴301带动旋转，转速由毛化机床3控制；而所述拖板12带动激光系统作二维运动，其运动速度和位置由毛化机床3控制；

3）使高功率脉冲激光器1输出的脉冲激光束2经扩束准直系统5、导光机构7入射到压电陶瓷偏转系统4中的压电陶瓷偏转器401，具体如图3所示；

4）通过压电陶瓷偏转系统4中的驱动控制系统403控制压电陶瓷偏转驱动器402输出可设定变化频率和范围的驱动信号，使脉冲激光束2经过压电陶瓷偏转器401作用后在一个二维小角度范围内作相应偏摆，具体如图6所示；

5）通过置于压电陶瓷偏转器401后部的聚焦机构6对经压电陶瓷偏转器401作用后的脉冲激光束2进行聚焦；

6）在毛化机床3对轧辊13转速、拖板12平移速度的控制及由驱动控制系统403对压电陶瓷偏转驱动器402输出的可设定驱动信号变化的频率和范围的控制下，压电陶瓷偏转器401使脉冲激光束2作二维摆动扫描，经聚焦机构6聚焦后对轧辊表面进行毛化加工，从而在轧辊13表面上加工出非螺旋线毛化点阵分布。

具体如图7所示，由于轧辊13表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线，故采用上述装置生产出来的轧辊在轧制钢板的时候，能够确保轧制过程中可能形成的铁屑颗粒被轧辊圆周方向上交错排列的毛化坑所吸收，而避免在钢板的长度方向上造成划痕，从而大大提高了钢板轧制质量。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，参见图4，沿激光束的传输光路依次为：高功率脉冲激光器1、导光机构7、压电陶瓷偏转系统4、扩束准直系统5和聚焦机构6。工作过程：与实施例1不同的是高功率脉冲激光器1发射出的脉冲激光束2经过导光机构7和由可设定驱动信号控制的压电陶瓷偏转器401偏转后，再经扩束准直系统5入射到聚焦机构6聚焦后，并在轧辊13的表面而进行毛化加工。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，参见图5：沿激光束的传输光路依次为：高功率脉冲激光器1、扩束准直系统5、导光机构7、聚焦机构6和压电陶瓷偏转系统4。工作过程：与实施例1不同的是高功率脉冲激光器1发射出的脉冲激光束2经过扩束准直系统5、导光机构7之后入射到聚焦机构6聚焦，然后再经由可设定驱动信号控制的压电陶瓷偏转器401偏转而在轧辊13的表面而进行毛化加工。

Claims

1.一种聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，包括激光系统和毛化机床，其特征在于，所述激光系统包括高功率脉冲激光器、扩束准直系统、导光机构、压电陶瓷偏转系统及聚焦机构，所述压电陶瓷偏转系统由顺序电连接的压电陶瓷偏转器、压电陶瓷偏转驱动器以及驱动控制系统构成。

2.如权利要求1所述的聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，其特征在于，所述压电陶瓷偏转器位于聚焦机构之前或之后，可使聚焦光点做二维摆动。

3.如权利要求1所述的聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，其特征在于，所述扩束准直系统、导光机构位于高功率脉冲激光器及压电陶瓷偏转系统之间，或位于压电陶瓷偏转系统及聚焦机构之间。

4.如权利要求1所述的聚焦光点可控偏摆的激光毛化加工装置，其特征在于，所述高功率脉冲激光器为固体脉冲激光器或高功率外调制脉冲CO₂激光器。