專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖激光毛化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光毛化系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及一種光纖激光毛化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光毛化技術(shù)是一項(xiàng)集激光技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密機(jī)械、材料科學(xué)于一體的高新技術(shù)。激光毛化是世界上新近發(fā)展起來(lái)的冷軋鋼輥毛化新技術(shù)。激光毛化軋輥具有比噴丸毛化螺絲更長(zhǎng)的使用壽命，在軋板過(guò)程中能提高軋制速度，減少板面擦傷，改善板型，在板卷退火中防止粘連，能顯著提高工廠的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。1984年，比利時(shí)冶金研究中心發(fā)明了冷軋輥激光毛化技術(shù)。他們使用(X)2激光器對(duì)軋輥進(jìn)行毛化處理，并做了一些相關(guān)的應(yīng)用研究。激光毛化技術(shù)的發(fā)明引起了相關(guān)企業(yè)及科研人員的極大關(guān)注。之后日本、法國(guó)、德國(guó)開(kāi)始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)用于鋼鐵工業(yè)。1990年，日本、韓國(guó)的一些研究者開(kāi)始探索使用Nd:YAG激光器進(jìn)行軋輥毛化。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的一些研究單位及企業(yè)也開(kāi)始了激光毛化技術(shù)的研究。1990年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所與北京吉普汽車(chē)有限公司、首都鋼鐵總公司鋼研所、中國(guó)大恒公司合作開(kāi)展了 YAG激光毛化冷軋輥技術(shù)的攻關(guān)研究，并于1992年研制成功我國(guó)第一臺(tái)可用于帶鋼規(guī)模化生產(chǎn)的YAG激光毛化冷軋輥設(shè)備。1995年，華中理工大學(xué)與武漢鋼鐵(集團(tuán))公司、武漢重型機(jī)床廠合作研制成功(X)2激光毛化設(shè)備。另外，清華大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也進(jìn)行了一些這方面的研究工作?，F(xiàn)有成熟的激光毛化技術(shù)主要有二類(lèi)一類(lèi)是采用(X)2激光器的毛化裝置；另一類(lèi)是采用YAG激光器的毛化設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的YAG激光毛化設(shè)備主要是采用閃光燈泵浦的Nd: YAG固體激光器。而燈泵固體激光器有一些不可避免的缺點(diǎn)泵浦光的轉(zhuǎn)換效率低、晶體熱效應(yīng)嚴(yán)重、閃光燈需經(jīng)常更換、體積龐大。激光毛化設(shè)備穩(wěn)定性差，不能適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)的要求。CO2激光毛化設(shè)備體積龐大，自動(dòng)定位系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格也十分昂貴；軋輥?zhàn)髌揭七\(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)大幅度增加機(jī)床的長(zhǎng)度、重量，而且軋輥及其支撐件在重載、低速下，運(yùn)行極易出現(xiàn)“爬行”，從而影響毛化質(zhì)量；CO2激光毛化設(shè)備氣體消耗量很大，極易出現(xiàn)因氣壓不足迫使毛化中斷，造成廢品率升高；激光毛化設(shè)備的斬光盤(pán)需經(jīng)常更換；CO2激光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)(為10. 6 μ m)，金屬材料對(duì)這種波長(zhǎng)的激光的吸收率較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的激光毛化技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種光纖激光毛化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光纖激光器，光纖激光器與輸出光纖直接耦合或者通過(guò)分光間耦合到輸出光纖，輸出光纖與機(jī)器人相連，從而將激光輸出到設(shè)置在機(jī)器人中的射出頭；機(jī)器人，其上設(shè)置有射出頭和側(cè)吹系統(tǒng)，射出頭用于將所述光纖激光器輸出的激光投射到待加工的工件表面上，側(cè)吹系統(tǒng)設(shè)置在射出頭的一側(cè)；冷卻系統(tǒng)，用于對(duì)光纖激光器進(jìn)行冷卻；控制系統(tǒng)，用于控制所述機(jī)器人和光纖激光器；機(jī)床，機(jī)床上設(shè)置有待加工的工件。
其中，所述射出頭輸出的激光在焦點(diǎn)處的光斑直徑大約為0. 1mm。其中，光纖激光器輸出的是經(jīng)過(guò)調(diào)制的脈沖激光束。其中，在控制系統(tǒng)中設(shè)置有PLC控制器。其中，采用PLC控制器對(duì)連續(xù)光纖激光器或脈沖光纖激光器的輸出進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制所得到的激光脈沖的重復(fù)頻率和/或波形。其中，機(jī)器人能夠控制射出頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者左右擺動(dòng)。其中，所述光纖激光毛化系統(tǒng)利用下面的A、B、C三種方式之一或者A、B、C三種方式的任意組合來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布，A、使用隨機(jī)激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)距的無(wú)序分布；B、使射出頭繞自身的中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使毛化凸臺(tái)在毛化坑邊緣隨機(jī)分布；C、以沿設(shè)定方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn)，使射出頭繞該中心線(xiàn)做左右偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，所述光纖激光器為多模光纖激光器。其中，所述機(jī)床的精度要求為普通車(chē)床級(jí)別。其中，所述側(cè)吹系統(tǒng)能夠進(jìn)行三維調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)吹針頭到激光工作光斑的角度調(diào)節(jié)和距離調(diào)節(jié)。其中，機(jī)床所驅(qū)動(dòng)的工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合，使得激光在工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡，從而形成覆蓋工件表面的包絡(luò)線(xiàn)。其中，射出頭中設(shè)置有透鏡，用于將激光聚焦在待加工的工件表面上。其中，所述光纖激光器的激光輸出波長(zhǎng)范圍為910nm-2100nm，所述光纖激光器的輸出功率范圍為100W-2000W。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光纖激光毛化系統(tǒng)還可包括其他工作臺(tái)，這些工作臺(tái)設(shè)置在機(jī)器人導(dǎo)軌旁邊，可以在這些工作臺(tái)上進(jìn)行焊接、切割、鉆孔等多種工藝。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種實(shí)現(xiàn)光纖激光毛化點(diǎn)的無(wú)序分布的方法， 所述方法利用下面的A、B、C三種方式之一或者A、B、C三種方式的任意組合來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布，A、使用隨機(jī)激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)距的無(wú)序分布；B、使射出頭繞自身的中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使毛化凸臺(tái)在毛化坑邊緣隨機(jī)分布；C、以沿設(shè)定方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn)，使射出頭繞該中心線(xiàn)做左右偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置，與傳統(tǒng)激光毛化相比具有下述技術(shù)優(yōu)勢(shì)(a)柔性化特點(diǎn)。用光纖激光技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人配合可在二維和三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種毛化工藝，如無(wú)序毛化。(b)使用該裝置進(jìn)行毛化作業(yè)時(shí)，不需要預(yù)涂層處理。(C)機(jī)床的精度要求為普通車(chē)床級(jí)別。(d)多功能的特性。(e)高質(zhì)高效低成本的特性。該裝置的能量密度，加工質(zhì)量和效率均很高，還由于其高光電轉(zhuǎn)換率和其免維護(hù)性使運(yùn)行成本極低，對(duì)水、電、氣的消耗都很低。


通過(guò)下面結(jié)合示例性地示出一例的附圖進(jìn)行的描述，本發(fā)明的上述和其他目的和特點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置。圖2A到圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的側(cè)吹系統(tǒng)。圖3示出了經(jīng)調(diào)制后的輸出脈沖信號(hào)的一個(gè)示例。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置所產(chǎn)生的有序毛化效果。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置所產(chǎn)生的無(wú)序毛化效果。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化系統(tǒng)包括光纖激光器3，光纖激光器3與輸出光纖直接耦合或者通過(guò)分光間4耦合到輸出光纖，輸出光纖與機(jī)器人5相連，從而將激光輸出到設(shè)置在機(jī)器人5中的射出頭12 ；機(jī)器人5，其上設(shè)置有射出頭12和側(cè)吹系統(tǒng)13，射出頭12用于將所述光纖激光器3輸出的激光投射到待加工的工件表面上，側(cè)吹系統(tǒng)13設(shè)置在射出頭的一側(cè)；冷卻系統(tǒng)2，用于對(duì)光纖激光器3進(jìn)行冷卻；控制系統(tǒng)1，用于控制所述機(jī)器人5和光纖激光器3 ；機(jī)床6，機(jī)床6上設(shè)置有待加工的工件7。其中，控制系統(tǒng)1可以為機(jī)器人控制柜1。如圖1所示，待加工的工件7具體可以為軋輥，其作為被毛化的對(duì)象而設(shè)置在機(jī)床6上。射出頭12中設(shè)置有聚焦透鏡，其將激光聚焦在待加工的工件7的表面上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化系統(tǒng)的激光光源使用光纖激光器3，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人系統(tǒng)5，激光通過(guò)光纖從光纖激光器3輸出到安裝在機(jī)器人系統(tǒng)5的頭部的射出頭12直接實(shí)施無(wú)序毛化作業(yè)。機(jī)器人5可以接受指令控制射出頭12做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者左右擺動(dòng)。該光纖激光毛化系統(tǒng)還可包括機(jī)器人行走導(dǎo)軌11，機(jī)器人5在導(dǎo)軌11上做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。其中，分光閘4可將光纖激光器3的輸出激光分成多路，從而輸送給多個(gè)機(jī)器人(在圖1中僅僅示出了一個(gè)機(jī)器人幻，從而可使多個(gè)機(jī)器人同時(shí)對(duì)多個(gè)工件進(jìn)行加工處理。機(jī)床6可以使用專(zhuān)業(yè)的毛化機(jī)床，但是為了節(jié)省成本，本發(fā)明優(yōu)選使用普通的機(jī)床，例如普通的車(chē)床，而傳統(tǒng)的使用(X)2激光器或者YAG激光器的毛化設(shè)備卻不能使用普通的車(chē)床，這將在后面闡述。本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)2優(yōu)選使用冷卻水箱系統(tǒng)利用循環(huán)水對(duì)光纖激光器3進(jìn)行冷卻，這樣是為了使光纖激光器3更好地散熱，但實(shí)際上冷卻系統(tǒng)還可以采用風(fēng)冷等方式。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光纖激光毛化系統(tǒng)還可包括工作臺(tái)8、9、10。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的光纖激光毛化系統(tǒng)除了毛化，還可以在工作臺(tái)8、工作臺(tái)9、工作臺(tái)10進(jìn)行焊接、切割、鉆孔等多種工藝。這些工作臺(tái)設(shè)置在機(jī)器人導(dǎo)軌旁邊，從而可以對(duì)工件輕松實(shí)現(xiàn)多種處理。本發(fā)明的基本原理是光纖激光器3(可以為連續(xù)的也可以為脈沖的)產(chǎn)生的激光根據(jù)實(shí)際需要受到安裝在機(jī)器人控制柜1中的PLC(可編程邏輯控制器)的調(diào)制，形成高能量密度脈沖激光束(當(dāng)然本發(fā)明只是優(yōu)選使用PLC來(lái)進(jìn)行調(diào)制，但其他調(diào)制方式也可達(dá)到基本的要求)，并且對(duì)光纖激光器的輸出進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制所得到的激光脈沖的重復(fù)頻率和/或波形。調(diào)制后的激光通過(guò)光纖傳輸?shù)綑C(jī)器人系統(tǒng)5，經(jīng)過(guò)射出頭12的聚焦后照射到材料表面，材料吸收激光能量后溫度升高，使材料在表面一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)熔化，形成熔池。側(cè)吹系統(tǒng)13將輔助氣體(輔助氣體的成分可以為氮?dú)狻⒍趸嫉?通過(guò)側(cè)吹針頭16吹向熔池，熔池金屬被吹到熔池外面，形成一個(gè)邊緣微凸的毛化坑。當(dāng)光束停止照射時(shí)，由于快速的熱傳導(dǎo)，毛化坑會(huì)很快凝固，這樣就會(huì)形成硬度升高的凸臺(tái)。機(jī)床6所驅(qū)動(dòng)的軋輥7的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人5沿著軋輥的縱長(zhǎng)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)這兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，使得激光在待毛化的工件表面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡，從而形成覆蓋工件表面的包絡(luò)線(xiàn)。如圖1以及圖2A到圖2C所示，側(cè)吹系統(tǒng)13可以在三維空間上調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)側(cè)吹針頭16到激光工作光斑的角度調(diào)節(jié)和距離調(diào)節(jié)。輔助氣體由進(jìn)氣管15輸送，通過(guò)側(cè)吹針頭16吹向待處理工件上的熔池。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，采用了光纖激光作為工作光源，光纖激光具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)(1)由于光纖激光波長(zhǎng)比CO2激光波長(zhǎng)(10.6μπι)的量級(jí)短一個(gè)數(shù)量級(jí)，金屬材料對(duì)光纖激光的波段有著更高的吸收率，這樣可以有效降低毛化設(shè)備對(duì)激光器輸出功率的要求，對(duì)于有些待加工材料不需要像CO2激光毛化那樣為了提高吸收率而進(jìn)行
預(yù)涂層處理。(0、由于理想透鏡對(duì)于激光的聚焦光斑,其中，F(xiàn)是理想透鏡的 { 2 )ττΟ
焦距，D是輸入光束在該透鏡處的直徑，M2是激光模式參數(shù)，λ是激光的波長(zhǎng)，而由于光纖
激光波長(zhǎng)比(X)2激光的波長(zhǎng)短，所以根據(jù)該公式，其聚焦光斑也比(X)2激光小，一般均勻多模
光纖激光器經(jīng)過(guò)聚焦后就可達(dá)到毛化加工的要求。不需要像(X)2激光器那樣使用高質(zhì)量的
基模激光器。( 光纖激光毛化工藝簡(jiǎn)單，整機(jī)成本比CO2激光毛化設(shè)備低很多。(4)光纖
激光光束質(zhì)量品質(zhì)高、可靠性強(qiáng)。( 光纖激光毛化更加環(huán)保。(6)電光轉(zhuǎn)換效率高，比傳
統(tǒng)激光毛化設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換效率提高15倍以上。(7)維護(hù)成本低。(8)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、
可移動(dòng)、更耐久。(9)光纖結(jié)構(gòu)具有較大的單位體積表面積，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用光
纖激光器的毛化設(shè)備的冷卻要求較低，只需要簡(jiǎn)單的循環(huán)水冷即可，當(dāng)然，使用風(fēng)冷系統(tǒng)也
可達(dá)到基本的要求。與使用CO2激光器或YAG激光器的毛化系統(tǒng)相比，采用光纖激光器的激光毛化系統(tǒng)還具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，其輸出的激光很容易耦合到輸出光纖，從而輸出到機(jī)器人系統(tǒng)的射出頭，不需要昂貴且難以校準(zhǔn)的微透鏡耦合系統(tǒng)。由于光纖激光器輸出的激光具有發(fā)散角度非常小等特性，所以可以選擇精度要求僅為普通車(chē)床精度級(jí)別的機(jī)床，而現(xiàn)有技術(shù)中的使用ω2激光器或YAG激光器等的毛化系統(tǒng)必須使用磨床精度級(jí)別的機(jī)床，因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置節(jié)約了昂貴的設(shè)備費(fèi)用。由于光纖激光波長(zhǎng)比(X)2激光的波長(zhǎng)短，其聚焦光斑也比(X)2激光小，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)器人的射出頭12輸出的激光在焦點(diǎn)附近的光斑直徑為0. Imm,因此可比現(xiàn)有技術(shù)中的毛化方法形成更加密集的毛化點(diǎn)。如可以在Imm距離上輸出8個(gè)不連續(xù)毛化點(diǎn)。光纖激光器3的輸出是經(jīng)過(guò)安裝在機(jī)器人控制柜1中的PLC特殊調(diào)制的高能量密度脈沖激光束。采用PLC對(duì)連續(xù)光纖激光器進(jìn)行高重復(fù)頻率調(diào)制(可以通過(guò)調(diào)制光纖激光器的泵浦源或激光器中的元件等方式來(lái)實(shí)現(xiàn))，也對(duì)激光脈沖的波形進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)任意脈沖輸出。使用該裝置進(jìn)行毛化作業(yè)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布，無(wú)序化的實(shí)現(xiàn)途徑有如下三種，(一)使用隨機(jī)激光脈沖，可以實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)距的無(wú)序分布，如圖5，(二)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)射出頭，使射出頭繞自身的中心軸(也即激光束的中心線(xiàn))旋轉(zhuǎn)(當(dāng)然射出頭可同時(shí)還保持著沿軋輥7縱長(zhǎng)方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))，由于射出頭12旋轉(zhuǎn)，則固定在射出頭旁邊的側(cè)吹系統(tǒng) 13也隨之旋轉(zhuǎn)，其吹出的氣流方向就不停變化，熔池金屬被吹出的方向也就在變化，從而可以使毛化凸臺(tái)在毛化坑邊緣隨機(jī)分布。(三)以某一沿設(shè)定方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn)(例如，以沿豎直方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn))，機(jī)器人5帶動(dòng)射出頭12繞該中心線(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)，從而射出的激光也發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，同時(shí)側(cè)吹系統(tǒng)也發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的正弦分布。這三種方式可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合，從而實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布。例如，第二種方式和第三種方式可以復(fù)合，其運(yùn)動(dòng)方式類(lèi)似于左右擺動(dòng)的落地式電風(fēng)扇，風(fēng)扇的葉片在繞軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還隨整個(gè)風(fēng)扇頭左右擺動(dòng)，不過(guò)該風(fēng)扇缺少本發(fā)明的機(jī)器人5的射出頭的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。主控系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便用戶(hù)選擇毛化分布形式和設(shè)定毛化工藝參數(shù)。可設(shè)置參數(shù)包括激光功率、主軸轉(zhuǎn)速、激光頻率、占空比、頻率偏差值、占空比偏差值、變頻周期、激光頭平移速度。主軸轉(zhuǎn)速是指軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；占空比是在一串理想的脈沖周期序列中持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的比值；激光頭平移速度是指機(jī)器人的移動(dòng)速度，調(diào)節(jié)該參數(shù)即可調(diào)節(jié)兩列毛化點(diǎn)之間的間隔。脈沖調(diào)制控制系統(tǒng)可通過(guò)PLC脈沖輸出端口來(lái)輸出脈沖頻率和占空比可調(diào)整的脈沖，同時(shí)在脈沖輸出時(shí)對(duì)其頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的脈沖頻率輸出，圖3示出了經(jīng)調(diào)制后的輸出脈沖信號(hào)的一個(gè)示例。<第一實(shí)施例>使用根據(jù)本發(fā)明的光纖激光毛化系統(tǒng)，對(duì)材料為Crl2的工件進(jìn)行毛化，毛化參數(shù)如表1的第一實(shí)施例一列所示。實(shí)現(xiàn)的有序毛化效果如圖4所示。使用根據(jù)本發(fā)明的光纖激光毛化系統(tǒng)進(jìn)行有序毛化，具有如下技術(shù)效果(1)改善深沖性能的技術(shù)特點(diǎn)。激光毛化鋼板表面的小凹坑互不連通，有利于用沖壓成形時(shí)儲(chǔ)油和捕捉金屬碎屑，防止沖壓劃傷，保證沖壓零件表面光整，同時(shí)減少?zèng)_壓用油量。與電火花等加工技術(shù)相比，深沖性能更為優(yōu)良。( 提高涂鍍性能和鮮映度的特點(diǎn)。激光毛化的軋輥表面保留有較大的平坦光亮部份(最大可達(dá)60% )，使軋制出的鋼板的板面平坦度高，提高了帶鋼表面的光潔度和涂漆后的鮮映度。為用戶(hù)增加了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。( 板型可開(kāi)發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)。激光毛化鋼板表面粗糙度均勻、排列規(guī)則、形貌可以預(yù)控、重復(fù)性好、粗糙度調(diào)節(jié)范圍大。可以根據(jù)用戶(hù)需要做特殊設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新品種，如印花板面等。與電火花等技術(shù)相比，表面沒(méi)有很多無(wú)序的針狀尖峰，粗糙度更為均勻。(4)強(qiáng)化軋輥的表面強(qiáng)度，提高軋輥使用壽命的技術(shù)特點(diǎn)。激光毛化的軋輥，其軋輥表面均勻分布了密集的高強(qiáng)度的硬化質(zhì)點(diǎn)，它可減少軋輥消耗，減少換輥量、提高軋機(jī)生產(chǎn)效率。比其他方式毛化的軋輥使用壽命提高100%。( 無(wú)變形的技術(shù)特點(diǎn)。保證軋輥磨削輥型不變，有利于軋機(jī)板形控制。(6)低成本的技術(shù)特點(diǎn)。激光毛化作業(yè)消耗少，運(yùn)行費(fèi)用低，作業(yè)介質(zhì)安全。(7)環(huán)保的技術(shù)特點(diǎn)。作業(yè)時(shí)無(wú)粉塵，廢油等工業(yè)廢料和噪聲的排出。有利于環(huán)境保護(hù)，節(jié)省三廢處理投資。(8)配置簡(jiǎn)潔特點(diǎn)。滿(mǎn)足相同規(guī)模的軋材生產(chǎn)能力所需配備的設(shè)備少，電力裝機(jī)容量小。(9)毛化工作面準(zhǔn)備粗糙度要求低，在0. 5 μ m 0. 6 μ m。表1毛化參數(shù)
組別第一實(shí)施例(圖4)第二實(shí)施例(圖5)激光功率(W)900625脈沖頻率(HZ)25002000-3000脈沖波形方波方波平移速度(mm/s)0. 2780. 278車(chē)L輥轉(zhuǎn)速(rpm)5050氣體方向滯后滯后氣體流量(L/min)3-43-4氣體角度(° )3030離焦量(Mn)OO占空比5. 50%5. 50%<第二實(shí)施例>使用根據(jù)本發(fā)明的光纖激光毛化系統(tǒng)對(duì)材料為9Cr3Mo、直徑^Omm、長(zhǎng)度為 1550mm的軋輥進(jìn)行毛化，毛化參數(shù)如表1的第二實(shí)施例一列所示。實(shí)現(xiàn)的無(wú)序毛化效果如圖5所示。經(jīng)過(guò)光纖激光毛化的軋輥，其表面形貌可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光毛化工藝參數(shù)(如激光功率、離焦量、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、輔助氣體成分、方向、流量等)來(lái)精確控制；激光毛化對(duì)冷軋輥的硬度沒(méi)有限制。光纖激光表面毛化處理中產(chǎn)生的凸臺(tái)形貌特征對(duì)金屬板材的深沖壓性能、涂鍍性能或機(jī)械零件接觸表面(如機(jī)械密封、內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)、推力軸承等)的摩擦性能有很大程度的影響。這些微小的毛化凹坑可以?xún)?chǔ)存潤(rùn)滑劑或金屬碎屑，以改善板材在深沖壓過(guò)程中的潤(rùn)滑性能、降低機(jī)械零件接觸表面的摩擦并減少機(jī)械零件的損耗；毛化表面增大了涂料和材料的接觸面積，可以提高材料對(duì)涂漆的吸附能力和涂漆光亮度；金屬板材的毛化表面使得板材與板材之間接觸時(shí)存在一定的微小空隙，防止板材在退火時(shí)發(fā)生粘連現(xiàn)象；激光毛化加工過(guò)程中，激光作用到材料表面后，溫度迅速上升，而激光束停止照射后，溫度又由于熱傳導(dǎo)擴(kuò)散而迅速下降，這實(shí)際上相當(dāng)于是一次快速激光淬火， 即相變硬化過(guò)程，可以提高被加工材料(如軋輥等)的表面硬度及耐磨性，從而提高其使用壽命ο雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體示出并描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光纖激光毛化裝置，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在這里做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種光纖激光毛化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光纖激光器，光纖激光器與輸出光纖直接耦合或者通過(guò)分光間耦合到輸出光纖，輸出光纖與機(jī)器人相連，從而將激光輸出到設(shè)置在機(jī)器人中的射出頭；機(jī)器人，其上設(shè)置有射出頭和側(cè)吹系統(tǒng)，射出頭用于將所述光纖激光器輸出的激光投射到待加工的工件表面上，側(cè)吹系統(tǒng)設(shè)置在射出頭的一側(cè)；冷卻系統(tǒng)，用于對(duì)光纖激光器進(jìn)行冷卻；控制系統(tǒng)，用于控制所述機(jī)器人和光纖激光器；機(jī)床，機(jī)床上設(shè)置有待加工的工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，所述射出頭輸出的激光在焦點(diǎn)處的光斑直徑大約為0. 1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，光纖激光器的輸出是經(jīng)過(guò)調(diào)制的脈沖激光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，在控制系統(tǒng)中設(shè)置有PLC控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，采用PLC控制器對(duì)連續(xù)光纖激光器或脈沖光纖激光器的輸出進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制所得到的激光脈沖的重復(fù)頻率和/或波形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，機(jī)器人能夠控制射出頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者左右擺動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，所述光纖激光毛化系統(tǒng)利用下面的A、B、C三種方式之一或者A、B、C三種方式的任意組合來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布，A、使用隨機(jī)激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)距的無(wú)序分布；B、使射出頭繞自身的中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使毛化凸臺(tái)在毛化坑邊緣隨機(jī)分布；C、以沿設(shè)定方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn)，使射出頭繞該中心線(xiàn)做左右偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，所述光纖激光器為多模光纖激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，所述機(jī)床的精度要求為普通車(chē)床精度級(jí)別。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，所述側(cè)吹系統(tǒng)能夠進(jìn)行三維調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)吹針頭到激光工作光斑的角度調(diào)節(jié)和距離調(diào)節(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光纖激光毛化系統(tǒng)，其中，機(jī)床所驅(qū)動(dòng)的工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合，使得激光在工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡，從而形成覆蓋工件表面的包絡(luò)線(xiàn)。
12.—種實(shí)現(xiàn)激光毛化點(diǎn)的無(wú)序分布的方法，所述方法利用下面的A、B、C三種方式之一或者A、B、C三種方式的任意組合來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)的無(wú)序分布，A、使用隨機(jī)激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)距的無(wú)序分布；B、使射出頭繞自身的中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使毛化凸臺(tái)在毛化坑邊緣隨機(jī)分布；C、以沿設(shè)定方向的直線(xiàn)為中心線(xiàn)，使射出頭繞該中心線(xiàn)做左右偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖激光毛化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光纖激光器，光纖激光器與輸出光纖直接耦合或者通過(guò)分光閘耦合到輸出光纖，輸出光纖與機(jī)器人相連，從而將激光輸出到設(shè)置在機(jī)器人中的射出頭；機(jī)器人，其上設(shè)置有射出頭和側(cè)吹系統(tǒng)，射出頭用于將所述光纖激光器輸出的激光投射到待加工的工件表面上，側(cè)吹系統(tǒng)設(shè)置在射出頭的一側(cè)；冷卻系統(tǒng)，用于對(duì)光纖激光器進(jìn)行冷卻；控制系統(tǒng)，用于控制所述機(jī)器人和光纖激光器；機(jī)床，機(jī)床上設(shè)置有待加工的工件。與傳統(tǒng)激光毛化相比具有下述技術(shù)優(yōu)勢(shì)(a)柔性化特點(diǎn)。(b)不需要預(yù)涂層處理。(c)機(jī)床的精度要求低。(d)高質(zhì)高效低成本的特性。該裝置的能量密度，加工質(zhì)量和效率均很高。
文檔編號(hào)B23K26/08GK102380706SQ20111020200
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者吳立章, 張巖, 張瑞華, 梁士臣, 梁浩, 王瀟, 蘇德林, 苗明明, 裴向東, 趙方, 黃容生 申請(qǐng)人:中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司, 宜昌三峽全通涂鍍板股份有限公司, 新冶高科技集團(tuán)有限公司