專利名稱：固體激光毛化加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光加工裝置，具體的是說一種固體激光毛化加工裝置。
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)中實用而又先進的一種毛化技術(shù)。目前激光軋輥毛化技術(shù)主要分為兩大類一類是采用氣體激光器的氣體激光毛化，例如CO2激光毛化，另一類是采用固體激光器的固體激光毛化，例如YAG激光毛化。固體激光器主要包括YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、LiSAF激光器等。與國內(nèi)外電火花和氣體激光毛化技術(shù)相比，固體激光毛化技術(shù)具有毛化點分布二維可控、裝備集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，裝備性價比高，特別適合中小鋼廠普遍適用，其中，應(yīng)用比較廣泛的是YAG激光軋輥毛化技術(shù)。YAG激光器主要有Nd = YAG激光器、Yb:YAG激光器、Er:YAG激光器、Tm:YAG激光器等幾種，傳統(tǒng)固體激光毛化裝置的基本原理是采用聲光調(diào)Q的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行毛化；通過控制調(diào)Q頻率與軋輥的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如中國科學(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的激光加工裝置”(專利號ZL00264774. 5)，就是采用聲光調(diào)Q的Nd: YAG激光器作為加工光源的。傳統(tǒng)固體激光毛化 裝置的優(yōu)點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，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脈沖固體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。傳統(tǒng)固體激光毛化的另一個缺點是聲光調(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)，因此激光脈沖經(jīng)過聚焦后達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，實踐證明這樣的凹坑結(jié)構(gòu)并不適合于冷軋時的粗糙度轉(zhuǎn)移。理想的軋輥毛化脈沖寬度應(yīng)該在幾十微秒量級，脈沖的峰值功率在千瓦量級。這樣的脈沖聚焦后照射軋輥表面時，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)果形成一個凹坑的同時形成一個凸臺。該凸臺的硬度很高，特別適合在冷軋鋼板表面形成凹坑，這樣的凹坑對于潤滑油的儲藏非常有利。而以目前的固體激光毛化裝置而言，無法加工出上述要求的毛化效果。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決上述問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，可實現(xiàn)兩個或兩個以上脈沖串固體激光器并聯(lián)的固體激光毛化加工裝置，所述激光毛化加工裝置不僅可以產(chǎn)生更深的毛化點和表面粗糙度，而且獲得更高的毛化頻率和毛化加工效率。所述激光系統(tǒng)包括固體激光器組及對應(yīng)的外光路系統(tǒng)，所述外光路系統(tǒng)為依次設(shè)置的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、導(dǎo)光機構(gòu)、以及激光毛化聚焦頭，所述固體激光器組由K個固體激光器組成，KS 2 ;激光毛化聚焦頭至少有一個。所述固體激光器包括全反鏡、輸出鏡及位于二者構(gòu)成的諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元，其特征在于，所述連續(xù)泵浦單元與輸出鏡之間還設(shè)有電機驅(qū)動的機械調(diào)制盤，所述機械調(diào)制盤上開有至少一個通光孔。所述固體激光器為YAG固體激光器或其他固體激光器。所述固體激光器組中的任何兩個固體激光器，既可采用同一個機械調(diào)制盤進行調(diào)制，也可分別采用兩個獨立機械調(diào)制盤進行調(diào)制。所述激光系統(tǒng)全部安裝在毛化機床的拖板上，或部分安裝在毛化機床的拖板上。所述通光孔為帶有錐度的切口或者是其它幾何形狀的通孔。本實用新型中固體激光器主要的工作原理如下機械調(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，相當(dāng)于在激光光軸上插入一個不通光的物體，從而導(dǎo)致激光器無法振蕩；如果此時通過連續(xù)泵浦單元提供能量，那么將在連續(xù)泵浦單元的固體激勵介質(zhì)中逐漸積累能量；隨著機械調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通光部位旋轉(zhuǎn)到激光光軸上時，相當(dāng)于將激光光軸上插入的不通光物體快速移出，激光器在固體激勵介質(zhì)中所存儲能量對應(yīng)的增益作用下快速形成振蕩，并實現(xiàn)高峰值功率短脈沖輸出。在機械調(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。本實用新型中固體激光器的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，典型的脈沖串組激光的脈寬為幾十微秒量級，峰值功率為千瓦量級。本實用新型中，當(dāng)所述機械調(diào)制盤上的通光孔大于一個時，這些通光部位可呈圓周等間距分布于機械調(diào)制盤上，此時當(dāng)機械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定時，相鄰激光脈沖的時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)所述通光孔大于一個時，也可呈圓周非等間距分布于機械調(diào)制盤上，此時即使機械調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速恒定，激光器輸出的相鄰脈沖的脈沖間隔也是不一致的，即激光輸出脈沖的重復(fù)頻率不是恒定的。本實用新型提供的固體激光毛化加工裝置在具體毛化加工時，同現(xiàn)有技術(shù)一樣，待加工的軋輥由毛化機床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾，并由軋輥轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由毛化機床控制。毛化機床上的拖板可作二維平移運動，其移動速度由毛化機床控制。固體激光器組中K (K > 2)個固體激光器輸出的K路脈沖激光束經(jīng)過準(zhǔn)直擴束系統(tǒng)、導(dǎo)光機構(gòu)，同時經(jīng)激光毛化聚焦頭后分別聚焦于軋輥表面，并對軋輥表面實施毛化加工，從而在軋輥表面加工出K條螺旋線分布的毛化點陣。在毛化機床對軋輥轉(zhuǎn)速、每個固體激光器的Q調(diào)制頻率及拖板移動速度的集中控制下，所述每個固體激光器對應(yīng)的聚焦光點在軋輥表面加工形成螺旋掃描線點陣毛化坑分布，同時可以通過精心設(shè)計各光學(xué)元件以及對每個固體激光器輸出功率、Q調(diào)制頻率進行控制，從而在軋輥表面加工出毛化坑深度及毛化點陣形狀可控的毛化點陣分布。本實用新型的優(yōu)點是1.本實用新型固體激光毛化加工裝置可以采用兩個或兩個以上固體激光器并聯(lián)工作，每個固體激光器的激光輸出功率、Q調(diào)制頻率及脈沖串組形式均由可毛化機床控制。而且，兩個或兩個以上固體激光器同時工作時，不但可以根據(jù)實際需要控制每個固體激光器的輸出功率，而且可以控制它們的Q調(diào)制頻率及脈沖串組形式輸出。同時，可以通過精心設(shè)計外光路系統(tǒng)而使聚焦光點在軋輥表面加工出所需要的毛化點陣分布。兩個或兩個以上固體激光器以相同的激光輸出并聯(lián)工作時，可成倍提高工作效率。2.本實用新型固體激光器的關(guān)斷由于是通過機械調(diào)制盤的非通光部位實現(xiàn)的，當(dāng)激光被關(guān)斷時實際上就等同于在激光器中直接插入了一個機械開關(guān)，因此對應(yīng)的關(guān)斷能力幾乎是無限的。這種關(guān)斷方式對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脈沖頻率。3.本實用新型固體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的固有困難。綜上所述，本實用新型借助脈沖串組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)用于激光毛化時可產(chǎn)生更深的毛化點和表面粗糙度，獲得更高的毛化頻率和毛化加工效率。4.本實用新型固體激光器組中各固體激光器的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沒有聲光調(diào)Q及電光調(diào)Q那么高，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。5.本實用新型固體激光器組整體結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以非常方便地放置于毛化機床的二維移動拖板上，因此固體激光器并聯(lián)系統(tǒng)得到很大程度簡化。6.本實用新型固體激光毛化加工裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，成本低，加工效率高，使用壽命長，工作穩(wěn)定，生產(chǎn)維護容易，非常適用于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

圖1為固體激光毛化加工裝置整體外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為兩個固體激光器并聯(lián)的單頭雙光點(一個激光聚焦毛化頭，兩個固體激光器)激光毛化加工示意圖；圖3為本實用新型實施例1的固體激光器組(固體激光器共用一個機械調(diào)制盤)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為本實用新型實施例2的固體激光器組(固體激光器各自獨用一個機械調(diào)制盤)的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5為機械調(diào)制盤104示意圖，其中圖5a的通光孔106為帶有錐度的圓孔，圖5b為圖5a的A — A剖面圖；圖5c的通光孔106為帶有錐度的切口，圖5d為圖5c的B — B剖面圖。圖6為本實用新型中固體激光器Q調(diào)制的脈沖串組輸出圖；圖7為本實用新型中固體激光器組設(shè)有兩個固體激光器并聯(lián)工作時在軋輥表面產(chǎn)生的毛化坑分布示意圖。其中，I—固體激光器組、111 —全反鏡、121—全反鏡、112—連續(xù)泵浦單元、122 —連續(xù)泵浦單元、103—高速電機、113—高速電機、123—高速電機、104 —機械調(diào)制盤、114 一機械調(diào)制盤、124 —機械調(diào)制盤、115 —輸出鏡、125 —輸出鏡、106 —通光孔、116 —通光孔、126 —通光孔、201 —擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、202 —擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、301 —導(dǎo)光機構(gòu)、302 —導(dǎo)光機構(gòu)、5 一激光毛化聚焦頭、6 —軋輥、7 —毛化機床、701 —軋輥轉(zhuǎn)軸、702 —頂尖、703-拖板。
具體實施方式
實施例1 :如圖1，本實用新型激光毛化加工裝置中，包括激光系統(tǒng)和毛化機床7，所述毛化機床7的床身上裝有通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動的拖板703及用于安裝軋輥6的軋輥轉(zhuǎn)軸701和頂尖702 ;所述激光系統(tǒng)安裝于拖板703上，包括固體激光器組1(設(shè)有兩個固體激光器)，導(dǎo)光機構(gòu)301、302，擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)201，202及激光毛化聚焦頭5，本實施例中固體激光器組I輸出兩束脈沖激光，且只有一個激光毛化聚焦頭5，激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本實施例中固體激光器為YAG激光器。參見圖3，固體激光器組I中的一個YAG激光器包括依次設(shè)置的全反鏡111、連續(xù)泵浦單元112、高速電機103驅(qū)動的機械調(diào)制盤104和輸出鏡115 ;另一個YAG激光器包括全反鏡122、連續(xù)泵浦單元122、高速電機103驅(qū)動的機械調(diào)制盤104和輸出鏡125。本實施例中所述連續(xù)泵浦單元112、122均采用半導(dǎo)體光泵浦單元，所述機械調(diào)制盤104由鋁材料制成；機械調(diào)制盤104置于連續(xù)泵浦單元112 (122)和輸出鏡115 (125)之間。機械調(diào)制盤104的轉(zhuǎn)軸位于連續(xù)泵浦單元112 (122)輸出的激光光軸上方，并與高速電機103的輸出軸相連，從而能夠在高速電機103的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，而在機械調(diào)制盤104上開設(shè)的通光孔106為四個呈圓周均勻分布帶有錐度的切口，其錐度為1:2(參見圖5c和圖5d，另外，也可為帶有錐度的圓形通光孔106，參見圖5a及圖5b)，這四個通光孔106可通過機械調(diào)制盤104的轉(zhuǎn)動而交替供兩YAG激光器中的激光光軸通過。總結(jié)本實施例中兩YAG激光器共用一個機械調(diào)制盤104，除機械調(diào)制盤104和高速電機103之外的其它組件則各自擁有一套。只要機械調(diào)制盤104足夠大，理論上可在此基礎(chǔ)上增設(shè)N個YAG激光器及相應(yīng)的N組外光路系統(tǒng)，N > I。從而實現(xiàn)輸出兩束或兩束以上脈沖激光束，結(jié)構(gòu)布上更為節(jié)省空間，以縮小YAG激光器的體積。實施例2 :參見圖4，與實施例1不同的是兩個YAG激光器中第一個包括依次設(shè)置的全反鏡111、連續(xù)泵浦單元112、高速電機113驅(qū)動的機械調(diào)制盤114和輸出鏡115 ;第二個包括全反鏡122、連續(xù)泵浦單元122、高速電機123驅(qū)動的機械調(diào)制盤124和輸出鏡125，每個機械調(diào)制盤114 (或124)上開設(shè)的通光孔116 (或126)為四個呈圓周均勻分布的錐形切口，其錐度為1:4，這四個通光錐形切孔可通過機械調(diào)制盤114 (124)的轉(zhuǎn)動而交替供各自對應(yīng)的YAG激光器中的激光光軸通過。總結(jié)本實施例中固體激光器組設(shè)置的兩個YAG激光器各自配有機械調(diào)制盤114 (或124)，在設(shè)計要求低、布置上更為簡單靈活，在此基礎(chǔ)上可以增設(shè)N個YAG激光器及相應(yīng)的N組外光路系統(tǒng)(NS I)。從而實現(xiàn)輸出兩束或兩束以上脈沖激光束。圖6所示是本實用新型中脈沖串組YAG調(diào)Q激光器脈沖串組輸出編組圖，以固體激光器組I設(shè)置一個YAG激光器為例毛化機床7通過控制高速電機103的轉(zhuǎn)速來控制激光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)制壓縮在時間At內(nèi)的輸出(At〈〈T)，輸出時間At內(nèi)激光以一連串小脈沖形成輸出。圖中所給的是每個脈沖串組包含3個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通過高速電機103控制機械調(diào)制盤104的旋轉(zhuǎn)速度而具體控制。YAG激光器的輸出功率、Q調(diào)制頻率、Q調(diào)制深度及脈沖串組輸出均由毛化機床根據(jù)實際需要而實時控制。工作過程如圖1所示，在具體毛化加工時，同現(xiàn)有技術(shù)一樣，待加工的軋輥6由毛化機床7上的軋輥轉(zhuǎn)軸701和頂尖702裝夾，并由軋輥轉(zhuǎn)軸701帶動旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由毛化機床7控制。毛化機床7上的拖板703可作二維平移運動，其移動速度由毛化機床7控制；同時，毛化機床可以控制固體激光器組I內(nèi)兩個YAG激光器各自的Q調(diào)制頻率、Q調(diào)制深度及脈沖串組形式。所述毛化機床7采用現(xiàn)有的設(shè)備，例如XL9型數(shù)控車床。固體激光器組I發(fā)出的兩束脈沖激光束各自經(jīng)擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)201、202擴束準(zhǔn)直后，再經(jīng)過導(dǎo)光機構(gòu)301、302，然后通過激光毛化聚焦頭5聚焦于軋輥表面形成2個非常小的聚焦光點，進而對軋輥6的表面實施毛化加工。在毛化機床7對軋輥6轉(zhuǎn)速、機械調(diào)制盤104轉(zhuǎn)速及拖板703位置及平移速度的集中控制下，所述聚焦光點在軋輥6表面加工形成2條螺旋掃描線形式的毛化點陣分布，具體結(jié)合圖7所示，激光器在軋輥表面的螺旋掃描線點陣的縱向點間距分別為b、b’，主要是根據(jù)軋輥6表面粗糙度要求而分別控制軋輥主軸轉(zhuǎn)速及激光器的調(diào)Q頻率可得，其中b’為同一聚焦光點加工的毛化點縱向間距，b為不同聚焦光點加工的毛化點縱向間距，一般情況下 有b、b’=50 - 500 μ m;激光器發(fā)出的兩束脈沖激光束經(jīng)激光毛化聚焦頭5聚焦在軋輥表面產(chǎn)生的兩條螺旋線(不同聚焦光點產(chǎn)生)橫向間距為Λ X，而螺旋掃描線(同一聚焦光點產(chǎn)生)螺距為Λ X’，實際系統(tǒng)中Λ X和Λ V都可根據(jù)實際軋輥表面粗糙度的要求而控制，通常情況下Λ X =50 - 500 μ m，ΛΧ’ =100 -1OOOym上述實施例只為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據(jù)本實用新型主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種固體激光毛化加工裝置，包括激光系統(tǒng)和毛化機床，其特征在于，所述激光系統(tǒng)包括固體激光器組及對應(yīng)的外光路系統(tǒng)，所述固體激光器組由K個固體激光器組成，K >2，所述外光路系統(tǒng)為依次設(shè)置的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、導(dǎo)光機構(gòu)、以及激光毛化聚焦頭。
2.如權(quán)利要求1所述的固體激光毛化加工裝置，其特征在于，所述固體激光器包括全反鏡、輸出鏡及位于二者構(gòu)成的諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元，所述連續(xù)泵浦單元與輸出鏡之間還設(shè)有電機驅(qū)動的機械調(diào)制盤，所述機械調(diào)制盤上開有至少一個通光孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的固體激光毛化加工裝置，其特征在于，所述固體激光器組中的任何兩個固體激光器，既可共用同一個機械調(diào)制盤進行Q調(diào)制，也可分別采用兩個獨立機械調(diào)制盤進行Q調(diào)制。
4.如權(quán)利要求1所述的固體激光毛化加工裝置，其特征在于，激光毛化聚焦頭至少有一個。
專利摘要本實用新型涉及一種新型固體激光毛化加工裝置，解決了現(xiàn)有固體激光器單脈沖能量較低，平均功率也低，從而導(dǎo)致毛化粗糙度有限，生產(chǎn)效率低，在軋輥表面形成的凹坑結(jié)構(gòu)淺的問題。所述固體激光毛化加工裝置包括激光系統(tǒng)和毛化機床，所述激光系統(tǒng)包括上述固體激光器組及其外光路系統(tǒng)。所述外光路系統(tǒng)為依次設(shè)置的擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、導(dǎo)光機構(gòu)、以及激光毛化聚焦頭；所述固體激光器包括全反鏡、輸出鏡及位于二者構(gòu)成的諧振腔內(nèi)的連續(xù)泵浦單元，所述連續(xù)泵浦單元與輸出鏡之間還設(shè)有電機驅(qū)動的機械調(diào)制盤，所述機械調(diào)制盤上開有至少一個通光孔。本實用新型具有不僅可產(chǎn)生更深的毛化點和表面粗糙度，而且可以獲得更高的毛化頻率和毛化加工效率。
文檔編號B23K26/00GK202877726SQ20122046735
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者陳培鋒, 王輝, 梁喬春 申請人:武漢市凱瑞迪激光技術(shù)有限公司