[发明专利]多束光合成聚焦控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及离散激光加工控制技术，尤其是一种多束光合成聚焦控制系统及控制方法，适用于冷轧辊激光毛化等领域。

背景技术

冷轧薄钢板具有厚度与板形精度高、表面质量好、力学性能好、厚度更薄等优点，应用非常广。冷轧板按粗糙度分为光面板和毛化板。毛化板采用毛化轧辊平整，表面形貌由毛化轧辊表面复制而来，粗糙度一般较大。相对光面板，毛化板因具有更好的延伸率和涂镀层结合力，在汽车、高铁、航空航天、家用电器以及食品包装等行业有广泛用途，是一种不可缺少的重要原料。

轧辊毛化技术就是对磨光轧辊进行毛化，使其表面具有特殊形貌的技术。目前在工业上得到规模化推广应用的轧辊毛化技术是喷丸毛化、电火花毛化和激光毛化，其中比较先进的是电火花毛化和激光毛化。

电火花毛化通过将轧辊和电极浸没在绝缘工作液中或在两电极的间隙喷绝缘工作液，两电极间的间隙足够小，电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压，产生火花放电，在轧辊表面上产生一系列微熔微坑。

激光毛化按使用的激光器种类分为CO₂激光毛化和YAG激光毛化。CO₂激光毛化通过连续CO₂激光器发出的连续激光，经斩波器变成频率一定的脉冲激光，通过沿轧辊轴向匀速移动聚焦镜将脉冲激光聚焦到匀速旋转的轧辊表面，使轧辊表面熔化、气化，产生大量的熔池，从而在整个辊面形成一定形貌的大量有凸台的硬化微坑。YAG激光毛化通过连续泵浦YAG激光器经Q开关特殊调制输出高能量密度、高重复频率的YAG脉冲激光，通过沿轧辊轴向匀速移动聚焦镜将脉冲激光聚焦到匀速旋转的轧辊表面，使轧辊表面熔化、气化，产生大量的熔池；一定成分、一定压力的辅助气体沿一定角度侧吹熔池，使熔池凸台明显；轧辊自身热传导作用使熔池因熔融物迅速冷却而表面硬化；从而在整个辊面形成一定形貌的大量有凸台的硬化微坑。

YAG激光毛化技术是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的，如发明专利“高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法”(ZL 92113223.9)。为了增加微坑分布的各向均匀度，调节冷轧板的各向延伸率，中科院力学所开发了YAG激光毛化的二维可控分布技术，如发明专利“具有可控分布毛化点的辊类表面毛化激光加工系统”(ZL 00128273.5)。工程中有相当多的毛化板要求微坑无规则分布。为了改善激光毛化板的外观质量，中科院力学所在二维可控分布技术的基础上开发可控无规则分布技术，如发明专利“圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法”(ZL 200510117158.8)；又如发明专利“无规则偏转毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法”(ZL 200510116750.6)。

激光毛化在微坑的均匀性和再现性、运行条件、环境污染、运行成本等方面都比电火花毛化更优越。然而，在加工速度方面电火花毛化比激光毛化更有优势。同样的轧辊，激光毛化需一个小时，电火花毛化可能只需20分钟。对于激光毛化，毛化轧辊的微坑密度越高，毛化频率不变的情况下加工速度越慢。现在高档汽车板、家电板的微坑密度越来越高，迫切希望提高激光毛化的加工速度。

电火花毛化加工速度比较快的原因是多电极同时放电。同样，多微坑并行加工是提高激光毛化加工速度的必然选择。

一般的激光毛化，采用单台激光器、单个聚焦镜的方案。采用多台激光器、多个聚焦镜的方案显然能提高毛化速度。该方案的最大缺点是多台激光器产生的微坑相对位置不好控制，极易产生致命的干涉条纹。其另一缺点是光路结构较庞大，能同时用的激光器的数量会受限。也可将单台激光器的单束光分成多束光，分别聚焦输出。此时分束后单束光的能量会受限，其产生的微坑的位置有相关性，也易出条纹。

采用单台激光器、分束后单个聚焦镜聚焦的方案也能提高毛化速度，因同时产生的多个微坑间距很近，相当于一组微坑，不易出条纹。该方案的最大缺点是单坑的能量受限，只适合提高低粗糙度毛化的速度。其另一缺点是微坑组内的坑间距相对固定，不能实现无规则分布，影响了毛化辊形貌的整体提高。

采用多台激光器、合束后单个聚焦镜聚焦的方案，克服了单坑的能量不足的问题，应是比较理想的方案。专用于CTP(computer to plate)的半导体激光模块，如Intense的CTP激光阵列成像模块系列，结合了精密的光学器件和简便快捷的电子器件接口，其拥有64个高可靠性的激光发射器阵列，每个通道内部提供了200mW的高可靠性的单模激光输出。该器件的最大缺点单束光能量太低，无法毛化。其另一缺点是各束光相对位置固定，无法实现微坑的无规则分布。

发明内容