专利名称：一种yag激光器及激光毛化加工装置的制作方法
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(X)2激光毛化装置的基本原理是0)2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20061001拟61. 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. 06 μ m)，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。理想的轧辊毛化脉冲宽度应该在几十微秒量级，脉冲的峰值功率在千瓦量级。这样的脉冲聚焦后照射轧辊表面时，轧辊表面被熔化，熔化的表面金属通过侧吹气体被吹出毛化坑，结果形成一个凹坑的同时形成一个凸台。该凸台的硬度很高，特别适合在冷轧钢板表面形成凹坑，这样的凹坑对于润滑油的储藏非常有利。本实用新型提出一种技术方法和装置，适合利用YAG激光形成上述比较理想的激光毛化脉冲，并提出相应的激光毛化装置。
实用新型内容本实用新型目的是提供一种YAG激光器及激光毛化加工装置，得到更高平均功率及单脉冲能量的激光脉冲，用于辊类表面激光毛化处理时可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化频率和毛化加工效率。本实用新型的技术方案是一种YAG激光器，包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元、Nd:YAG激励介质和由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并置于腔镜之间，同时其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位，控制机械调制盘的转速从而使得在调制周期T内激光通过Q调制压缩在时间At内以连串脉冲形式输出，At << T。一种YAG激光毛化加工装置，包括激光器系统和数控机床，数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及用于安装轧辊工件且与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖；工作平台上装有激光器系统，其中激光器系统包括采用上述YAG激光器、导光机构、扩束准直系统和激光毛化聚焦头；所述YAG激光器的机械调制盘固定于高速电机，数控机床通过电机控制机械调制盘的转速，使得在调制周期T内激光通过Q调制压缩在时间At内以一连串脉冲形式输出，At << T ；输出的激光束经导光机构、扩束准直系统，再经激光毛化聚焦头聚焦于轧辊表面进行毛化加工。[0016]本实用新型还有如下附加技术特征所述脉冲频率为IOOHz IOOkHz所述机械调制盘上的通光部位具体可以是开设于机械调制盘上带有锥度的通光圆孔；或者，所述通光部位也可以带有锥度的切口或其他形状的几何通孔；其锥度一般要求大于1 20。本实用新型可以通过以下两方面获得高重复频率一、机械调制盘的旋转速度应该足够高，通常采用每分钟数千至数万转的转速，其转速由数控机床控制；二、机械调制盘中的通光孔尽可能地多，通常开有5-100个。本实用新型中所述脉冲串组调制YAG激光器主要采用一个高速旋转的机械调制盘以实现YAG激光器的Q调制，其主要的工作原理如下机械调制盘旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元提供能量，那么将在Nd: YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘的旋转，当通光部位旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘旋转的过程中，非通光部位与通光部位交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；如果此时通过连续泵浦单元提供连续的激光能量，那么激光器将输出高重复频率、高能量的激光脉冲。本实用新型中激光器的Q调制方式采用机械Q调制，也即通过高速电机驱动机械调制盘而控制激光器谐振腔振荡的开关。在调制盘的转速不是非常高的情况下，这种Q开关属于慢开关。数控机床⑶控制高速电机(105)的转速而控制激光Q调制频率、Q调制深度和脉冲的串组输出；所述脉冲串组形式为在调制周期T内的激光通过Q调制压缩在时间 At内输出(At<<T)，输出时间At内激光以一连串小脉冲形成输出。At主要取决于机械调制盘通光孔处的线速度大小及光斑直径；通常来说，线速度越大，光斑直径越小，At 也就越小。因此，可以根据实际需要控制通光孔的线速度或选取不同关断点的光斑直径来取得At的理想值。本实用新型提出的Q调制方法特别适合于激光毛化。一方面这种方法可以关断任意高功率的激光振荡，因此可以适合高平均功率激光脉冲；另一方面通过控制激光开启的速度，从而获得脉冲串组激光输出，形成适合于激光毛化的理想激光脉冲，典型的激光脉冲串组的脉宽为几到几十微秒量级，峰值功率为千瓦量级。当所述机械调制盘上的通光部位大于一个时，这些通光部位可呈圆周等间距分布于机械调制盘上，此时当机械调制盘的转速恒定时，相邻激光脉冲的时间间隔是完全一致的，激光器输出脉冲的重复频率是恒定的。当然所述通光部位大于一个时，也可呈圆周非等间距分布于机械调制盘上，此时即使机械调制盘的转速恒定，那么激光器输出的相邻脉冲的脉冲间隔也是不一致的，重复频率不是恒定的。当YAG激光器的输出功率很高时，激光器的热透镜效应会表现得尤为突出，在一定程度下会限制激光功率的提高，因此在保证激光器功率和稳定性的同时，应该尽可能地缩小激光器的腔长。为了提高激光器的平均功率，则要求机械盘从关断过渡到开启的时间非常短，因此一般要求调制盘放置于腔体内光斑比较小的位置，而且高速电机的转速不能太低。[0025]本实用新型中所述机械调制盘的材料为具有足够高机械强度的遮光材料，例如各种金属，考虑到尽可能减小机械调制盘在旋转过程中的旋转惯量，优选比重小的材料，例如铝或合金铝材。本实用新型中所述连续泵浦单元采用连续输出的半导体泵浦单元。本实用新型中所述脉冲串组Q调制YAG激光器的输出激光光束经导光机构、扩束准直系统及激光毛化聚焦头作用而聚焦于轧辊工件表面；从而在轧辊表面获得足够高的功率密度。所述激光毛化聚焦头的焦距为10 100mm。本实用新型提供的高功率脉冲串组调制YAG激光毛化加工装置在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊工件由数控机床上的轧辊转轴和顶尖装夹，并由轧辊转轴带动旋转，其转速由数控机床控制。数控机床上的工作平台可作三维运动，其平移速度由数控机床控制。所述数控机床采用现有的设备。脉冲串组Q调制YAG激光器发出的脉冲激光束经过激光毛化聚焦头后聚焦于轧辊工件表面实施毛化加工。在数控机床对轧辊工件转速、机械调制盘转速及工作平台平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊工件表面加工形成螺旋扫描线点阵毛化坑分布。本实用新型毛化加工装置还可进一步扩展，将一台激光器扩展为多台激光器同时配合工作，加工得到需要的毛化坑分布。本实用新型的优点是1.本实用新型中采用的脉冲串组调制YAG激光器的关断由于是通过机械调制盘的非通光部位实现的，当激光被关断时实际上就等同于在激光器中直接插入了一个机械开关，因此对应的关断能力几乎是无限的。这种关断方式对激光器功率没有任何限制，可以适用于高功率激光器，从而形成足够高的激光脉冲功率和激光脉冲频率。2.本实用新型中采用的脉冲串组Q调制YAG激光器不但具有与声光脉冲调Q激光器一样的高重复频率脉冲输出，而且可以同时产生与转镜调Q、电光调Q及染料调Q等脉冲激光器一样的高峰值功率巨脉冲输出。不仅如此，该脉冲串组Q调制激光器解决了目前声光调Q脉冲激光器在实现高稳定、高重复频率、高峰值功率及高脉冲能量激光脉冲输出时的固有困难。综上所述，本实用新型借助脉冲串组Q调制激光器提供的稳定性高、重复频率高、峰值功率高及脉冲能量高、而脉宽短的脉冲激光输出，可加工更深厚度的辊类材料， 应用于激光毛化时可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化频率和毛化加工效率。3.本实用新型中激光器的Q开关属于慢开关，其输出Q调制周期内包含由一连串小脉冲组成的脉冲串组，因此激光输出脉冲能量高而峰值功率不是特别高，因此非常有利于在轧辊表面形成若干微小熔池，从而克服了声光调Q及电光调Q等激光输出单脉冲峰值功率过高而使轧辊表面气化的缺点。4.本实用新型整体结构简单，体积小，可以非常方便地放置于数控机床的三维移动工作平台，因此激光器系统得到很大程度简化。5.总之，本实用新型整体结构简单，成本低，使用寿命长，工作稳定，生产维护容易，非常适用于工业生产应用。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述[0035]
图1为本实用新型的整体外部结构示意图；图2为本实用新型中激光器系统固定于工作平台的示意图；图3为本实用新型中脉冲串组调制YAG激光器的结构原理图；图4为本实用新型中机械调制盘结构示意图，图4(a)为剖面图，图4(b)为正视图；图5为本实用新型中激光器的脉冲串组输出图；图6为本实用新型在轧辊工件表面产生的毛化坑分布示意图；图7为本实用新型两台激光器并联形式结构示意图；图8为图7示例加工效果示意图。
具体实施方式
实施例1 如
图1所示为本实用新型高功率脉冲串组调制YAG激光毛化加工装置的一种具体实施方式
，它包括激光器系统和数控机床3，所述数控机床3的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台303及用于安装轧辊工件2的轧辊转轴301和顶尖302 ；所述激光器系统安装于工作平台303，其中激光器系统包括脉冲串组调制YAG激光器1、导光机构4、 扩束准直系统5及激光毛化聚焦头6，其安装于工作平台的结构图如图2所示。结合图3所示，本实施例中所述脉冲串组Q调制激光器1的组成如下由输出透反镜102和全反镜103 构成的谐振腔、置于所述谐振腔内的连续泵浦单元101和Nd: YAG激励介质，以及置于所述谐振腔内的机械调制盘104和高速电机105。本实施例中所述连续泵浦单元101采用半导体光泵浦单元，所述机械调制盘104由铝材料制成，并置于连续泵浦单元101和输出透反镜 102之间。机械调制盘104的转轴位于连续泵浦单元101输出的激光光轴上方，并与高速电机105的输出轴相连，从而能够在高速电机105的带动下高速旋转。而在机械调制盘104 上开设两个呈圆周分布的通光锥形圆孔，其锥度为1 2，这两个通光圆锥孔可藉由机械调制盘104的转动而交替供激光光轴通过。本实用新型中脉冲串组Q调制激光器1输出的脉冲激光经导光系统4后，再经扩束准直系统5进行准直，最终由激光毛化聚焦头6聚焦于加工轧辊表面进行毛化加工。所述机械调制盘上通光孔的轴心与光轴同轴，而且其口径大于光斑直径。如图4所示，机械调制盘上的8个圆孔在调制盘上均勻分布，而且，每个圆锥的锥度为1 2。图5所示是本实用新型中Q调制激光器脉冲串组输出图，数控机床C3)控制高速电机(105)的转速而控制激光Q调制频率、Q调制深度和脉冲的串组输出；所述脉冲串组形式为在调制周期T内的激光通过Q调制压缩在时间At内输出(At<<T)，输出时间At 内激光以一连串小脉冲形成输出。图中所给的是每个脉冲串组包含3个小脉冲的激光输出图。所述脉冲串组内不同小脉冲的形状及功率随时间曲线高速电机(10 控制机械调制盘 (104)的旋转速度而具体控制。At主要由调制盘通光孔处的线速度大小及光斑直径大小决定，At为2 1OOus可调，例如当调制盘通光孔处线速度为60m/s，光斑直径为3mm时， △t大约为50us ；而当调制盘通光孔处线速度为120m/s，光斑直径3mm时，At大约为25us。 通常Q调制周期T的范围为50-1000US。本实施例中所述脉冲串组调制YAG激光器1的工作原理如下机械调制盘104旋转的过程中，其上的非通光部位旋转到激光光轴上时，相当于在激光光轴上插入一个不通光的物体，从而导致激光器无法振荡；如果此时通过连续泵浦单元101提供能量，那么将在 Nd:YAG激励介质中逐渐积累能量；随着机械调制盘104的旋转，当通光切口旋转到激光光轴上时，相当于将激光光轴上插入的不通光物体快速移出，激光器在Nd:YAG激励介质中所存储能量对应的增益作用下快速形成振荡，并实现高峰值功率短脉冲输出。在机械调制盘 104旋转的过程中，非通光部位与通光切口交替遮挡和通过激光光轴，因此激光器被周期性的关断和开启；同时由于连续泵浦单元101不断提供连续的激光能量，那么激光器就将输出恒定高重复频率、高能量的激光脉冲。结合图2可知，本实施例中YAG激光器输出的脉冲激光束经过导光系统(4)、扩束准直系统( 后，再经激光毛化聚焦头(6)聚焦于轧辊表面， 从而在轧辊表面可以获得非常高的激光能量密度。如
图1所示，本实施例在具体毛化加工时，同现有技术一样，待加工的轧辊工件2 由数控机床3上的轧辊转轴301和顶尖302装夹，并由轧辊转轴301带动旋转，其转速由数控机床3控制。数控机床3上的工作平台303可作两维运动，其平移速度由数控机床3控制；同时机械调制盘104的转速也由数控机床控制从而控制YAG激光器1的Q调制频率。所述数控机床3采用现有的设备，例如数控车床。脉冲串组调制YAG激光器1发出的脉冲激光束经导光机构4、扩束准直系统5作用后，再通过激光毛化聚焦头6聚焦而在轧辊工件表面形成1个非常小的聚焦光点，最后对轧辊工件2的表面实施毛化加工。在数控机床3对轧辊工件2转速、机械调制盘104转速及工作平台303位置及平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊工件2表面加工形成1条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体结合图6所示， 该螺旋扫描线点阵的纵向点间距根据轧辊工件2表面粗糙度要求可设为b = 50 500 μ m, 横向点间距Δ X根据轧辊工件2表面粗糙度要求也可设为50 500 μ m,螺旋扫描线螺距为 ΔΧ。上述毛化加工装置中激光器系统结构还可进一步扩展，也即将一台激光器扩展多台，并相应地为每个激光器配置导光机构、扩束准直系统和激光毛化聚焦头。其中，不同YAG 激光器的激光输出功率、Q调制频率及脉冲串组形式既可以相同，也可以不同。多台高功率脉冲串组激光器同时工作时，不但可以根据实际要求控制每台激光器的输出功率、Q调制频率及脉冲串组输出形式，而且可以通过精心设计光路系统而使聚焦光点在轧辊表面加工出所需要的毛化点阵分布形状。多台脉冲串组调制激光器以相同的激光输出并联工作时，其对轧辊表面加工的效率是单台同等激光输出的激光器加工时的多倍，因此多台激光器并联工作可以使加工效率得到成倍提高。实施例2 以两台激光器并联工作为例对其说明，如图7所示，脉冲串组调制YAG 激光器111、112发出的脉冲激光束分别经导光机构411、412，扩束准直系统511、512作用后，再经激光毛化聚焦头611、612聚焦而在轧辊工件表面形成2个非常小的聚焦光点，最后对轧辊工件2的表面实施毛化加工。在数控机床3对轧辊工件2转速、机械调制盘1114、 1124转速及工作平台303位置及平移速度的集中控制下，所述聚焦光点在轧辊工件2表面加工形成2条螺旋扫描线点阵毛化坑分布，具体结合图6所示，激光器111、112在轧辊表面的螺旋扫描线点阵的纵向点间距分别为bl、b2，主要是根据轧辊工件2表面粗糙度要求而分别控制轧辊主轴转速及激光器111、112的调Q频率可得，一般情况下有bl、= 50 500 μ m ；激光器111、112发出的脉冲激光束分别经激光毛化聚焦头611、612聚焦在轧辊表面产生的两条螺旋线横向间距为a，而螺旋扫描线螺距为ΔΧ，实际系统中a和ΔΧ都可根据实际轧辊表面粗糙度的要求而控制，通常情况下a = 50 500 μ m，Δ X = 100 1000 μ m。 图8为图7示例加工效果示意图。 当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种YAG激光器，包括由输出透反镜和全反镜构成的谐振腔及置于所述谐振腔内的连续泵浦单元、NdiYAG激励介质和由高速电机带动旋转的机械调制盘，所述机械调制盘由遮光材料制成并置于腔镜之间，同时其上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位，控制机械调制盘的转速从而使得在调制周期T内激光通过Q调制压缩在时间At内以连串脉冲形式输出，At << T0
2.根据权利要求1所述的YAG激光器，其特征在于，所述脉冲频率为IOOHz IOOkHz。
3.根据权利要求1或2所述的YAG激光器，其特征在于，所述机械调制盘上开有多于1 个的呈圆周均勻分布且具有锥度的通光孔，其锥度大于1 20。
4.一种YAG激光毛化加工装置，包括激光器系统和数控机床，数控机床的床身上装有通过平移导轨驱动的工作平台及用于安装轧辊工件且与平移导轨平行的轧辊转轴和顶尖； 工作平台上装有激光器系统，其中激光器系统包括采用权利要求1所述的YAG激光器、导光机构、扩束准直系统和激光毛化聚焦头；所述YAG激光器的机械调制盘固定于高速电机，数控机床通过电机控制机械调制盘的转速，使得在调制周期T内激光通过Q调制压缩在时间 Δ t内以一连串脉冲形式输出，Δ t << T ；输出的激光束经导光机构、扩束准直系统，再经激光毛化聚焦头聚焦于轧辊表面进行毛化加工。
5.根据权利要求4所述的高功率脉冲串组调制YAG激光毛化加工装置，其特征在于，所述激光毛化聚焦头的焦距为10 100mm。
6.根据权利要求4或5所述的高功率脉冲串组调制YAG激光毛化加工装置，其特征在于，所述激光器为一台或一台以上。
专利摘要本实用新型公开了一种激光产生方法，在激光器的谐振腔内放入一由遮光材料制成的机械调制盘，调制盘上设有至少一个供激光光轴穿过的通光部位，控制机械调制盘的转速从而使得在调制周期T内激光通过Q调制压缩在时间Δt内以连串脉冲形式输出。本实用新型还提供了实现上述方法的YAG激光器及激光毛化加工装置。本实用新型具有平均功率高、单脉冲能量高及重复频率高等优点，可加工更深厚度的辊类材料，应用于激光毛化时可产生更深的毛化点和表面粗糙度，获得更高的毛化频率和毛化加工效率。
文档编号B23K26/36GK201940747SQ20102066422
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘著新, 梁乔春, 王英, 陈培锋 申请人:华中科技大学