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      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

      文檔序號:3176567閱讀:198來源:國知局
      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行毛化;加工過程中,軋輥旋轉(zhuǎn)的同時,激光頭 與光學(xué)發(fā)射調(diào)制系統(tǒng)沿軋輥長度方向移動,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;且機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備體積龐大、相對造價較高。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。例如中國專利“一種用于激光調(diào)制的轉(zhuǎn)盤”(專 利號ZL94218749. 0)與中國專利“分光式激光毛化調(diào)制裝置”(專利號ZL200710041118. 9)。為了克服上述激光毛化技術(shù)的不足,申請?zhí)?00610018261. 1的發(fā)明專利申請?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;通過多棱鏡分光機構(gòu)對該連續(xù)激光束進行調(diào)制,使其分成 K(^2)路脈沖激光束;利用K個獨立的聚焦頭分別對K路脈沖激光束進行聚焦后輸出,對 輥類表面同時進行多頭(K個聚焦頭)毛化加工,在輥類表面形成K條螺旋掃描線點陣毛化 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實現(xiàn)多頭毛化加 工,加工效率高;激光能量利用效率高,且對激光功率沒有限制;但該裝置若要進一步提高 加工效率,則必須進一步增加聚焦頭的數(shù)量,這會使裝置整機結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。與國內(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)具有毛化點分布 二維可控、裝備集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,特別是裝備性價比高,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。YAG該激光毛化裝置的優(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激光毛化的另一個缺點是聲光調(diào)Q脈沖脈寬很窄(一般標準聲光調(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。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。本發(fā)明還提供了實現(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 制成的機械調(diào)制盤,調(diào)制盤上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位,控制機械調(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激勵介質(zhì)和由高速電機帶動旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤,所述機械調(diào)制盤 由遮光材料制成并置于腔鏡之間,同時其上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位,控 制機械調(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)控機床,數(shù)控機床的床身上裝 有通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動的工作平臺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)光機構(gòu)、擴 束準直系統(tǒng)和激光毛化聚焦頭;所述YAG激光器的機械調(diào)制盤固定于高速電機,數(shù)控機床 通過電機控制機械調(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)光機構(gòu)、擴束準直系統(tǒng),再經(jīng)激光毛 化聚焦頭聚焦于軋輥表面進行毛化加工。本發(fā)明還有如下附加技術(shù)特征所述脈沖頻率為IOOHz IOOkHz
      所述機械調(diào)制盤上的通光部位具體可以是開設(shè)于機械調(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)控機床控制;二、機械調(diào)制盤中的 通光孔盡可能地多,通常開有5-100個。本發(fā)明中所述脈沖串組調(diào)制YAG激光器主要采用一個高速旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤以 實現(xiàn)YAG激光器的Q調(diào)制,其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Nd: YAG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Nd:YAG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。本發(fā)明中激光器的Q調(diào)制方式采用機械Q調(diào)制,也即通過高速電機驅(qū)動機械調(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)控機床⑶控制高速電機(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)制壓縮在時間At 內(nèi)輸出(At<<T),輸出時間At內(nèi)激光以一連串小脈沖形成輸出。At主要取決于機械 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)實際需要控制通光孔的線速度或選取不同關(guān)斷點的光斑直徑來取 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,峰值功率為千瓦量級。當(dāng)所述機械調(diào)制盤上的通光部位大于一個時,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)然所述通光部位大于一個時,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,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,激光器的熱透鏡效應(yīng)會表現(xiàn)得尤為突出,在一 定程度下會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,應(yīng)該盡可能地 縮小激光器的腔長。為了提高激光器的平均功率,則要求機械盤從關(guān)斷過渡到開啟的時間 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,而且高速電機的轉(zhuǎn)速不能 太低。本發(fā)明中所述機械調(diào)制盤的材料為具有足夠高機械強度的遮光材料,例如各種金 屬,考慮到盡可能減小機械調(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)光機構(gòu)、擴束準直系統(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,同 現(xiàn)有技術(shù)一樣,待加工的軋輥工件由數(shù)控機床上的軋輥轉(zhuǎn)軸和頂尖裝夾,并由軋輥轉(zhuǎn)軸帶 動旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速由數(shù)控機床控制。數(shù)控機床上的工作平臺可作三維運動,其平移速度由數(shù)控 機床控制。所述數(shù)控機床采用現(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施毛化加工。在數(shù)控機床對軋輥工件轉(zhuǎn)速、 機械調(diào)制盤轉(zhuǎn)速及工作平臺平移速度的集中控制下,所述聚焦光點在軋輥工件表面加工形 成螺旋掃描線點陣毛化坑分布。本發(fā)明毛化加工裝置還可進一步擴展,將一臺激光器擴展 為多臺激光器同時配合工作,加工得到需要的毛化坑分布。本發(fā)明的優(yōu)點是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。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。4.本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單,體積小,可以非常方便地放置于數(shù)控機床的三維移動工 作平臺,因此激光器系統(tǒng)得到很大程度簡化。5.總之,本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡單,成本低,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。


      下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述圖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。
      具體實施例方式實施例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 種具體實施方式
      ,它包括激光器系統(tǒng)和數(shù)控機床3,所述數(shù)控機床3的床身上裝有通過平移 導(dǎo)軌驅(qū)動的工作平臺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)光機構(gòu)4、擴 束準直系統(tǒng)5及激光毛化聚焦頭6,其安裝于工作平臺的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。結(jié)合圖3所 示,本實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激勵介質(zhì),以及置于所述 諧振腔內(nèi)的機械調(diào)制盤104和高速電機105。本實施例中所述連續(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105的輸出軸相連,從而能夠在高速電機105的帶動下高速旋轉(zhuǎn)。而在機械調(diào)制盤104 上開設(shè)兩個呈圓周分布的通光錐形圓孔,其錐度為1 2,這兩個通光圓錐孔可藉由機械調(diào) 制盤104的轉(zhuǎn)動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)擴束準直系統(tǒng)5進行準直,最終由激光毛化聚焦頭6聚焦于加工軋 輥表面進行毛化加工。所述機械調(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,機械調(diào)制盤上的8個圓孔在調(diào)制盤上均勻分布,而且,每個圓錐的錐度 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)控機床C3)控制高速電機 (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)制壓縮在時間At內(nèi)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隨時間曲線高速電機(10 控制機械調(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, 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,At大約為25us。
      7通常Q調(diào)制周期T的范圍為50-1000uS。本實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,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101提供能量,那么將在 Nd: YAG激勵介質(zhì)中逐漸積累能量;隨著機械調(diào)制盤104的旋轉(zhuǎn),當(dāng)通光切口旋轉(zhuǎn)到激光光 軸上時,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 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)、擴束準直系統(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,本實施例在具體毛化加工時,同現(xiàn)有技術(shù)一樣,待加工的軋輥工件2 由數(shù)控機床3上的軋輥轉(zhuǎn)軸301和頂尖302裝夾,并由軋輥轉(zhuǎn)軸301帶動旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速由數(shù) 控機床3控制。數(shù)控機床3上的工作平臺303可作兩維運動,其平移速度由數(shù)控機床3控 制;同時機械調(diào)制盤104的轉(zhuǎn)速也由數(shù)控機床控制從而控制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)光機構(gòu)4、擴束準直系統(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個非常小的聚焦光點,最后對軋輥工件2的表面實施毛化加工。在數(shù)控機床3對 軋輥工件2轉(zhuǎn)速、機械調(diào)制盤104轉(zhuǎn)速及工作平臺303位置及平移速度的集中控制下,所述 聚焦光點在軋輥工件2表面加工形成1條螺旋掃描線點陣毛化坑分布,具體結(jié)合圖6所示, 該螺旋掃描線點陣的縱向點間距根據(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)還可進一步擴展,也即將一臺激光器擴展多 臺,并相應(yīng)地為每個激光器配置導(dǎo)光機構(gòu)、擴束準直系統(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。多臺高功率 脈沖串組激光器同時工作時,不但可以根據(jù)實際要求控制每臺激光器的輸出功率、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形狀。多臺脈沖串組調(diào)制激光器以相同的激光輸出并聯(lián)工作時,其 對軋輥表面加工的效率是單臺同等激光輸出的激光器加工時的多倍,因此多臺激光器并聯(lián) 工作可以使加工效率得到成倍提高。實施例2 以兩臺激光器并聯(lián)工作為例對其說明,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)光機構(gòu)411、412,擴束準直系統(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個非常小的聚焦光點,最后 對軋輥工件2的表面實施毛化加工。在數(shù)控機床3對軋輥工件2轉(zhuǎn)速、機械調(diào)制盤1114、 1124轉(zhuǎn)速及工作平臺303位置及平移速度的集中控制下,所述聚焦光點在軋輥工件2表面 加工形成2條螺旋掃描線點陣毛化坑分布,具體結(jié)合圖6所示,激光器111、112在軋輥表面 的螺旋掃描線點陣的縱向點間距分別為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,實際系統(tǒng)中a和ΔΧ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)然上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點,其目的在于讓熟悉此項技術(shù) 的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施,并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā) 明主要技術(shù)方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(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 成的機械調(diào)制盤,調(diào)制盤上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位,控制機械調(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,所述機械調(diào)制盤上開有多于 一個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激勵介質(zhì)和由高速電機帶動旋轉(zhuǎn)的機械調(diào)制盤,所述機械調(diào)制盤由 遮光材料制成并置于腔鏡之間,同時其上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位,控制 機械調(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,所述機械調(diào)制盤上開有多于1 個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)控機床,數(shù)控機床的床身上裝有 通過平移導(dǎo)軌驅(qū)動的工作平臺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 機構(gòu)、擴束準直系統(tǒng)和激光毛化聚焦頭;所述YAG激光器的機械調(diào)制盤固定于高速電機,數(shù) 控機床通過電機控制機械調(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)光機構(gòu)、擴束準直系統(tǒng),再經(jīng) 激光毛化聚焦頭聚焦于軋輥表面進行毛化加工。
      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,所述激光器為一臺或一臺以上。
      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械調(diào)制盤,調(diào)制盤上設(shè)有至少一個供激光光軸穿過的通光部位,控制機械調(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)制壓縮在時間Δt內(nèi)以連串脈沖形式輸出。本發(fā)明還提供了實現(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,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。
      文檔編號B23K26/36GK102091868SQ201010592419
      公開日2011年6月15日 申請日期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, 梁喬春, 王英, 陳培鋒 申請人:華中科技大學(xué)
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