專利名稱：聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于輥類表面激光毛化處理領域，特別涉及一種聚焦光點無規則偏轉的激 光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制造業中，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后的軋輥軋制而成的，因此毛化軋輥 的表面形貌特征對冷軋薄鋼板的深沖、涂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、深沖性、延伸率和涂鍍性能，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。激光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。激光毛化技術是將聚焦后的高能量、高重復頻率的脈沖激光束照射到軋輥表面， 利用激光束的高亮度在軋輥表面形成非常高的能量密度，對激光聚焦處的軋輥表面實施加 熱、熔化并部分汽化，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制的 高能量密度(IO4 106W/cm2)、高重復頻率(IO3 IO4次/秒)的脈沖激光束進行聚焦，并 使其作用于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；短激光脈沖作用后，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，聚焦脈沖激光束 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，激光毛化軋輥技術主要分為兩大類一類是采用固體Nd:YAG激光器的YAG 激光毛化，另一類則是采用氣體CO2激光器的CO2激光毛化。其共同特點是采用聲光調Q 的Nd: YAG激光器或經特殊調制的CO2激光器作為脈沖激光加工源，由光源輸出的脈沖激光 經激光加工頭聚焦后，作用于以一定轉速旋轉的軋輥表面；加工過程中，激光加工頭的橫向 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“用于軋輥表面毛化的激光加工設備”(專利號ZL94220848. X)與中國專利 “分光式激光毛化調制裝置”(專利號ZL200710041118. 9)。上述激光軋輥毛化工藝的基本特征是毛化坑在軋輥表面沿一條等螺距的螺旋掃 描線分布。由于螺旋掃描線的螺距(一般為0. 1 0. 4mm)相對于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1.雖然軋輥表面的激光毛化坑很淺，但對于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，始終存在于鋼板與軋輥之間，連續劃出可見的 直線痕跡。綜上所述，如果毛化板表面的毛化點隨機無序的無規則分布，則既可以解決了毛 化板表面毛化點分布的均勻度問題而提高毛化板的美觀性，又可以提高毛化板的質量。
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無規則偏轉的激 光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范圍內二維隨機掃 描，從而在軋輥表面加工出無規則的毛化點分布，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，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無規則偏轉的激光輥類表面毛化加 工方法，其特征在于使高功率脈沖激光器輸出的脈沖激光束入射于偽隨機聲光偏轉系統 中的聲光偏轉器，通過由偽隨機信號控制的聲光偏轉器作用后產生二維隨機無規則偏轉的 一個小角度，且在上述過程中，同時使用一置于聲光偏轉器前部或者后部的聚焦機構對進 入或射出聲光偏轉器的脈沖激光束進行聚焦后形成一系列沿轉動的軋輥表面無規則掃描 的聚焦光點對軋輥表面進行毛化加工，并在軋輥表面形成隨機無規則毛化點分布。本發明的上述聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工方法，進一步按照下 述具體步驟對軋輥表面實施毛化加工1)由數控機床上的軋輥轉軸和頂尖裝夾軋輥；2)啟動數控機床，使軋輥按設定的轉速旋轉，同時使搭載偽隨機聲光偏轉系統及 聚焦機構的工作平臺沿軋輥的長度方向平移；3)使高功率脈沖激光器輸出的脈沖激光束入射到偽隨機聲光偏轉系統中的聲光 偏轉器；4)通過偽隨機聲光偏轉系統中的計算機控制器與偽隨機信號發生器聯合設定聲 光偏轉驅動器的偽隨機電信號頻率范圍及幅值范圍，使脈沖激光束經過聲光偏轉器作用后 在一個二維小角度范圍內作無規則掃描；5)通過置于聲光偏轉器前部或者后部的聚焦機構對進入或射出聲光偏轉器的脈 沖激光束進行聚焦；6)在數控機床對軋輥轉速、工作平臺平移速度的控制及由計算機控制器與偽隨機 信號發生器對聲光偏轉驅動器輸出的偽隨機電信號頻率范圍、幅值范圍的控制下，使所述 以螺旋線上的點為中心的小范圍二維無規則隨機掃描的聚焦光點對軋輥進行毛化加工，在 軋輥表面上打出無規則的毛化點分布。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無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，該裝置能夠在軋輥表面形成無規則毛化點分布，并且結構簡單、質量可靠。一種聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，包括高功率脈沖激光器 和數控機床，所述數控機床的床身上裝有通過平移導軌驅動的工作平臺及用于安裝軋輥并 與平移導軌平行的軋輥轉軸和頂尖，所述工作平臺上裝有偽隨機聲光偏轉系統和聚焦機 構，所述偽隨機聲光偏轉系統由順序電連接的聲光偏轉器、聲光偏轉驅動器、偽隨機信號發 生器及計算機控制器構成，聲光偏轉器的聲光頻率及幅值變化由聲光偏轉驅動器輸出的電 信號所控制，同時計算機控制器與偽隨機信號發生器聯合控制聲光偏轉驅動器輸出的偽隨 機電信號的信號頻率和幅值范圍，所述聚焦機構置于聲光偏轉器的前部或者后部。
本發明的上述裝置中，所述偽隨機信號發生器可以在一定的幅值范圍內以一定的 頻率輸出隨機變化的偽隨機信號，輸出的最大幅值和變化頻率由計算機控制器設定。偽隨 機信號量的輸出是電信號發生中的一種標準輸出方式。本發明的上述裝置中，脈沖激光束經過聲光偏轉器作用之后的小角度無規則偏 轉，一般可以實現3到IOOmrad范圍的無規則偏轉。所述聲光偏轉驅動器的常規工作頻率 范圍為IHz到IOOKHz。本發明的上述裝置中，所述高功率脈沖激光器是YAG脈沖激光器，所述YAG脈沖激 光器為調Q式脈沖激光器或者外調制脈沖激光器。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，所述高功率脈沖激光器和偽隨機聲光偏轉系統之間的激光 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機構，既可以是擴束系統，也可以是導光系統，均為常規技術。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，并由軋輥轉軸帶動旋轉，其轉速由數控機床控制。數控機床上 的工作平臺可作三維運動，其平移速度由數控機床控制。偽隨機信號的幅值范圍與頻率范 圍均由計算機控制器設定。所述數控機床采用現有的設備，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于采用偽隨機信號控制的聲光偏轉器，實現了聚焦光點隨 機無規則偏轉的毛化加工，在軋輥表面形成無規則排布的毛化坑分布，使得軋輥表面圓周 上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的螺旋線。故采用本發明方法及裝置生產出來的軋輥在 車L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無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置還具有 如下優點(1)采用偽隨機信號控制聲光偏轉驅動器，實現了聲光偏轉器對聚焦光點在軋輥 表面上在一個小范圍二維空間內無規則掃描。這種方法結構簡單、成本低，而且維修方便。(2)采用聲光偏轉器實現激光束的二維隨機無規則偏轉，可方便地使軋輥表面聚 焦光點在二維小范圍內隨機無規則快速擺動。因為聲光驅動器的工作頻率在IHz到IOOKHz 范圍內變化，所以聚焦光點可以實現非常高速度進行隨機無規則擺動，從而大大提高了激 光毛化的加工效率。
(3)采用計算機控制器、偽隨機信號發生器聯合控制聲光偏轉驅動器輸出信號的 頻率范圍及幅值范圍，可以非常方便地根據軋輥轉動速度和工作臺平移速度的需要而實時 控制軋輥表面隨機無規則擺動的頻率范圍及空間范圍。因此，本發明的偽隨機聲光偏轉系 統結構簡單、使用方便，而且可以靈活地根據實際要求進行實時控制。(4)由于數控機床采用的是三軸聯動的數控系統與激光輸出功率和脈沖頻率的計 算機控制相結合，非常方便于在線調節，實現毛化輥面粗糙度和毛化坑分布密度可變，并可 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無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置整體結構簡單、使用壽命長，并且工作穩定，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為常規激光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為聚焦機構放置于聲光偏轉器后部狀態的聚焦光點小范圍二維隨機掃描系 統圖；圖4為聚焦機構放置于聲光偏轉器前部狀態的聚焦光點小范圍二維隨機掃描系 統圖；圖5為偽隨機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無規則偏轉的激光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無規則偏轉的激光輥類 表面毛化加工裝置的一種具體實施方式
，包括高功率脈沖激光器1和數控機床3，所述數控 機床3的床身上裝有通過平移導軌303驅動的工作平臺12及用于安裝軋輥13并與平移導 軌303平行的軋輥轉軸301和頂尖302，所述工作平臺12上裝有偽隨機聲光偏轉系統4和 聚焦機構6，所述偽隨機聲光偏轉系統4由順序電連接的聲光偏轉器401、聲光偏轉驅動器 402、偽隨機信號發生器403及計算機控制器404構成，聲光偏轉器401的聲光頻率及幅值 變化由聲光偏轉驅動器402輸出的電信號所控制，同時計算機控制器404與偽隨機信號發 生器403聯合控制聲光偏轉驅動器402輸出的偽隨機電信號的信號頻率和幅值范圍，所述 聚焦機構6置于聲光偏轉器401的后部，同時具體如圖5所示，本實施例中在高功率脈沖激 光器1和偽隨機聲光偏轉系統4之間的激光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中并未示出。本實施例中的所述高功率脈沖激光器1采用YAG激光器，其輸出功率從100 2000瓦連續可調，激光輸出波長為1.06 μ m。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，所述偽隨機聲光偏轉系統4由聲光偏 轉器401、聲光偏轉驅動器402、偽隨機信號發生器403及計算機控制器404構成；其中，聲光偏轉器401的聲光頻率及幅值變化由聲光偏轉驅動器輸出的電信號所控制，同時計算機控制器404與偽隨機信號發生器403聯合控制聲光偏轉驅動器輸出電信號的頻率范圍和幅 值范圍。因此，由高功率脈沖激光器1輸出的脈沖激光束2經過由偽隨機信號控制的聲光 偏轉器401作用后，產生一個與偽隨機信號相對應的無規則偏轉二維小角度θ ；其中，所述 聲光偏轉器401的偏轉角度高達3到lOOmrad，所述聲光偏轉驅動器402的常規工作頻率范 圍為 IHz 到 IOOKHz。結合圖2、圖3、圖5所示，對采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)由數控機床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)啟動數控機床3，使軋輥13按設定的轉速旋轉，同時使搭載偽隨機聲光偏轉系 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，轉速由數控機床3控制；而所述工作平臺12可作三維運動，其運 動也由數控機床3控制，偽隨機聲光偏轉系統4和聚焦機構6隨工作平臺12 —起移動；3)使高功率脈沖激光器1輸出的脈沖激光束2經光學元件系統5入射到偽隨機聲 光偏轉系統4中的聲光偏轉器401，具體如圖3所示；4)通過偽隨機聲光偏轉系統4中的計算機控制器404與偽隨機信號發生器403聯 合設定聲光偏轉驅動器402的偽隨機電信號頻率范圍及幅值范圍，使脈沖激光束2經過聲 光偏轉器401作用后在一個二維小角度范圍內作無規則掃描，具體如圖5所示；5)通過置于聲光偏轉器401后部的聚焦機構6對進入或射出聲光偏轉器401的脈 沖激光束2進行聚焦；6)在數控機床3對軋輥13轉速、工作平臺12平移速度的控制及由計算機控制器 404與偽隨機信號發生器403對聲光偏轉驅動器402輸出的偽隨機電信號頻率范圍、幅值范 圍的控制下，使所述以螺旋線上的點為中心的小范圍二維無規則隨機掃描的聚焦光點對軋 輥13進行毛化加工，在軋輥13表面上打出無規則的毛化點分布。具體如圖6所示，由于軋輥13表面圓周上相鄰兩排毛化坑之間不再有平滑的直 線，故采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的區別在于，本實施例中將聚 焦機構6放置于聲光偏轉器401前部，聚焦機構6依然采用透射式聚焦鏡，而本實施例其余 同實施例1。這樣高功率脈沖激光器1發射出的脈沖激光束2經過光學元件系統5之后入 射到聚焦機構6聚焦，然后再經由偽隨機信號控制的聲光偏轉器401偏轉而在軋輥13的表 面而進行毛化加工。聚焦機構6的等效焦距相對實施例1更長，這是由于聲光偏轉器401 放置于聚焦機構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，其目的在于讓熟悉此項技術 的人能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。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范圍之內。
權利要求
一種聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工方法，其特征在于使高功率脈沖激光器(1)輸出的脈沖激光束(2)入射于偽隨機聲光偏轉系統(4)中的聲光偏轉器(401)，通過由偽隨機電信號控制的聲光偏轉器(401)作用后產生二維隨機無規則偏轉的一個小角度，且在上述過程中，同時使用一置于聲光偏轉器(401)前部或者后部的聚焦機構(6)對進入或射出聲光偏轉器(401)的脈沖激光束(2)進行聚焦后形成一系列沿轉動的軋輥(13)表面無規則掃描的聚焦光點對軋輥(13)表面進行毛化加工，并在軋輥(13)表面形成隨機無規則毛化點分布。
2.根據權利要求1所述的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工方法，其特征 在于按下述具體步驟對軋輥(13)表面實施毛化加工1)由數控機床(3)上的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)裝夾軋輥(13)；2)啟動數控機床(3)，使軋輥(13)按設定的轉速旋轉，同時使搭載偽隨機聲光偏轉系 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)使高功率脈沖激光器(1)輸出的脈沖激光束(2)經光學元件系統(5)入射到偽隨機 聲光偏轉系統(4)中的聲光偏轉器(401)；4)通過偽隨機聲光偏轉系統(4)中的計算機控制器(404)與偽隨機信號發生器(403) 聯合設定聲光偏轉驅動器(402)的偽隨機電信號頻率范圍及幅值范圍，使脈沖激光束(2) 經過聲光偏轉器(401)作用后在一個二維小角度范圍內作無規則掃描；5)通過置于聲光偏轉器(401)前部或者后部的聚焦機構(6)對進入或射出聲光偏轉器 (401)的脈沖激光束(2)進行聚焦；6)在數控機床(3)對軋輥(13)轉速、工作平臺(12)平移速度的控制及由計算機控制 器(404)與偽隨機信號發生器(403)對聲光偏轉驅動器(402)輸出的偽隨機電信號頻率范 圍、幅值范圍的控制下，使所述以螺旋線上的點為中心的小范圍二維無規則隨機掃描的聚 焦光點對軋輥(13)進行毛化加工，在軋輥(13)表面上打出無規則的毛化點分布。
3.一種用于實現如權利要求1所述加工方法的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面 毛化加工裝置，包括高功率激光器(1)和數控機床(3)，所述數控機床(3)的床身上裝有通 過平移導軌(303)驅動的工作平臺(12)及用于安裝軋輥(13)并與平移導軌(303)平行 的軋輥轉軸(301)和頂尖(302)，其特征在于所述工作平臺(12)上裝有偽隨機聲光偏轉系 統(4)和聚焦機構(6)，所述偽隨機聲光偏轉系統(4)由順序電連接的聲光偏轉器(401)、 聲光偏轉驅動器(402)、偽隨機信號發生器(403)及計算機控制器(404)構成，聲光偏轉器(401)的聲光頻率及幅值變化由聲光偏轉驅動器(402)輸出的電信號所控制，同時計算機 控制器(404)與偽隨機信號發生器(403)聯合控制聲光偏轉驅動器(402)輸出的偽隨機電 信號的信號頻率和幅值范圍，所述聚焦機構(6)置于聲光偏轉器(401)的前部或者后部。
4.根據權利要求3所述的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，其特征 在于所述高功率脈沖激光器(1)是YAG脈沖激光器，所述YAG脈沖激光器為調Q式脈沖激 光器或者外調制脈沖激光器。
5.根據權利要求3所述的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，其特征 在于所述聲光偏轉器(401)允許的偏轉角度范圍為3mrad到lOOmrad，所述聲光偏轉驅動器(402)的常規工作頻率范圍為IHz到IOOKHz。
6.根據權利要求3所述的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，其特征在于所述聚焦機構(6)為透射式聚焦鏡或者反射式聚焦鏡。
7.根據權利要求3所述的聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工裝置，其特征 在于所述高功率脈沖激光器(1)和偽隨機聲光偏轉系統(4)之間的激光傳輸光路上還設置 有光學元件系統(5)。
全文摘要
本發明公開了一種聚焦光點無規則偏轉的激光輥類表面毛化加工方法，其使高功率脈沖激光器輸出的脈沖激光束入射于偽隨機聲光偏轉系統中的聲光偏轉器，通過由偽隨機電信號控制的聲光偏轉器作用后產生二維隨機無規則偏轉的一個小角度，且在上述過程中，同時使用一置于聲光偏轉器前部或者后部的聚焦機構對進入或射出聲光偏轉器的脈沖激光束進行聚焦后形成一系列沿轉動的軋輥表面無規則掃描的聚焦光點對軋輥表面進行毛化加工，并在軋輥表面形成隨機無規則毛化點分布。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B23K26/36GK101862901SQ20101020398
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者夏靈林, 孫長東, 梁喬春, 談賢杰, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海激光科技有限公司