[实用新型]一种YAG激光器及激光毛化加工装置

说明书

技术领域

本实用新型属于辊类表面激光毛化处理领域，特别是涉及一种高功率脉冲串组激光产生方法、YAG激光器及激光毛化加工装置。

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表面毛化，激光轧辊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。

目前激光轧辊毛化技术主要分为两大类：一类是采用CO₂气体激光器的CO₂激光毛化，另一类是采用Nd:YAG固体激光器的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表面进行毛化；加工过程中，轧辊旋转的同时，激光头与光学发射调制系统沿轧辊长度方向移动，在轧辊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，只有一部分激光输出能量能够得到有效利用，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)。

为了克服上述激光毛化技术的不足，申请号200610018261.1的实用新型专利申请提出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；但该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，这会使装置整机结构变得复杂。

与国内外电火花和CO₂激光毛化技术相比，YAG激光轧辊毛化技术具有毛化点分布二维可控、装备集成度高、稳定性好等优点，特别是装备性价比高，特别适合中小钢厂普遍适用。

目前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表面进行毛化；通过控制调Q频率与轧辊的转速，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。

YAG该激光毛化装置的优点是：激光器直接输出脉冲激光，不需要外光路调制，激光能量利用率高；激光波长短(1.06μm)，轧辊表面激光吸收率高，同样带来高的激光能量利用率。但其缺点是：所使用的声光调Q器件虽然具有较高的脉冲频率，但其衍射效率是有限的；因此，当激光增益很高时，声光调Q器件无法提供足够高的损耗使激光器的振荡有效关断。声光调Q器件的上述限制使得声光调Q脉冲Nd:YAG激光器的单脉冲能量较低，平均功率也低，从而导致毛化粗糙度有限，生产效率低，特别是在较高粗糙度要求下生产效率更低，难以满足大型轧钢厂的生产需要。

YAG激光毛化的另一个缺点是声光调Q脉冲脉宽很窄(一般标准声光调Q脉冲宽度为100-300ns)，峰值功率很高(兆瓦量级)，因此激光脉冲经过聚焦后达到很高的峰值功率密度(10⁷W/cm²以上)，轧辊表面在这样高的功率密度照射下直接被汽化。由于脉冲宽度很窄，因此激光脉冲照射的结果是形成很浅的凹坑，实践证明这样的凹坑结构并不适合于冷轧时的粗糙度转移。