專利名稱：一種激光產(chǎn)生方法、yag激光器及激光毛化加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輥類表面激光毛化處理領(lǐng)域，特別是涉及一種高功率脈沖串組激光產(chǎn) 生方法、YAG激光器及激光毛化加工裝置。
背景技術(shù)：
毛化鋼板具有優(yōu)良的沖壓性能和表面涂鍍性能，是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn) 中廣泛應(yīng)用的重要原材料，毛化鋼板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是軋輥表面毛化，激光軋輥毛化技術(shù) 是現(xiàn)在使用的幾種毛化技術(shù)(包括噴丸毛化、電火花毛化以及電子束毛化)中實(shí)用而又先 進(jìn)的一種毛化技術(shù)。目前激光軋輥毛化技術(shù)主要分為兩大類一類是采用CO2氣體激光器的CO2激光毛 化，另一類是采用Nd: YAG固體激光器的YAG激光毛化。目前，已經(jīng)研制成功且用于生產(chǎn)的CO2激光毛化裝置的基本原理是C02激光器發(fā) 射出的高能連續(xù)激光束經(jīng)光調(diào)制轉(zhuǎn)盤(斬光盤)變換成脈沖激光束；利用聚焦透鏡將變換 后的脈沖激光束聚焦于被加工的軋輥表面進(jìn)行毛化；加工過程中，軋輥旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，激光頭 與光學(xué)發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)沿軋輥長(zhǎng)度方向移動(dòng)，在軋輥表面加工出螺旋形規(guī)則分布的微小毛化 坑。例如華中科技大學(xué)激光院研制的大型CO2激光軋輥毛化加工成套系統(tǒng)。但由于該系統(tǒng) 采用了光調(diào)制轉(zhuǎn)盤技術(shù)，只有一部分激光輸出能量能夠得到有效利用，因而其能量利用效 率不高；且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備體積龐大、相對(duì)造價(jià)較高。上述CO2激光毛化設(shè)備由于能量利 用率比較低，因此其加工效率與電火花毛化設(shè)備相比有一定差距。近年來，基于斬光盤光束 調(diào)制原理的此類激光毛化技術(shù)，其主要發(fā)展集中體現(xiàn)在通過設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形式的光調(diào)制 轉(zhuǎn)盤(斬光盤)，以提高激光能量利用率。例如中國(guó)專利“一種用于激光調(diào)制的轉(zhuǎn)盤”(專 利號(hào)ZL94218749. 0)與中國(guó)專利“分光式激光毛化調(diào)制裝置”(專利號(hào)ZL200710041118. 9)。為了克服上述激光毛化技術(shù)的不足，申請(qǐng)?zhí)?00610018261. 1的發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?出了一種高功率激光輥類表面多頭毛化加工方法及裝置，其方法的基本特征是利用高功 率連續(xù)激光器輸出連續(xù)激光束；通過多棱鏡分光機(jī)構(gòu)對(duì)該連續(xù)激光束進(jìn)行調(diào)制，使其分成 K(^2)路脈沖激光束；利用K個(gè)獨(dú)立的聚焦頭分別對(duì)K路脈沖激光束進(jìn)行聚焦后輸出，對(duì) 輥類表面同時(shí)進(jìn)行多頭(K個(gè)聚焦頭)毛化加工，在輥類表面形成K條螺旋掃描線點(diǎn)陣毛化 坑分布?；诖朔椒ǖ母吖β始す廨侇惐砻娑囝^毛化加工裝置可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多頭毛化加 工，加工效率高；激光能量利用效率高，且對(duì)激光功率沒有限制；但該裝置若要進(jìn)一步提高 加工效率，則必須進(jìn)一步增加聚焦頭的數(shù)量，這會(huì)使裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。與國(guó)內(nèi)外電火花和CO2激光毛化技術(shù)相比，YAG激光軋輥毛化技術(shù)具有毛化點(diǎn)分布 二維可控、裝備集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是裝備性價(jià)比高，特別適合中小鋼廠普遍 適用。目前YAG激光毛化裝置的基本原理是采用聲光調(diào)Q的Nd YAG激光器作為脈沖激 光發(fā)生源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光束經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦后，直接作用于被加工的軋輥表 面進(jìn)行毛化；通過控制調(diào)Q頻率與軋輥的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所在九十年代研究開發(fā)的“用于輥類表面毛化的具有可控分布毛 化點(diǎn)的激光加工裝置”(專利號(hào)ZL00264774. 5)，就是采用聲光調(diào)Q的Nd: YAG激光器作為加 工光源的。YAG該激光毛化裝置的優(yōu)點(diǎn)是激光器直接輸出脈沖激光，不需要外光路調(diào)制，激 光能量利用率高；激光波長(zhǎng)短(1. 06 μ m)，軋輥表面激光吸收率高，同樣帶來高的激光能量 利用率。但其缺點(diǎn)是所使用的聲光調(diào)Q器件雖然具有較高的脈沖頻率，但其衍射效率是有 限的；因此，當(dāng)激光增益很高時(shí)，聲光調(diào)Q器件無法提供足夠高的損耗使激光器的振蕩有效 關(guān)斷。聲光調(diào)Q器件的上述限制使得聲光調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器的單脈沖能量較低，平均 功率也低，從而導(dǎo)致毛化粗糙度有限，生產(chǎn)效率低，特別是在較高粗糙度要求下生產(chǎn)效率更 低，難以滿足大型軋鋼廠的生產(chǎn)需要。YAG激光毛化的另一個(gè)缺點(diǎn)是聲光調(diào)Q脈沖脈寬很窄(一般標(biāo)準(zhǔn)聲光調(diào)Q脈沖寬 度為100-300ns)，峰值功率很高(兆瓦量級(jí))，因此激光脈沖經(jīng)過聚焦后達(dá)到很高的峰值功 率密度(107W/cm2以上)，軋輥表面在這樣高的功率密度照射下直接被汽化。由于脈沖寬度 很窄，因此激光脈沖照射的結(jié)果是形成很淺的凹坑，實(shí)踐證明這樣的凹坑結(jié)構(gòu)并不適合于 冷軋時(shí)的粗糙度轉(zhuǎn)移。理想的軋輥毛化脈沖寬度應(yīng)該在幾十微秒量級(jí)，脈沖的峰值功率在千瓦量級(jí)。這 樣的脈沖聚焦后照射軋輥表面時(shí)，軋輥表面被熔化，熔化的表面金屬通過側(cè)吹氣體被吹出 毛化坑，結(jié)果形成一個(gè)凹坑的同時(shí)形成一個(gè)凸臺(tái)。該凸臺(tái)的硬度很高，特別適合在冷軋鋼板 表面形成凹坑，這樣的凹坑對(duì)于潤(rùn)滑油的儲(chǔ)藏非常有利。本發(fā)明提出一種技術(shù)方法和裝置，適合利用YAG激光形成上述比較理想的激光毛 化脈沖，并提出相應(yīng)的激光毛化裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種激光產(chǎn)生方法，得到更高平均功率及單脈沖能量的激光脈 沖，將其應(yīng)用于輥類表面激光毛化處理時(shí)可產(chǎn)生更深的毛化點(diǎn)和表面粗糙度，獲得更高的 毛化頻率和毛化加工效率。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的YAG激光器及激光毛化加工裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高重復(fù)頻率串組脈沖激光產(chǎn)生方法，在激光器的諧振腔內(nèi)放入一由遮光材料 制成的機(jī)械調(diào)制盤，調(diào)制盤上設(shè)有至少一個(gè)供激光光軸穿過的通光部位，控制機(jī)械調(diào)制盤 的轉(zhuǎn)速從而使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi)以連串脈沖形式輸出， At << T。 一種YAG激光器，包括由輸出透反鏡和全反鏡構(gòu)成的諧振腔及置于所述諧振腔內(nèi) 的連續(xù)泵浦單元、Nd:YAG激勵(lì)介質(zhì)和由高速電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械調(diào)制盤，所述機(jī)械調(diào)制盤 由遮光材料制成并置于腔鏡之間，同時(shí)其上設(shè)有至少一個(gè)供激光光軸穿過的通光部位，控 制機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速從而使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi)以連串脈 沖形式輸出，At << T。一種YAG激光毛化加工裝置，包括激光器系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的床身上裝 有通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的工作平臺(tái)及用于安裝軋輥工件且與平移導(dǎo)軌平行的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖；工作平臺(tái)上裝有激光器系統(tǒng)，其中激光器系統(tǒng)包括采用上述YAG激光器、導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、擴(kuò) 束準(zhǔn)直系統(tǒng)和激光毛化聚焦頭；所述YAG激光器的機(jī)械調(diào)制盤固定于高速電機(jī)，數(shù)控機(jī)床 通過電機(jī)控制機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速，使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi) 以一連串脈沖形式輸出，At << T ；輸出的激光束經(jīng)導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，再經(jīng)激光毛 化聚焦頭聚焦于軋輥表面進(jìn)行毛化加工。本發(fā)明還有如下附加技術(shù)特征所述脈沖頻率為IOOHz IOOkHz
所述機(jī)械調(diào)制盤上的通光部位具體可以是開設(shè)于機(jī)械調(diào)制盤上帶有錐度的通光 圓孔；或者，所述通光部位也可以帶有錐度的切口或其他形狀的幾何通孔；其錐度一般要 求大于1 20。本發(fā)明可以通過以下兩方面獲得高重復(fù)頻率一、機(jī)械調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該足 夠高，通常采用每分鐘數(shù)千至數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機(jī)床控制；二、機(jī)械調(diào)制盤中的 通光孔盡可能地多，通常開有5-100個(gè)。本發(fā)明中所述脈沖串組調(diào)制YAG激光器主要采用一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械調(diào)制盤以 實(shí)現(xiàn)YAG激光器的Q調(diào)制，其主要的工作原理如下機(jī)械調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)的過程中，其上的非通 光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時(shí)，相當(dāng)于在激光光軸上插入一個(gè)不通光的物體，從而導(dǎo)致激光 器無法振蕩；如果此時(shí)通過連續(xù)泵浦單元提供能量，那么將在Nd: YAG激勵(lì)介質(zhì)中逐漸積累 能量；隨著機(jī)械調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時(shí)，相當(dāng)于將激光光軸上插入 的不通光物體快速移出，激光器在Nd:YAG激勵(lì)介質(zhì)中所存儲(chǔ)能量對(duì)應(yīng)的增益作用下快速 形成振蕩，并實(shí)現(xiàn)高峰值功率短脈沖輸出。在機(jī)械調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)的過程中，非通光部位與通光 部位交替遮擋和通過激光光軸，因此激光器被周期性的關(guān)斷和開啟；如果此時(shí)通過連續(xù)泵 浦單元提供連續(xù)的激光能量，那么激光器將輸出高重復(fù)頻率、高能量的激光脈沖。本發(fā)明中激光器的Q調(diào)制方式采用機(jī)械Q調(diào)制，也即通過高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械調(diào)制 盤而控制激光器諧振腔振蕩的開關(guān)。在調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速不是非常高的情況下，這種Q開關(guān)屬 于慢開關(guān)。數(shù)控機(jī)床⑶控制高速電機(jī)(105)的轉(zhuǎn)速而控制激光Q調(diào)制頻率、Q調(diào)制深度和 脈沖的串組輸出；所述脈沖串組形式為在調(diào)制周期T內(nèi)的激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At 內(nèi)輸出(At<<T)，輸出時(shí)間At內(nèi)激光以一連串小脈沖形成輸出。At主要取決于機(jī)械 調(diào)制盤通光孔處的線速度大小及光斑直徑；通常來說，線速度越大，光斑直徑越小，At也 就越小。因此，可以根據(jù)實(shí)際需要控制通光孔的線速度或選取不同關(guān)斷點(diǎn)的光斑直徑來取 得At的理想值。本發(fā)明提出的Q調(diào)制方法特別適合于激光毛化。一方面這種方法可以關(guān)斷任意高 功率的激光振蕩，因此可以適合高平均功率激光脈沖；另一方面通過控制激光開啟的速度， 從而獲得脈沖串組激光輸出，形成適合于激光毛化的理想激光脈沖，典型的激光脈沖串組 的脈寬為幾到幾十微秒量級(jí)，峰值功率為千瓦量級(jí)。當(dāng)所述機(jī)械調(diào)制盤上的通光部位大于一個(gè)時(shí)，這些通光部位可呈圓周等間距分布 于機(jī)械調(diào)制盤上，此時(shí)當(dāng)機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，相鄰激光脈沖的時(shí)間間隔是完全一致 的，激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率是恒定的。當(dāng)然所述通光部位大于一個(gè)時(shí)，也可呈圓周非等 間距分布于機(jī)械調(diào)制盤上，此時(shí)即使機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定，那么激光器輸出的相鄰脈沖 的脈沖間隔也是不一致的，重復(fù)頻率不是恒定的。
當(dāng)YAG激光器的輸出功率很高時(shí)，激光器的熱透鏡效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)得尤為突出，在一 定程度下會(huì)限制激光功率的提高，因此在保證激光器功率和穩(wěn)定性的同時(shí)，應(yīng)該盡可能地 縮小激光器的腔長(zhǎng)。為了提高激光器的平均功率，則要求機(jī)械盤從關(guān)斷過渡到開啟的時(shí)間 非常短，因此一般要求調(diào)制盤放置于腔體內(nèi)光斑比較小的位置，而且高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能 太低。本發(fā)明中所述機(jī)械調(diào)制盤的材料為具有足夠高機(jī)械強(qiáng)度的遮光材料，例如各種金 屬，考慮到盡可能減小機(jī)械調(diào)制盤在旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)慣量，優(yōu)選比重小的材料，例如鋁或 合金鋁材。本發(fā)明中所述連續(xù)泵浦單元采用連續(xù)輸出的半導(dǎo)體泵浦單元。本發(fā)明中所述脈沖 串組Q調(diào)制YAG激光器的輸出激光光束經(jīng)導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)及激光毛化聚焦頭作用 而聚焦于軋輥工件表面；從而在軋輥表面獲得足夠高的功率密度。所述激光毛化聚焦頭的 焦距為10 100mm。本發(fā)明提供的高功率 脈沖串組調(diào)制YAG激光毛化加工裝置在具體毛化加工時(shí)，同 現(xiàn)有技術(shù)一樣，待加工的軋輥工件由數(shù)控機(jī)床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾，并由軋輥轉(zhuǎn)軸帶 動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機(jī)床控制。數(shù)控機(jī)床上的工作平臺(tái)可作三維運(yùn)動(dòng)，其平移速度由數(shù)控 機(jī)床控制。所述數(shù)控機(jī)床采用現(xiàn)有的設(shè)備。脈沖串組Q調(diào)制YAG激光器發(fā)出的脈沖激光束 經(jīng)過激光毛化聚焦頭后聚焦于軋輥工件表面實(shí)施毛化加工。在數(shù)控機(jī)床對(duì)軋輥工件轉(zhuǎn)速、 機(jī)械調(diào)制盤轉(zhuǎn)速及工作平臺(tái)平移速度的集中控制下，所述聚焦光點(diǎn)在軋輥工件表面加工形 成螺旋掃描線點(diǎn)陣毛化坑分布。本發(fā)明毛化加工裝置還可進(jìn)一步擴(kuò)展，將一臺(tái)激光器擴(kuò)展 為多臺(tái)激光器同時(shí)配合工作，加工得到需要的毛化坑分布。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明中采用的脈沖串組調(diào)制YAG激光器的關(guān)斷由于是通過機(jī)械調(diào)制盤的非 通光部位實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)激光被關(guān)斷時(shí)實(shí)際上就等同于在激光器中直接插入了一個(gè)機(jī)械開關(guān)， 因此對(duì)應(yīng)的關(guān)斷能力幾乎是無限的。這種關(guān)斷方式對(duì)激光器功率沒有任何限制，可以適用 于高功率激光器，從而形成足夠高的激光脈沖功率和激光脈沖頻率。 2.本發(fā)明中采用的脈沖串組Q調(diào)制YAG激光器不但具有與聲光脈沖調(diào)Q激光器一 樣的高重復(fù)頻率脈沖輸出，而且可以同時(shí)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q及染料調(diào)Q等脈沖激光 器一樣的高峰值功率巨脈沖輸出。不僅如此，該脈沖串組Q調(diào)制激光器解決了目前聲光調(diào) Q脈沖激光器在實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高重復(fù)頻率、高峰值功率及高脈沖能量激光脈沖輸出時(shí)的固有 困難。綜上所述，本發(fā)明借助脈沖串組Q調(diào)制激光器提供的穩(wěn)定性高、重復(fù)頻率高、峰值功 率高及脈沖能量高、而脈寬短的脈沖激光輸出，可加工更深厚度的輥類材料，應(yīng)用于激光毛 化時(shí)可產(chǎn)生更深的毛化點(diǎn)和表面粗糙度，獲得更高的毛化頻率和毛化加工效率。3.本發(fā)明中激光器的Q開關(guān)屬于慢開關(guān)，其輸出Q調(diào)制周期內(nèi)包含由一連串小脈 沖組成的脈沖串組，因此激光輸出脈沖能量高而峰值功率不是特別高，因此非常有利于在 軋輥表面形成若干微小熔池，從而克服了聲光調(diào)Q及電光調(diào)Q等激光輸出單脈沖峰值功率 過高而使軋輥表面氣化的缺點(diǎn)。4.本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以非常方便地放置于數(shù)控機(jī)床的三維移動(dòng)工 作平臺(tái)，因此激光器系統(tǒng)得到很大程度簡(jiǎn)化。5.總之，本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，使用壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定，生產(chǎn)維護(hù)容易，非常適用于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述圖1為本發(fā)明的整體外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中激光器系統(tǒng)固定于工作平臺(tái)的示意圖；圖3為本發(fā)明中脈沖串組調(diào)制YAG激光器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為本發(fā)明中機(jī)械調(diào)制盤結(jié)構(gòu)示意圖，圖4(a)為正視圖，圖4(b)為剖面圖；圖5為本發(fā)明中激光器的脈沖串組輸出圖；圖6為本發(fā)明在軋輥工件表面產(chǎn)生的毛化坑分布示意圖；圖7為本發(fā)明兩臺(tái)激光器并聯(lián)形式結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7示例加工效果示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖1所示為本發(fā)明高功率脈沖串組調(diào)制YAG激光毛化加工裝置的一 種具體實(shí)施方式
，它包括激光器系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床3，所述數(shù)控機(jī)床3的床身上裝有通過平移 導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的工作平臺(tái)303及用于安裝軋輥工件2的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302 ；所述激光器 系統(tǒng)安裝于工作平臺(tái)303，其中激光器系統(tǒng)包括脈沖串組調(diào)制YAG激光器1、導(dǎo)光機(jī)構(gòu)4、擴(kuò) 束準(zhǔn)直系統(tǒng)5及激光毛化聚焦頭6，其安裝于工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。結(jié)合圖3所 示，本實(shí)施例中所述脈沖串組Q調(diào)制激光器1的組成如下由輸出透反鏡102和全反鏡103 構(gòu)成的諧振腔、置于所述諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元101和Nd:YAG激勵(lì)介質(zhì)，以及置于所述 諧振腔內(nèi)的機(jī)械調(diào)制盤104和高速電機(jī)105。本實(shí)施例中所述連續(xù)泵浦單元101采用半導(dǎo) 體光泵浦單元，所述機(jī)械調(diào)制盤104由鋁材料制成，并置于連續(xù)泵浦單元101和輸出透反鏡 102之間。機(jī)械調(diào)制盤104的轉(zhuǎn)軸位于連續(xù)泵浦單元101輸出的激光光軸上方，并與高速電 機(jī)105的輸出軸相連，從而能夠在高速電機(jī)105的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。而在機(jī)械調(diào)制盤104 上開設(shè)兩個(gè)呈圓周分布的通光錐形圓孔，其錐度為1 2，這兩個(gè)通光圓錐孔可藉由機(jī)械調(diào) 制盤104的轉(zhuǎn)動(dòng)而交替供激光光軸通過。本發(fā)明中脈沖串組Q調(diào)制激光器1輸出的脈沖激 光經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)4后，再經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)5進(jìn)行準(zhǔn)直，最終由激光毛化聚焦頭6聚焦于加工軋 輥表面進(jìn)行毛化加工。所述機(jī)械調(diào)制盤上通光孔的軸心與光軸同軸，而且其口徑大于光斑 直徑。如圖4所示，機(jī)械調(diào)制盤上的8個(gè)圓孔在調(diào)制盤上均勻分布，而且，每個(gè)圓錐的錐度 為 1 2。圖5所示是本發(fā)明中Q調(diào)制激光器脈沖串組輸出圖，數(shù)控機(jī)床C3)控制高速電機(jī) (105)的轉(zhuǎn)速而控制激光Q調(diào)制頻率、Q調(diào)制深度和脈沖的串組輸出；所述脈沖串組形式為 在調(diào)制周期T內(nèi)的激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi)輸出(At <<T)，輸出時(shí)間At內(nèi) 激光以一連串小脈沖形成輸出。圖中所給的是每個(gè)脈沖串組包含3個(gè)小脈沖的激光輸出 圖。所述脈沖串組內(nèi)不同小脈沖的形狀及功率隨時(shí)間曲線高速電機(jī)(10 控制機(jī)械調(diào)制盤 (104)的旋轉(zhuǎn)速度而具體控制。At主要由調(diào)制盤通光孔處的線速度大小及光斑直徑大小 決定，At為2 IOOus可調(diào)，例如當(dāng)調(diào)制盤通光孔處線速度為60m/s，光斑直徑為3mm時(shí)， At大約為50us ；而當(dāng)調(diào)制盤通光孔處線速度為120m/s，光斑直徑3mm時(shí)，At大約為25us。
7通常Q調(diào)制周期T的范圍為50-1000uS。本實(shí)施例中所述脈沖串組調(diào)制YAG激光器1的工作原理如下機(jī)械調(diào)制盤104旋 轉(zhuǎn)的過程中，其上的非通光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時(shí)，相當(dāng)于在激光光軸上插入一個(gè)不通 光的物體，從而導(dǎo)致激光器無法振蕩；如果此時(shí)通過連續(xù)泵浦單元101提供能量，那么將在 Nd: YAG激勵(lì)介質(zhì)中逐漸積累能量；隨著機(jī)械調(diào)制盤104的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通光切口旋轉(zhuǎn)到激光光 軸上時(shí)，相當(dāng)于將激光光軸上插入的不通光物體快速移出，激光器在Nd:YAG激勵(lì)介質(zhì)中所 存儲(chǔ)能量對(duì)應(yīng)的增益作用下快速形成振蕩，并實(shí)現(xiàn)高峰值功率短脈沖輸出。在機(jī)械調(diào)制盤 104旋轉(zhuǎn)的過程中，非通光部位與通光切口交替遮擋和通過激光光軸，因此激光器被周期性 的關(guān)斷和開啟；同時(shí)由于連續(xù)泵浦單元101不斷提供連續(xù)的激光能量，那么激光器就將輸 出恒定高重復(fù)頻率、高能量的激光脈沖。結(jié)合圖2可知，本實(shí)施例中YAG激光器輸出的脈沖 激光束經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)(4)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)( 后，再經(jīng)激光毛化聚焦頭(6)聚焦于軋輥表面， 從而在軋輥表面可以獲得非常高的激光能量密度。

如圖1所示，本實(shí)施例在具體毛化加工時(shí)，同現(xiàn)有技術(shù)一樣，待加工的軋輥工件2 由數(shù)控機(jī)床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302裝夾，并由軋輥轉(zhuǎn)軸301帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由數(shù) 控機(jī)床3控制。數(shù)控機(jī)床3上的工作平臺(tái)303可作兩維運(yùn)動(dòng)，其平移速度由數(shù)控機(jī)床3控 制；同時(shí)機(jī)械調(diào)制盤104的轉(zhuǎn)速也由數(shù)控機(jī)床控制從而控制YAG激光器1的Q調(diào)制頻率。所 述數(shù)控機(jī)床3采用現(xiàn)有的設(shè)備，例如數(shù)控車床。脈沖串組調(diào)制YAG激光器1發(fā)出的脈沖激 光束經(jīng)導(dǎo)光機(jī)構(gòu)4、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)5作用后，再通過激光毛化聚焦頭6聚焦而在軋輥工件表 面形成1個(gè)非常小的聚焦光點(diǎn)，最后對(duì)軋輥工件2的表面實(shí)施毛化加工。在數(shù)控機(jī)床3對(duì) 軋輥工件2轉(zhuǎn)速、機(jī)械調(diào)制盤104轉(zhuǎn)速及工作平臺(tái)303位置及平移速度的集中控制下，所述 聚焦光點(diǎn)在軋輥工件2表面加工形成1條螺旋掃描線點(diǎn)陣毛化坑分布，具體結(jié)合圖6所示， 該螺旋掃描線點(diǎn)陣的縱向點(diǎn)間距根據(jù)軋輥工件2表面粗糙度要求可設(shè)為b = 50 500 μ m, 橫向點(diǎn)間距Δ X根據(jù)軋輥工件2表面粗糙度要求也可設(shè)為50 500 μ m,螺旋掃描線螺距為 ΔΧ。上述毛化加工裝置中激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步擴(kuò)展，也即將一臺(tái)激光器擴(kuò)展多 臺(tái)，并相應(yīng)地為每個(gè)激光器配置導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)和激光毛化聚焦頭。其中，不同YAG 激光器的激光輸出功率、Q調(diào)制頻率及脈沖串組形式既可以相同，也可以不同。多臺(tái)高功率 脈沖串組激光器同時(shí)工作時(shí)，不但可以根據(jù)實(shí)際要求控制每臺(tái)激光器的輸出功率、Q調(diào)制頻 率及脈沖串組輸出形式，而且可以通過精心設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)而使聚焦光點(diǎn)在軋輥表面加工出 所需要的毛化點(diǎn)陣分布形狀。多臺(tái)脈沖串組調(diào)制激光器以相同的激光輸出并聯(lián)工作時(shí)，其 對(duì)軋輥表面加工的效率是單臺(tái)同等激光輸出的激光器加工時(shí)的多倍，因此多臺(tái)激光器并聯(lián) 工作可以使加工效率得到成倍提高。實(shí)施例2 以兩臺(tái)激光器并聯(lián)工作為例對(duì)其說明，如圖7所示，脈沖串組調(diào)制YAG 激光器111、112發(fā)出的脈沖激光束分別經(jīng)導(dǎo)光機(jī)構(gòu)411、412，擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)511、512作用 后，再經(jīng)激光毛化聚焦頭611、612聚焦而在軋輥工件表面形成2個(gè)非常小的聚焦光點(diǎn)，最后 對(duì)軋輥工件2的表面實(shí)施毛化加工。在數(shù)控機(jī)床3對(duì)軋輥工件2轉(zhuǎn)速、機(jī)械調(diào)制盤1114、 1124轉(zhuǎn)速及工作平臺(tái)303位置及平移速度的集中控制下，所述聚焦光點(diǎn)在軋輥工件2表面 加工形成2條螺旋掃描線點(diǎn)陣毛化坑分布，具體結(jié)合圖6所示，激光器111、112在軋輥表面 的螺旋掃描線點(diǎn)陣的縱向點(diǎn)間距分別為bl、b2，主要是根據(jù)軋輥工件2表面粗糙度要求而分別控制軋輥主軸轉(zhuǎn)速及激光器111、112的調(diào)Q頻率可得，一般情況下有bl、= 50 500 μ m;激光器111、112發(fā)出的脈沖激光束分別經(jīng)激光毛化聚焦頭611、612聚焦在軋輥表 面產(chǎn)生的兩條螺旋線橫向間距為a，而螺旋掃描線螺距為ΔΧ，實(shí)際系統(tǒng)中a和ΔΧ都可根 據(jù)實(shí)際軋輥表面粗糙度的要求而控制，通常情況下a = 50 500 μ m，Δ X = 100 1000 μ m。 圖8為圖7示例加工效果示意圖。 當(dāng)然上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù) 的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā) 明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高重復(fù)頻率串組脈沖激光產(chǎn)生方法，在激光器的諧振腔內(nèi)放入一由遮光材料制 成的機(jī)械調(diào)制盤，調(diào)制盤上設(shè)有至少一個(gè)供激光光軸穿過的通光部位，控制機(jī)械調(diào)制盤的 轉(zhuǎn)速從而使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi)以連串脈沖形式輸出，At << T。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光產(chǎn)生方法，其特征在于，所述脈沖調(diào)制頻率為IOOHz IOOkHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光產(chǎn)生方法，其特征在于，所述機(jī)械調(diào)制盤上開有多于 一個(gè)的呈圓周均勻分布且具有錐度的通光孔，其錐度大于1 20。
4.一種YAG激光器，包括由輸出透反鏡和全反鏡構(gòu)成的諧振腔及置于所述諧振腔內(nèi)的 連續(xù)泵浦單元、Nd:YAG激勵(lì)介質(zhì)和由高速電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械調(diào)制盤，所述機(jī)械調(diào)制盤由 遮光材料制成并置于腔鏡之間，同時(shí)其上設(shè)有至少一個(gè)供激光光軸穿過的通光部位，控制 機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速從而使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間At內(nèi)以連串脈沖 形式輸出，At << T0
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的YAG激光器，其特征在于，所述脈沖頻率為IOOHz IOOkHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的YAG激光器，其特征在于，所述機(jī)械調(diào)制盤上開有多于1 個(gè)的呈圓周均勻分布且具有錐度的通光孔，其錐度大于1 20。
7.—種YAG激光毛化加工裝置，包括激光器系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的床身上裝有 通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的工作平臺(tái)及用于安裝軋輥工件且與平移導(dǎo)軌平行的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖； 工作平臺(tái)上裝有激光器系統(tǒng)，其中激光器系統(tǒng)包括采用權(quán)利要求4所述的YAG激光器、導(dǎo)光 機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)和激光毛化聚焦頭；所述YAG激光器的機(jī)械調(diào)制盤固定于高速電機(jī)，數(shù) 控機(jī)床通過電機(jī)控制機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速，使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間 At內(nèi)以一連串脈沖形式輸出，At << T ；輸出的激光束經(jīng)導(dǎo)光機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，再經(jīng) 激光毛化聚焦頭聚焦于軋輥表面進(jìn)行毛化加工。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率脈沖串組調(diào)制YAG激光毛化加工裝置，其特征在于，所 述激光毛化聚焦頭的焦距為10 100mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的高功率脈沖串組調(diào)制YAG激光毛化加工裝置，其特征在 于，所述激光器為一臺(tái)或一臺(tái)以上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光產(chǎn)生方法，在激光器的諧振腔內(nèi)放入一由遮光材料制成的機(jī)械調(diào)制盤，調(diào)制盤上設(shè)有至少一個(gè)供激光光軸穿過的通光部位，控制機(jī)械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速從而使得在調(diào)制周期T內(nèi)激光通過Q調(diào)制壓縮在時(shí)間Δt內(nèi)以連串脈沖形式輸出。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的YAG激光器及激光毛化加工裝置。本發(fā)明具有平均功率高、單脈沖能量高及重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，可加工更深厚度的輥類材料，應(yīng)用于激光毛化時(shí)可產(chǎn)生更深的毛化點(diǎn)和表面粗糙度，獲得更高的毛化頻率和毛化加工效率。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102091868SQ201010592419
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者劉著新, 梁?jiǎn)檀? 王英, 陳培鋒 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)