[发明专利]高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于辊类表面激光毛化处理技术领域，特别涉及一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法及装置。

背景技术

毛化钢板具有优良的冲压性能和表面涂镀性能，是汽车、家电、电子和轻工业生产中广泛应用的重要原材料，毛化钢板生产的关键技术是轧辊工件表面毛化，激光轧辊工件毛化技术是现在使用的几种毛化技术(包括喷丸毛化、电火花毛化以及电子束毛化)中实用而又先进的一种毛化技术。

目前激光轧辊工件毛化技术主要分为两大类：一类是采用气体CO₂激光器的CO₂激光毛化，另一类是采用固体Nd:YAG激光器的YAG激光毛化。

目前，已经研制成功且用于生产的CO₂激光毛化装置的基本原理是：CO₂激光器发射出的高能连续激光束经光调制转盘(斩光盘)变换成脉冲激光束；利用聚焦透镜将变换后的脉冲激光束聚焦于被加工的轧辊工件表面进行毛化；加工过程中，轧辊工件旋转的同时，激光头与光学发射调制系统沿轧辊工件长度方向移动，在轧辊工件表面加工出螺旋形规则分布的微小毛化坑。例如：华中科技大学激光院研制的大型CO₂激光轧辊工件毛化加工成套系统。但由于该系统采用了光调制转盘技术，只有很少一部分激光输出能量能够得到有效地利用，因而其能量利用效率不高；且机械结构复杂、设备体积庞大、相对造价较高。上述CO₂激光毛化设备由于能量利用率比较低，因此其加工效率与电火花毛化设备相比有一定差距。近年来，基于斩光盘光束调制原理的此类激光毛化技术，其主要发展集中体现在：通过设计不同结构形式的光调制转盘(斩光盘)，以提高激光能量利用率。例如：中国专利“一种用于激光调制的转盘”(专利号ZL94218749.0)与中国专利“分光式激光毛化调制装置”(专利号ZL200710041118.9)。

YAG激光毛化装置的基本原理是：采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为脉冲激光发生源，由激光器发射出的脉冲激光束经光路系统聚焦后，直接作用于被加工的轧辊工件表面进行毛化；通过控制调Q频率与轧辊工件的转速，实现所要求的表面粗糙度和毛化坑分布。例如：中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”(专利号ZL00264774.5)，就是采用声光调Q的Nd:YAG激光器作为加工光源的。其缺点是：由于所使用的声光调Q脉冲Nd:YAG激光器的平均功率较低，毛化效果有限，生产效率低，难以满足大型钢厂的生产需要。

为了克服上述激光毛化技术的不足，本实用新型专利申请人发明了一种高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及装置，其方法的基本特征是：利用高功率连续激光器输出连续激光束；通过多棱镜分光机构对该连续激光束进行调制，使其分成K(≥2)路脉冲激光束；利用K个独立的聚焦头分别对K路脉冲激光束进行聚焦后输出，对辊类表面同时进行多头(K个聚焦头)毛化加工，在辊类表面形成K条螺旋扫描线点阵毛化坑分布。基于此方法的高功率激光辊类表面多头毛化加工装置可以同时实现多头毛化加工，加工效率高；激光能量利用效率高，且对激光功率没有限制；但所述方法及其装置若要进一步提高加工效率，则必须进一步增加聚焦头的数量，这会使得所述方法流程及其装置的结构变得较为复杂。

上述发明已于2006年申报国家发明专利(申请号：200610018261.1)与实用新型专利(申请号：200620095100.8)。目前，发明专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工方法及其装置”已获授权(专利号：ZL200610018261.1)，且实用新型专利“高功率激光辊类表面多头毛化加工装置”已获授权(专利号：ZL200620095100.8)。

发明内容

本发明目的是：提供一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，该方法能够将连续激光束变换成为密集排布的多路聚焦脉冲激光输出，以实现高效的毛化加工；同时本发明提供一种实现上述毛化加工方法的高功率激光辊类表面多头集成聚焦毛化加工装置，具有加工效率高，且激光能量利用率高、结构简单的特点。

本发明的技术方案如下：一种高功率激光辊类表面集成聚焦毛化加工方法，其利用高功率连续激光器输出连续激光束，将该连续激光束通过一个多棱镜分光机构分成K路脉冲激光束，再分别由K个集成聚焦头聚焦后输出，每个集成聚焦头对应输出N个聚焦光点，从而总共在轧辊工件表面形成K×N个密集排布的聚焦光点，对轧辊工件表面同时进行毛化加工，在轧辊工件表面形成K×N条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，其中K≥1，而N≥2。