专利名称：固体激光毛化加工装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光加工装置，具体的是说一种固体激光毛化加工装置。
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。固体激光器主要包括YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、LiSAF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，特别适合中小钢厂普遍适用，其中，应用比较广泛的是YAG激光轧辊毛化技术。YAG激光器主要有Nd = YAG激光器、Yb:YAG激光器、Er:YAG激光器、Tm:YAG激光器等几种，传统固体激光毛化装置的基本原理是采用声光调Q的YAG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。例如中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”(专利号ZL00264774. 5)，就是采用声光调Q的Nd: YAG激光器作为加工光源的。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. 06 μ m)，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，结果形成一个凹坑的同时形成一个凸台。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。而以目前的固体激光毛化装置而言，无法加工出上述要求的毛化效果。
发明内容本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种结构简单、可靠性高，可实现两个或两个以上脉冲串固体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更深的毛化点和表面粗糙度，而且获得更高的毛化频率和毛化加工效率。所述激光系统包括固体激光器组及对应的外光路系统，所述外光路系统为依次设置的扩束准直系统、导光机构、以及激光毛化聚焦头，所述固体激光器组由K个固体激光器组成，KS 2 ;激光毛化聚焦头至少有一个。所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，其特征在于，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘，所述机械调制盘上开有至少一个通光孔。所述固体激光器为YAG固体激光器或其他固体激光器。所述固体激光器组中的任何两个固体激光器，既可采用同一个机械调制盘进行调制，也可分别采用两个独立机械调制盘进行调制。所述激光系统全部安装在毛化机床的拖板上，或部分安装在毛化机床的拖板上。所述通光孔为带有锥度的切口或者是其它几何形状的通孔。本实用新型中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，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么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，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，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，并实现高峰值功率短脉冲输出。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，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。本实用新型中固体激光器的Q调制方法特别适合于激光毛化。一方面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。本实用新型中，当所述机械调制盘上的通光孔大于一个时，这些通光部位可呈圆周等间距分布于机械调制盘上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出脉冲的重复频率是恒定的。当所述通光孔大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也是不一致的，即激光输出脉冲的重复频率不是恒定的。本实用新型提供的固体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K (K > 2)个固体激光器输出的K路脉冲激光束经过准直扩束系统、导光机构，同时经激光毛化聚焦头后分别聚焦于轧辊表面，并对轧辊表面实施毛化加工，从而在轧辊表面加工出K条螺旋线分布的毛化点阵。在毛化机床对轧辊转速、每个固体激光器的Q调制频率及拖板移动速度的集中控制下，所述每个固体激光器对应的聚焦光点在轧辊表面加工形成螺旋扫描线点阵毛化坑分布，同时可以通过精心设计各光学元件以及对每个固体激光器输出功率、Q调制频率进行控制，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。本实用新型的优点是1.本实用新型固体激光毛化加工装置可以采用两个或两个以上固体激光器并联工作，每个固体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，两个或两个以上固体激光器同时工作时，不但可以根据实际需要控制每个固体激光器的输出功率，而且可以控制它们的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。两个或两个以上固体激光器以相同的激光输出并联工作时，可成倍提高工作效率。2.本实用新型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.本实用新型固体激光器不但具有与声光脉冲调Q激光器一样的高重复频率脉冲输出，而且可以同时产生与转镜调Q、电光调Q及染料调Q等脉冲激光器一样的高峰值功率巨脉冲输出。不仅如此，该脉冲串组Q调制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、高峰值功率及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。综上所述，本实用新型借助脉冲串组Q调制激光器提供的稳定性高、重复频率高、峰值功率高及脉冲能量高、而脉宽短的脉冲激光输出，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，获得更高的毛化频率和毛化加工效率。4.本实用新型固体激光器组中各固体激光器的Q开关属于慢开关，其输出Q调制周期内包含由一连串小脉冲组成的脉冲串组，因此激光输出脉冲能量高而峰值功率没有声光调Q及电光调Q那么高，因此非常有利于在轧辊表面形成若干微小熔池，从而克服了声光调Q及电光调Q等激光输出单脉冲峰值功率过高而使轧辊表面气化的缺点。5.本实用新型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。6.本实用新型固体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。
图1为固体激光毛化加工装置整体外部结构示意图；图2为两个固体激光器并联的单头双光点(一个激光聚焦毛化头，两个固体激光器)激光毛化加工示意图；图3为本实用新型实施例1的固体激光器组(固体激光器共用一个机械调制盘)的结构原理图；图4为本实用新型实施例2的固体激光器组(固体激光器各自独用一个机械调制盘)的结构原理图；图5为机械调制盘104示意图，其中图5a的通光孔106为带有锥度的圆孔，图5b为图5a的A — A剖面图；图5c的通光孔106为带有锥度的切口，图5d为图5c的B — B剖面图。图6为本实用新型中固体激光器Q调制的脉冲串组输出图；图7为本实用新型中固体激光器组设有两个固体激光器并联工作时在轧辊表面产生的毛化坑分布示意图。其中，I—固体激光器组、111 —全反镜、121—全反镜、112—连续泵浦单元、122 —连续泵浦单元、103—高速电机、113—高速电机、123—高速电机、104 —机械调制盘、114 一机械调制盘、124 —机械调制盘、115 —输出镜、125 —输出镜、106 —通光孔、116 —通光孔、126 —通光孔、201 —扩束准直系统、202 —扩束准直系统、301 —导光机构、302 —导光机构、5 一激光毛化聚焦头、6 —轧辊、7 —毛化机床、701 —轧辊转轴、702 —顶尖、703-拖板。
具体实施方式
实施例1 :如图1，本实用新型激光毛化加工装置中，包括激光系统和毛化机床7，所述毛化机床7的床身上装有通过平移导轨驱动的拖板703及用于安装轧辊6的轧辊转轴701和顶尖702 ;所述激光系统安装于拖板703上，包括固体激光器组1(设有两个固体激光器)，导光机构301、302，扩束准直系统201，202及激光毛化聚焦头5，本实施例中固体激光器组I输出两束脉冲激光，且只有一个激光毛化聚焦头5，激光系统的结构图如图2所示。本实施例中固体激光器为YAG激光器。参见图3，固体激光器组I中的一个YAG激光器包括依次设置的全反镜111、连续泵浦单元112、高速电机103驱动的机械调制盘104和输出镜115 ;另一个YAG激光器包括全反镜122、连续泵浦单元122、高速电机103驱动的机械调制盘104和输出镜125。本实施例中所述连续泵浦单元112、122均采用半导体光泵浦单元，所述机械调制盘104由铝材料制成；机械调制盘104置于连续泵浦单元112 (122)和输出镜115 (125)之间。机械调制盘104的转轴位于连续泵浦单元112 (122)输出的激光光轴上方，并与高速电机103的输出轴相连，从而能够在高速电机103的带动下高速旋转，而在机械调制盘104上开设的通光孔106为四个呈圆周均匀分布带有锥度的切口，其锥度为1:2(参见图5c和图5d，另外，也可为带有锥度的圆形通光孔106，参见图5a及图5b)，这四个通光孔106可通过机械调制盘104的转动而交替供两YAG激光器中的激光光轴通过。总结本实施例中两YAG激光器共用一个机械调制盘104，除机械调制盘104和高速电机103之外的其它组件则各自拥有一套。只要机械调制盘104足够大，理论上可在此基础上增设N个YAG激光器及相应的N组外光路系统，N > I。从而实现输出两束或两束以上脉冲激光束，结构布上更为节省空间，以缩小YAG激光器的体积。实施例2 :参见图4，与实施例1不同的是两个YAG激光器中第一个包括依次设置的全反镜111、连续泵浦单元112、高速电机113驱动的机械调制盘114和输出镜115 ;第二个包括全反镜122、连续泵浦单元122、高速电机123驱动的机械调制盘124和输出镜125，每个机械调制盘114 (或124)上开设的通光孔116 (或126)为四个呈圆周均匀分布的锥形切口，其锥度为1:4，这四个通光锥形切孔可通过机械调制盘114 (124)的转动而交替供各自对应的YAG激光器中的激光光轴通过。总结本实施例中固体激光器组设置的两个YAG激光器各自配有机械调制盘114 (或124)，在设计要求低、布置上更为简单灵活，在此基础上可以增设N个YAG激光器及相应的N组外光路系统(NS I)。从而实现输出两束或两束以上脉冲激光束。图6所示是本实用新型中脉冲串组YAG调Q激光器脉冲串组输出编组图，以固体激光器组I设置一个YAG激光器为例毛化机床7通过控制高速电机103的转速来控制激光Q调制频率、Q调制深度和脉冲的串组输出；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At内的输出(At〈〈T)，输出时间At内激光以一连串小脉冲形成输出。图中所给的是每个脉冲串组包含3个小脉冲的激光输出图。所述脉冲串组内不同小脉冲的形状及功率通过高速电机103控制机械调制盘104的旋转速度而具体控制。YAG激光器的输出功率、Q调制频率、Q调制深度及脉冲串组输出均由毛化机床根据实际需要而实时控制。工作过程如图1所示，在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊6由毛化机床7上的轧辊转轴701和顶尖702装夹，并由轧辊转轴701带动旋转，其转速由毛化机床7控制。毛化机床7上的拖板703可作二维平移运动，其移动速度由毛化机床7控制；同时，毛化机床可以控制固体激光器组I内两个YAG激光器各自的Q调制频率、Q调制深度及脉冲串组形式。所述毛化机床7采用现有的设备，例如XL9型数控车床。固体激光器组I发出的两束脉冲激光束各自经扩束准直系统201、202扩束准直后，再经过导光机构301、302，然后通过激光毛化聚焦头5聚焦于轧辊表面形成2个非常小的聚焦光点，进而对轧辊6的表面实施毛化加工。在毛化机床7对轧辊6转速、机械调制盘104转速及拖板703位置及平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊6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7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’，主要是根据轧辊6表面粗糙度要求而分别控制轧辊主轴转速及激光器的调Q频率可得，其中b’为同一聚焦光点加工的毛化点纵向间距，b为不同聚焦光点加工的毛化点纵向间距，一般情况下 有b、b’=50 - 500 μ m;激光器发出的两束脉冲激光束经激光毛化聚焦头5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Λ X，而螺旋扫描线(同一聚焦光点产生)螺距为Λ X’，实际系统中Λ X和Λ V都可根据实际轧辊表面粗糙度的要求而控制，通常情况下Λ X =50 - 500 μ m，ΛΧ’ =100 -1OOOym上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种固体激光毛化加工装置，包括激光系统和毛化机床，其特征在于，所述激光系统包括固体激光器组及对应的外光路系统，所述固体激光器组由K个固体激光器组成，K >2，所述外光路系统为依次设置的扩束准直系统、导光机构、以及激光毛化聚焦头。
2.如权利要求1所述的固体激光毛化加工装置，其特征在于，所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘，所述机械调制盘上开有至少一个通光孔。
3.如权利要求1或2所述的固体激光毛化加工装置，其特征在于，所述固体激光器组中的任何两个固体激光器，既可共用同一个机械调制盘进行Q调制，也可分别采用两个独立机械调制盘进行Q调制。
4.如权利要求1所述的固体激光毛化加工装置，其特征在于，激光毛化聚焦头至少有一个。
专利摘要本实用新型涉及一种新型固体激光毛化加工装置，解决了现有固体激光器单脉冲能量较低，平均功率也低，从而导致毛化粗糙度有限，生产效率低，在轧辊表面形成的凹坑结构浅的问题。所述固体激光毛化加工装置包括激光系统和毛化机床，所述激光系统包括上述固体激光器组及其外光路系统。所述外光路系统为依次设置的扩束准直系统、导光机构、以及激光毛化聚焦头；所述固体激光器包括全反镜、输出镜及位于二者构成的谐振腔内的连续泵浦单元，所述连续泵浦单元与输出镜之间还设有电机驱动的机械调制盘，所述机械调制盘上开有至少一个通光孔。本实用新型具有不仅可产生更深的毛化点和表面粗糙度，而且可以获得更高的毛化频率和毛化加工效率。
文档编号B23K26/00GK202877726SQ20122046735
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者陈培锋, 王辉, 梁乔春 申请人:武汉市凯瑞迪激光技术有限公司