聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置的製作方法

2023-10-06 05:04:09 1

專利名稱：聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於輥類表面雷射毛化處理領域，特別涉及一種聚焦光點小範圍二維擺動 式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置。
背景技術：
具有特殊表面形貌的毛化冷軋薄鋼板在製造業中，特別是在汽車與家電產業中有 著廣泛的應用。毛化冷軋薄鋼板是由表面經毛化處理後的軋輥軋制而成的，因此毛化軋輥 的表面形貌特徵對冷軋薄鋼板的深衝、塗裝等工藝性能影響極大。為了確保冷軋鋼板具有優良的板型、深衝性、延伸率和塗鍍性能，在冷軋薄鋼板生 產工藝中，要求對冷軋工作輥的表面進行毛化處理，以軋制出滿足用戶特殊工藝要求的毛 化冷軋鋼板。雷射軋輥毛化技術是現在使用的幾種毛化技術(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。雷射毛化技術是將聚焦後的高能量、高重複頻率的脈衝雷射束照射到軋輥表面， 利用雷射束的高亮度在軋輥表面形成非常高的能量密度，對雷射聚焦處的軋輥表面實施加 熱、熔化並部分汽化，以致在軋輥表面形成微小毛化坑。其基本原理是對經過特殊調製的 高能量密度(104 106W/cm2)、高重複頻率(103 104次/秒)的脈衝雷射束進行聚焦，並 使其作用於作旋轉運動的軋輥表面形成微小熔池；同時吹以一定方向、壓力和流量的輔助 氣體，對熔池熔融金屬進行擠壓造型；短雷射脈衝作用後，微坑熔池金屬在軋輥自身熱傳導 作用下迅速冷卻，形成微坑和坑邊環形凸臺結構的相變硬化點。與此同時，聚焦脈衝雷射束 沿軋輥長度方向移動，以完成對整根軋輥表面的毛化加工。目前，雷射毛化軋輥技術主要分為兩大類一類是採用固體Nd:YAG雷射器的YAG 雷射毛化，另一類則是採用氣體C02雷射器的C02雷射毛化。其共同特點是採用聲光調Q 的Nd: YAG雷射器或經特殊調製的C02雷射器作為脈衝雷射加工源，由光源輸出的脈衝雷射 經雷射加工頭聚焦後，作用於以一定轉速旋轉的軋輥表面；加工過程中，雷射加工頭的橫向 移動配合軋輥的旋轉運動，從而在軋輥表面形成等螺距的螺旋掃描線點陣毛化坑分布。例 如中國專利「用於軋輥表面毛化的雷射加工設備」(專利號ZL94220848. X)與中國專利 「分光式雷射毛化調製裝置」(專利號ZL200710041118. 9)。上述雷射軋輥毛化工藝的基本特徵是毛化坑在軋輥表面沿一條等螺距的螺旋掃 描線分布。由於螺旋掃描線的螺距(一般為0. 1 0. 4mm)相對於軋輥直徑來說非常小，可 以認為螺旋掃描線每一圈上的毛化坑分布在沿軋輥圓周方向的一條螺旋直線上；因此整 個軋輥面上的毛化坑分布在沿軋輥圓周方向的多條等間距(即螺距)的平行螺旋線上。但 一般情況下，各圈之間的毛化坑的相對位置分布是不固定的；因而在軋輥長度方向上，毛化 坑呈非直線形分布，如圖1所示，基本上可以認為是無規律的。上述毛化坑分布形式存在兩個明顯的缺點
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1.雖然軋輥表面的雷射毛化坑很淺，但對於大面積的毛化冷軋鋼板，還是可以明 顯地感覺到冷軋鋼板在沿長度方向上(沿軋輥圓周方向軋制)存在均勻分布的直線，而在 冷軋鋼板的橫向方向則沒有明顯的直線分布。2.在冷軋鋼板的長度方向容易形成拉傷，形成沿冷軋鋼板長度方向上很細的直線 劃痕。仔細觀察這些劃痕，發現絕大部分劃痕出現在對應軋輥表面兩圈毛化坑之間的一條 直線形空白區域內。分析這些直線劃痕形成的原因，是因為在兩圈毛化坑之間的直線形空 白區域內，軋輥是平滑的，軋輥與鋼板之間緊密接觸；如果在鋼板軋制過程中形成鐵屑，則 這個鐵屑不能夠被軋輥表面的毛化坑吸收，始終存在於鋼板與軋輥之間，連續劃出可見的 直線痕跡。分析上述現象的成因後，我們發現如果軋輥表面的毛化坑不是沿軋輥圓周方向 的螺旋直線形分布，則上述現象就可以避免。

發明內容
本發明目的是為解決現有技術存在的問題而提供一種聚焦光點小範圍二維擺動 式雷射輥類表面毛化加工方法及裝置，所述方法及裝置可以使聚焦光點在小範圍內二維擺 動，從而在軋輥表面加工出可控的無規則毛化點分布或有規律的橫向擺動毛化點分布。通 過該方法及裝置處理的軋輥在軋制鋼板時，不會在鋼板的長度方向上形成劃痕，表面外觀 更柔和，從而提高鋼板的軋制質量。本發明的技術方案如下首先是一種聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛 化加工方法，其特徵在於使高功率脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束入射於聲光偏轉系統中 由聲光偏轉驅動器控制的聲光偏轉器中，通過該聲光偏轉器作用後產生一個小角度偏轉， 且同時使用一置於聲光偏轉器前部或者後部的聚焦機構對進入或射出聲光偏轉器的脈衝 雷射束進行聚焦後形成一系列沿轉動的軋輥長度方向或周向小範圍快速擺動的聚焦光點 對軋輥表面進行毛化加工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分 布。本發明方法進一步按下述具體步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數控工具機上的軋輥轉軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數控工具機，使軋輥按設定的轉速旋轉，同時使搭載聲光偏轉系統及聚焦機 構的工作平臺沿軋輥的長度方向平移；3)使高功率脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束經光學元件系統入射到聲光偏轉系統 中的聲光偏轉器；4)通過聲光偏轉系統中的聲光偏轉驅動器控制聲光偏轉器的超聲頻率周期性變 化，從而使入射的脈衝雷射束以變化的角度出射，出射的角度大小取決於聲光偏轉器的超 聲頻率大小；故當脈衝雷射束入射於聲光偏轉器時，聲光偏轉器輸出的脈衝雷射束傳輸方 向在一定小角度範圍內以一定規律二維擺動；5)通過置於聲光偏轉器前部或者後部的聚焦機構對進入或射出聲光偏轉器的脈 衝激光束進行聚焦；6)在數控工具機對軋輥轉速、聲光偏轉驅動器的工作頻率及工作平臺平移速度的集 中控制下，使所述以螺旋線為軸線快速小範圍二維擺動的聚焦光點對軋輥同時進行毛化加工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。本發明同時提供了一種能夠實現上述加工方法的聚焦光點小範圍二維擺動式激 光輥類表面毛化加工裝置，該裝置能夠在軋輥表面形成可控的無規則毛化點分布或有規律 的橫向擺動毛化點分布，並且結構簡單、雷射能量利用率高。一種聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，包括高功率脈衝激 光器和數控工具機，所述數控工具機的床身上裝有通過平移導軌驅動的工作平臺及用於安裝軋 輥並與平移導軌平行的軋輥轉軸和頂尖，其特徵在於所述工作平臺上裝有聲光偏轉系統和 聚焦機構，所述聲光偏轉系統由電連接的聲光偏轉器和聲光偏轉驅動器構成，所述聚焦機 構置於聲光偏轉器的前部或者後部。本發明的上述裝置中，所述聲光偏轉驅動器以一定的頻率周期性改變聲光偏轉 器的頻率，使通過聲光偏轉器的脈衝雷射束的偏轉角在二維小範圍內不停變化，其中所述 聲光偏轉驅動器的工作頻率範圍為1Hz到200KHz，而所述聲光偏轉器的偏轉角度範圍為 3mrad ilj lOOmrad。本發明的上述裝置中，所述高功率脈衝雷射器是YAG脈衝雷射器，所述YAG脈衝激 光器為調Q式脈衝雷射器或者外調製脈衝雷射器。本發明的上述裝置中，所述聚焦機構為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。本發明的上述裝置中，所述高功率脈衝雷射器和聲光偏轉系統之間的雷射傳輸光 路上還設置有光學元件系統。所述光學元件系統是根據實際系統需要而使用的由一系列光 學元件構成的光學機構，既可以是擴束系統，也可以是導光系統。本發明的上述裝置在具體工作時，同常規技術一樣，待加工的軋輥工件由數控機 床上的軋輥轉軸和頂尖裝夾，並由軋輥轉軸帶動旋轉，其轉速由數控工具機控制。數控工具機上 的工作平臺可作三維運動，其平移速度由數控工具機控制，聲光偏轉驅動器的工作頻率範圍 也由數控工具機控制。所述數控工具機採用現有的設備，例如XL9型數控車床。本發明的優點是1.本發明方法及裝置由於採用聲光偏轉器，實現了聚焦光點以螺旋線為軸線小範 圍的擺動式毛化加工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的毛化坑分布，使得 軋輥表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直線。故採用本發明方法及裝置生產出 來的軋輥在軋制鋼板時，能夠確保軋制過程中可能形成的鐵屑顆粒被軋輥圓周方向上交錯 排列的毛化坑所吸收，而避免在鋼板的長度方向上造成劃痕，從而大大提高了鋼板軋制質 量。2.同時本發明提供的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置還 具有如下優點(1)採用聲光偏轉器實現軋輥表面上聚焦光點以螺旋線為軸線小範圍擺動，不但 簡化了光學系統(不需使用振鏡、多稜鏡等光學系統進行掃描)，而且提高了擺動的控制精度。(2)採用聲光偏轉器二維控制雷射束的偏轉方向，可方便地使軋輥表面聚焦光點 在二維小範圍內快速擺動。(3)採用聲光偏轉驅動器控制聲光偏轉器頻率變化的快慢，可以非常方便地根據 軋輥轉動速度和工作檯平移速度的需要而實時控制聚焦光點擺動速度的快慢。因此，本發明的聚焦光點擺動機構簡單、使用方便，而且可以靈活地根據實際要求進行實時控制。(4)由於數控工具機採用的是三軸聯動的數控系統與雷射輸出功率和脈衝頻率的計 算機控制相結合，非常方便於在線調節，實現毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，並可 實現輥面毛化坑的多種分布，產品質量好。總之，本發明所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置雷射 能量利用率高，整體結構簡單、使用壽命長，並且工作穩定，加工效率高、產品質量好。


下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述圖1為常規雷射毛化工藝在軋輥上形成的毛化坑分布示意圖(毛化坑沿軋輥圓周 方向是直線形分布，但在軋輥長度方向上是非直線形分布)；圖2為本發明一種具體實施例的外部結構示意圖；圖3為聚焦機構放置於聲光偏轉器後部狀態的聚焦光點小範圍二維隨機掃描系 統圖；圖4為聚焦機構放置於聲光偏轉器前部狀態的聚焦光點小範圍二維隨機掃描系 統圖；圖5為聲光偏轉系統的工作原理圖；圖6為本發明提供的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置在 軋輥表面形成的毛化坑分布。
具體實施例方式實施例如圖2、圖3和圖5所示為本發明提供的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射 輥類表面毛化加工裝置的一種具體實施方式
，包括高功率脈衝雷射器1和數控工具機3，所述 數控工具機3的床身上裝有通過平移導軌303驅動的工作平臺12及用於安裝軋輥13並與平 移導軌303平行的軋輥轉軸301和頂尖302，所述工作平臺12上裝有聲光偏轉系統4和聚 焦機構6，所述聲光偏轉系統4由電連接的聲光偏轉器401和聲光偏轉驅動器402構成，所 述聚焦機構6置於聲光偏轉器401的前部或者後部。同時具體如圖5所示，本實施例中在 高功率脈衝雷射器1和聲光偏轉系統4之間的雷射傳輸光路上還設置有光學元件系統5，所 述光學元件系統5在圖2中並未示出。本實施例中的所述高功率脈衝雷射器1採用YAG雷射器，其輸出功率從100 2000瓦連續可調，雷射輸出波長為1.06 ym。本實施例中所述光學元件系統5是擴束鏡。所 述聚焦機構6為透射式聚焦鏡。具體結合圖5所示，所述聲光偏轉系統4由電連接的聲光 偏轉器401和聲光偏轉驅動器402構成，其中，聲光偏轉驅動器402以一定的頻率周期性改 變聲光偏轉器401的頻率，使通過聲光偏轉器401的脈衝雷射束2的偏轉角在二維小範圍 內不停變化，這樣當脈衝雷射束2入射於聲光偏轉器401並經其作用後產生一個二維小角 度9的偏轉。所述聲光偏轉驅動器402的工作頻率範圍為1Hz到200KHz，該工作頻率由數 控工具機3控制，而所述聲光偏轉器401的偏轉角度範圍為3mrad到lOOmrad。結合圖2、圖3、圖5所示，對採用上述實施例裝置對軋輥進行毛化加工的方法及原 理進行說明，所述方法具體分成下述幾個步驟
1)由數控工具機3上的軋輥轉軸301和頂尖302裝夾軋輥13，具體如圖2所示；2)啟動數控工具機3，使軋輥13按設定的轉速旋轉，同時使搭載聲光偏轉系統4及 聚焦機構6的工作平臺12沿軋輥13的長度方向平移；同常規技術一樣，所述軋輥13由軋 輥轉軸301帶動旋轉，轉速由數控工具機3控制；而所述工作平臺12可作三維運動，其運動也 由數控工具機3控制，聲光偏轉系統4和聚焦機構6隨工作平臺12 —起移動；3)使高功率脈衝雷射器1輸出的脈衝雷射束2經光學元件系統5入射到聲光偏轉 系統4中的聲光偏轉器401，具體如圖3所示；4)通過聲光偏轉系統4中的聲光偏轉驅動器402控制聲光偏轉器401的超聲頻 率周期性變化，從而使入射的脈衝雷射束2以變化的角度出射，出射的角度大小取決於聲 光偏轉器401的超聲頻率大小；故當脈衝雷射束2入射於聲光偏轉器401時，聲光偏轉器 401輸出的脈衝雷射束2傳輸方向在一定小角度範圍內以一定規律二維擺動，具體如圖5所 示；5)通過置於聲光偏轉器401前部或者後部的聚焦機構6對進入或射出聲光偏轉器 401的脈衝雷射束2進行聚焦；6)在數控工具機3對軋輥13轉速、聲光偏轉驅動器402的工作頻率及工作平臺12 平移速度的集中控制下，使所述以螺旋線為軸線快速小範圍二維擺動的聚焦光點對軋輥13 同時進行毛化加工，在軋輥13表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。具體如圖6所示，由於軋輥13表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直 線，故採用上述裝置生產出來的軋輥在軋制鋼板的時候，能夠確保軋制過程中可能形成的 鐵屑顆粒被軋輥圓周方向上交錯排列的毛化坑所吸收，而避免在鋼板的長度方向上造成劃 痕，從而大大提高了鋼板軋制質量。實施例2 具體結合圖4所示，本實施例與實施例1的區別在於，本實施例中將聚 焦機構6放置於聲光偏轉器401前部，聚焦機構6依然採用透射式聚焦鏡，而本實施例其餘 同實施例1。這樣高功率脈衝雷射器1發射出的脈衝雷射束2經過光學元件系統5之後入 射到聚焦機構6聚焦，然後再經由聲光碟機動器402控制的聲光偏轉器401偏轉而在軋輥13 的表面進行毛化加工。聚焦機構6的等效焦距相對實施例1更長，這是由於聲光偏轉器401 放置於聚焦機構6與軋輥13表面之間所致。當然上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術 的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發 明主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其特徵在於使高功率脈衝雷射器(1)輸出的脈衝雷射束(2)入射於聲光偏轉系統(4)中由聲光偏轉驅動器(402)控制的聲光偏轉器(401)中，通過該聲光偏轉器(401)作用後產生一個小角度偏轉，且同時使用一置於聲光偏轉器(401)前部或者後部的聚焦機構(6)對進入或射出聲光偏轉器(401)的脈衝雷射束(2)進行聚焦後形成一系列沿轉動的軋輥(13)長度方向或周向小範圍快速擺動的聚焦光點對軋輥(13)表面進行毛化加工，在軋輥(13)表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。
2.根據權利要求1所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，其 特徵在於按下述具體步驟對軋輥(13)表面實施毛化加工1)由數控工具機(3)上的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥(13)；2)啟動數控工具機(3)，使軋輥(13)按設定的轉速旋轉，同時使搭載聲光偏轉系統(4) 及聚焦機構(6)的工作平臺(12)沿軋輥(13)的長度方向平移；3)使高功率脈衝雷射器(1)輸出的脈衝雷射束(2)經光學元件系統(5)入射到聲光偏 轉系統(4)中的聲光偏轉器(401)；4)通過聲光偏轉系統(4)中的聲光偏轉驅動器(402)控制聲光偏轉器(401)的超聲頻 率周期性變化，從而使入射的脈衝雷射束(2)以變化的角度出射，出射的角度大小取決於 聲光偏轉器(401)的超聲頻率大小；故當脈衝雷射束(2)入射於聲光偏轉器(401)時，聲光 偏轉器(401)輸出的脈衝雷射束(2)傳輸方向在一定小角度範圍內以一定規律二維擺動；5)通過置於聲光偏轉器(401)前部或者後部的聚焦機構(6)對進入或射出聲光偏轉器 (401)的脈衝雷射束(2)進行聚焦；6)在數控工具機(3)對軋輥(13)轉速、聲光偏轉驅動器(402)的工作頻率及工作平臺 (12)平移速度的集中控制下，使所述以螺旋線為軸線快速小範圍二維擺動的聚焦光點對軋 輥(13)同時進行毛化加工，在軋輥(13)表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛 化坑分布。
3.一種用於實現如權利要求1所述加工方法的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類 表面毛化加工裝置，包括高功率脈衝雷射器(1)和數控工具機(3)，所述數控工具機(3)的床 身上裝有通過平移導軌(303)驅動的工作平臺(12)及用於安裝軋輥(13)並與平移導軌 (303)平行的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)，其特徵在於所述工作平臺(12)上裝有聲光偏 轉系統(4)和聚焦機構(6)，所述聲光偏轉系統(4)由電連接的聲光偏轉器(401)和聲光偏 轉驅動器(402)構成，所述聚焦機構(6)置於聲光偏轉器(401)的前部或者後部。
4.根據權利要求3所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其 特徵在於所述高功率脈衝雷射器(1)是YAG脈衝雷射器，所述YAG脈衝雷射器為調Q式脈 衝激光器或者外調製脈衝雷射器。
5.根據權利要求3所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其 特徵在於所述聲光偏轉驅動器(402)以一定的頻率周期性改變聲光偏轉器(401)的頻率， 使通過聲光偏轉器(401)的脈衝雷射束(2)的偏轉角在二維小範圍內不停變化，其中所述 聲光偏轉驅動器(402)的工作頻率範圍為IHz到200KHz，而所述聲光偏轉器(401)的偏轉 角度範圍為3mrad至Ij 1 OOmrad。
6.根據權利要求3所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其特徵在於所述聚焦機構(6)為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
7.根據權利要求3所述的聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工裝置，其 特徵在於所述高功率脈衝雷射器(1)和聲光偏轉系統(4)之間的雷射傳輸光路上還設置有 光學元件系統(5)。
全文摘要
本發明公開了一種聚焦光點小範圍二維擺動式雷射輥類表面毛化加工方法，使高功率脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束入射於聲光偏轉系統中由聲光偏轉驅動器控制的聲光偏轉器中，通過該聲光偏轉器作用後產生一個小角度偏轉，且同時使用一置於聲光偏轉器前部或者後部的聚焦機構對進入或射出聲光偏轉器的脈衝雷射束進行聚焦後形成一系列沿轉動的軋輥長度方向或周向小範圍快速擺動的聚焦光點對軋輥表面進行毛化加工，在軋輥表面形成一系列非螺旋掃描線點陣排布的可控毛化坑分布。本發明方法處理的軋輥在軋制鋼板時，可以形成的無規則毛化點分布，可以提供各種板型，提高了鋼板的軋制質量。
文檔編號B23K26/06GK101879664SQ201010203988
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者孫長東, 梁喬春, 談賢傑, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海雷射科技有限公司