专利名称：聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于辊类表面激光毛化处理领域，特别涉及一种聚焦光点小范围二维摆动 式激光辊类表面毛化加工方法及装置。
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、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 使其作用于作旋转运动的轧辊表面形成微小熔池；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Nd:YAG激光器的YAG 激光毛化，另一类则是采用气体C02激光器的C02激光毛化。其共同特点是采用声光调Q 的Nd: YAG激光器或经特殊调制的C02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。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
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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)存在均勻分布的直线，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。分析上述现象的成因后，我们发现如果轧辊表面的毛化坑不是沿轧辊圆周方向 的螺旋直线形分布，则上述现象就可以避免。
发明内容
本发明目的是为解决现有技术存在的问题而提供一种聚焦光点小范围二维摆动 式激光辊类表面毛化加工方法及装置，所述方法及装置可以使聚焦光点在小范围内二维摆 动，从而在轧辊表面加工出可控的无规则毛化点分布或有规律的横向摆动毛化点分布。通 过该方法及装置处理的轧辊在轧制钢板时，不会在钢板的长度方向上形成划痕，表面外观 更柔和，从而提高钢板的轧制质量。本发明的技术方案如下首先是一种聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛 化加工方法，其特征在于使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束入射于声光偏转系统中 由声光偏转驱动器控制的声光偏转器中，通过该声光偏转器作用后产生一个小角度偏转， 且同时使用一置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉冲 激光束进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊长度方向或周向小范围快速摆动的聚焦光点 对轧辊表面进行毛化加工，在轧辊表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛化坑分 布。本发明方法进一步按下述具体步骤对轧辊表面实施毛化加工1)由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹轧辊；2)启动数控机床，使轧辊按设定的转速旋转，同时使搭载声光偏转系统及聚焦机 构的工作平台沿轧辊的长度方向平移；3)使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束经光学元件系统入射到声光偏转系统 中的声光偏转器；4)通过声光偏转系统中的声光偏转驱动器控制声光偏转器的超声频率周期性变 化，从而使入射的脉冲激光束以变化的角度出射，出射的角度大小取决于声光偏转器的超 声频率大小；故当脉冲激光束入射于声光偏转器时，声光偏转器输出的脉冲激光束传输方 向在一定小角度范围内以一定规律二维摆动；5)通过置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉 冲激光束进行聚焦；6)在数控机床对轧辊转速、声光偏转驱动器的工作频率及工作平台平移速度的集 中控制下，使所述以螺旋线为轴线快速小范围二维摆动的聚焦光点对轧辊同时进行毛化加工，在轧辊表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛化坑分布。本发明同时提供了一种能够实现上述加工方法的聚焦光点小范围二维摆动式激 光辊类表面毛化加工装置，该装置能够在轧辊表面形成可控的无规则毛化点分布或有规律 的横向摆动毛化点分布，并且结构简单、激光能量利用率高。一种聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置，包括高功率脉冲激 光器和数控机床，所述数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及用于安装轧 辊并与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖，其特征在于所述工作平台上装有声光偏转系统和 聚焦机构，所述声光偏转系统由电连接的声光偏转器和声光偏转驱动器构成，所述聚焦机 构置于声光偏转器的前部或者后部。本发明的上述装置中，所述声光偏转驱动器以一定的频率周期性改变声光偏转 器的频率，使通过声光偏转器的脉冲激光束的偏转角在二维小范围内不停变化，其中所述 声光偏转驱动器的工作频率范围为1Hz到200KHz，而所述声光偏转器的偏转角度范围为 3mrad ilj lOOmrad。本发明的上述装置中，所述高功率脉冲激光器是YAG脉冲激光器，所述YAG脉冲激 光器为调Q式脉冲激光器或者外调制脉冲激光器。本发明的上述装置中，所述聚焦机构为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。本发明的上述装置中，所述高功率脉冲激光器和声光偏转系统之间的激光传输光 路上还设置有光学元件系统。所述光学元件系统是根据实际系统需要而使用的由一系列光 学元件构成的光学机构，既可以是扩束系统，也可以是导光系统。本发明的上述装置在具体工作时，同常规技术一样，待加工的轧辊工件由数控机 床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上 的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制，声光偏转驱动器的工作频率范围 也由数控机床控制。所述数控机床采用现有的设备，例如XL9型数控车床。本发明的优点是1.本发明方法及装置由于采用声光偏转器，实现了聚焦光点以螺旋线为轴线小范 围的摆动式毛化加工，在轧辊表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的毛化坑分布，使得 轧辊表面圆周上相邻两排毛化坑之间不再有平滑的直线。故采用本发明方法及装置生产出 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，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.同时本发明提供的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置还 具有如下优点(1)采用声光偏转器实现轧辊表面上聚焦光点以螺旋线为轴线小范围摆动，不但 简化了光学系统(不需使用振镜、多棱镜等光学系统进行扫描)，而且提高了摆动的控制精度。(2)采用声光偏转器二维控制激光束的偏转方向，可方便地使轧辊表面聚焦光点 在二维小范围内快速摆动。(3)采用声光偏转驱动器控制声光偏转器频率变化的快慢，可以非常方便地根据 轧辊转动速度和工作台平移速度的需要而实时控制聚焦光点摆动速度的快慢。因此，本发明的聚焦光点摆动机构简单、使用方便，而且可以灵活地根据实际要求进行实时控制。(4)由于数控机床采用的是三轴联动的数控系统与激光输出功率和脉冲频率的计 算机控制相结合，非常方便于在线调节，实现毛化辊面粗糙度和毛化坑分布密度可变，并可 实现辊面毛化坑的多种分布，产品质量好。总之，本发明所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置激光 能量利用率高，整体结构简单、使用寿命长，并且工作稳定，加工效率高、产品质量好。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为常规激光毛化工艺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为本发明一种具体实施例的外部结构示意图；图3为聚焦机构放置于声光偏转器后部状态的聚焦光点小范围二维随机扫描系 统图；图4为聚焦机构放置于声光偏转器前部状态的聚焦光点小范围二维随机扫描系 统图；图5为声光偏转系统的工作原理图；图6为本发明提供的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置在 轧辊表面形成的毛化坑分布。
具体实施例方式实施例如图2、图3和图5所示为本发明提供的聚焦光点小范围二维摆动式激光 辊类表面毛化加工装置的一种具体实施方式
，包括高功率脉冲激光器1和数控机床3，所述 数控机床3的床身上装有通过平移导轨303驱动的工作平台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，所述工作平台12上装有声光偏转系统4和聚 焦机构6，所述声光偏转系统4由电连接的声光偏转器401和声光偏转驱动器402构成，所 述聚焦机构6置于声光偏转器401的前部或者后部。同时具体如图5所示，本实施例中在 高功率脉冲激光器1和声光偏转系统4之间的激光传输光路上还设置有光学元件系统5，所 述光学元件系统5在图2中并未示出。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1.06 ym。本实施例中所述光学元件系统5是扩束镜。所 述聚焦机构6为透射式聚焦镜。具体结合图5所示，所述声光偏转系统4由电连接的声光 偏转器401和声光偏转驱动器402构成，其中，声光偏转驱动器402以一定的频率周期性改 变声光偏转器401的频率，使通过声光偏转器401的脉冲激光束2的偏转角在二维小范围 内不停变化，这样当脉冲激光束2入射于声光偏转器401并经其作用后产生一个二维小角 度9的偏转。所述声光偏转驱动器402的工作频率范围为1Hz到200KHz，该工作频率由数 控机床3控制，而所述声光偏转器401的偏转角度范围为3mrad到lOOmrad。结合图2、图3、图5所示，对采用上述实施例装置对轧辊进行毛化加工的方法及原 理进行说明，所述方法具体分成下述几个步骤
1)由数控机床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)启动数控机床3，使轧辊13按设定的转速旋转，同时使搭载声光偏转系统4及 聚焦机构6的工作平台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，转速由数控机床3控制；而所述工作平台12可作三维运动，其运动也 由数控机床3控制，声光偏转系统4和聚焦机构6随工作平台12 —起移动；3)使高功率脉冲激光器1输出的脉冲激光束2经光学元件系统5入射到声光偏转 系统4中的声光偏转器401，具体如图3所示；4)通过声光偏转系统4中的声光偏转驱动器402控制声光偏转器401的超声频 率周期性变化，从而使入射的脉冲激光束2以变化的角度出射，出射的角度大小取决于声 光偏转器401的超声频率大小；故当脉冲激光束2入射于声光偏转器401时，声光偏转器 401输出的脉冲激光束2传输方向在一定小角度范围内以一定规律二维摆动，具体如图5所 示；5)通过置于声光偏转器401前部或者后部的聚焦机构6对进入或射出声光偏转器 401的脉冲激光束2进行聚焦；6)在数控机床3对轧辊13转速、声光偏转驱动器402的工作频率及工作平台12 平移速度的集中控制下，使所述以螺旋线为轴线快速小范围二维摆动的聚焦光点对轧辊13 同时进行毛化加工，在轧辊13表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛化坑分布。具体如图6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 具体结合图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中将聚 焦机构6放置于声光偏转器401前部，聚焦机构6依然采用透射式聚焦镜，而本实施例其余 同实施例1。这样高功率脉冲激光器1发射出的脉冲激光束2经过光学元件系统5之后入 射到聚焦机构6聚焦，然后再经由声光驱动器402控制的声光偏转器401偏转而在轧辊13 的表面进行毛化加工。聚焦机构6的等效焦距相对实施例1更长，这是由于声光偏转器401 放置于聚焦机构6与轧辊13表面之间所致。当然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。
权利要求
一种聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工方法，其特征在于使高功率脉冲激光器(1)输出的脉冲激光束(2)入射于声光偏转系统(4)中由声光偏转驱动器(402)控制的声光偏转器(401)中，通过该声光偏转器(401)作用后产生一个小角度偏转，且同时使用一置于声光偏转器(401)前部或者后部的聚焦机构(6)对进入或射出声光偏转器(401)的脉冲激光束(2)进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊(13)长度方向或周向小范围快速摆动的聚焦光点对轧辊(13)表面进行毛化加工，在轧辊(13)表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛化坑分布。
2.根据权利要求1所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工方法，其 特征在于按下述具体步骤对轧辊(13)表面实施毛化加工1)由数控机床(3)上的轧辊转轴(301)和顶尖(302)装夹轧辊(13)；2)启动数控机床(3)，使轧辊(13)按设定的转速旋转，同时使搭载声光偏转系统(4) 及聚焦机构(6)的工作平台(12)沿轧辊(13)的长度方向平移；3)使高功率脉冲激光器(1)输出的脉冲激光束(2)经光学元件系统(5)入射到声光偏 转系统(4)中的声光偏转器(401)；4)通过声光偏转系统(4)中的声光偏转驱动器(402)控制声光偏转器(401)的超声频 率周期性变化，从而使入射的脉冲激光束(2)以变化的角度出射，出射的角度大小取决于 声光偏转器(401)的超声频率大小；故当脉冲激光束(2)入射于声光偏转器(401)时，声光 偏转器(401)输出的脉冲激光束(2)传输方向在一定小角度范围内以一定规律二维摆动；5)通过置于声光偏转器(401)前部或者后部的聚焦机构(6)对进入或射出声光偏转器 (401)的脉冲激光束(2)进行聚焦；6)在数控机床(3)对轧辊(13)转速、声光偏转驱动器(402)的工作频率及工作平台 (12)平移速度的集中控制下，使所述以螺旋线为轴线快速小范围二维摆动的聚焦光点对轧 辊(13)同时进行毛化加工，在轧辊(13)表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛 化坑分布。
3.一种用于实现如权利要求1所述加工方法的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类 表面毛化加工装置，包括高功率脉冲激光器(1)和数控机床(3)，所述数控机床(3)的床 身上装有通过平移导轨(303)驱动的工作平台(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)，其特征在于所述工作平台(12)上装有声光偏 转系统(4)和聚焦机构(6)，所述声光偏转系统(4)由电连接的声光偏转器(401)和声光偏 转驱动器(402)构成，所述聚焦机构(6)置于声光偏转器(401)的前部或者后部。
4.根据权利要求3所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置，其 特征在于所述高功率脉冲激光器(1)是YAG脉冲激光器，所述YAG脉冲激光器为调Q式脉 冲激光器或者外调制脉冲激光器。
5.根据权利要求3所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置，其 特征在于所述声光偏转驱动器(402)以一定的频率周期性改变声光偏转器(401)的频率， 使通过声光偏转器(401)的脉冲激光束(2)的偏转角在二维小范围内不停变化，其中所述 声光偏转驱动器(402)的工作频率范围为IHz到200KHz，而所述声光偏转器(401)的偏转 角度范围为3mrad至Ij 1 OOmrad。
6.根据权利要求3所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置，其特征在于所述聚焦机构(6)为透射式聚焦镜或者反射式聚焦镜。
7.根据权利要求3所述的聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工装置，其 特征在于所述高功率脉冲激光器(1)和声光偏转系统(4)之间的激光传输光路上还设置有 光学元件系统(5)。
全文摘要
本发明公开了一种聚焦光点小范围二维摆动式激光辊类表面毛化加工方法，使高功率脉冲激光器输出的脉冲激光束入射于声光偏转系统中由声光偏转驱动器控制的声光偏转器中，通过该声光偏转器作用后产生一个小角度偏转，且同时使用一置于声光偏转器前部或者后部的聚焦机构对进入或射出声光偏转器的脉冲激光束进行聚焦后形成一系列沿转动的轧辊长度方向或周向小范围快速摆动的聚焦光点对轧辊表面进行毛化加工，在轧辊表面形成一系列非螺旋扫描线点阵排布的可控毛化坑分布。本发明方法处理的轧辊在轧制钢板时，可以形成的无规则毛化点分布，可以提供各种板型，提高了钢板的轧制质量。
文档编号B23K26/06GK101879664SQ201010203988
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者孙长东, 梁乔春, 谈贤杰, 陈培锋 申请人:苏州市博海激光科技有限公司