一种使用高功率二极管泵浦半导体激光器的激光毛化系统的制作方法

本实用新型涉及激光毛化系统设备技术领域，具体为一种使用高功率二极管泵浦半导体激光器的激光毛化系统。

背景技术：

激光毛化是用高能量密度、高重复频率的脉冲激光束聚焦照射到轧辊表面，轧辊表面作旋转运动，形成若干微小熔池，辅以一定成分和压力的气体沿一定角度侧吹熔池中的熔融物，使其按一定要求堆积到熔池边缘，当光脉冲移开工作点后，微坑熔融物靠轧辊自身热传导作用迅速冷却，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构。同时，激光脉冲束以一定速度沿轧辊轴向作匀速运动(速度的快慢可调)，在整个辊面形成相变刚性质点(毛化坑和坑边凸台)。

目前市场使用Nd：YAG激光器应用于毛化系统中，具有以下的缺点：

1.能量转换效率低，YAG激光器最高的转换效率在3％左右，所以整个毛化系统的功耗大。

2.由于YAG激光器泵浦源一般为氙灯，需要定期更换，一般为3个月左右，对于毛化设备的买方和和卖方都是一笔较高的成本，还需要专业的技术人员来操作更换，相对比较麻烦。

3.由于经常的更换泵浦等，所以激光器不能够被密封，一方面容易使灰尘等杂物进入激光器内部，更重要的是由于工厂环境温度与激光器内部温差大，很容易在激光器晶体上结露，这样影响了激光器的运行效率和寿命。

4.要完成激光毛化过程，需要有激光能量束与轧辊的相对运动，可分为：轧辊运动方式、激光能量束运动方式和二者混合运动方式三种。其中激光能量束运动方式又分成激光加工头运动和激光器运动。YAG激光毛化系统使用激光头运动而轧辊不动的毛化方式，造成轧辊毛化过程中光程相差比较大。由 于激光从谐振腔出来后不是平行光束，具有一定的发散角，所以在毛化过程中不同位置的光斑大小不同，造成毛化坑的大小不一样。尤其是毛化长度较大的轧辊时，差别更为明显，在实际的毛化结果中表现为轧辊的初始毛化面和最后的毛化面颜色不一样，光程远的毛化点由于光斑直径大，功率密度小，颜色浅，光程近的光斑直径小，激光功率密度大，颜色深。

5.由于能量转换效率比较低，大部分能量被转化为热量，这部分热量需要及时的散发出去，所以YAG激光毛化系统需要大功率的冷水机，增加了系统的笨重。同时，激光器与机床相距一定的距离，需要有光路保护，而且光路调试起来不那么容易等。

为解决上述问题，因此，我们提出一种使用高功率二极管泵浦半导体激光器的激光毛化系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种使用高功率二极管泵浦半导体激光器的激光毛化系统，解决了背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种使用高功率二极管泵浦半导体激光器的激光毛化系统，包括总控制系统、机床、激光器和机床移动架，总控制系统连接激光器电源、水冷系统和机床关断，并和安装在机床上的加工控制面板为双向信号控制，控制面板安装在机床移动架上，所述机床移动架上安装设有激光加工头、CCD摄像机和显示器，所述机床的一侧安装设有轧辊表面，激光器包括YAG激光器和半导体激光器，YAG激光器调制后的光束通过光路传输照射到轧辊表面上，且YAG激光器安装设于总控制系统的一侧。

优选的，所述密封单元安装在移动架上，且密封单元由半导体激光器使用密封罩封闭，所述密封罩底板留有四个孔，且密封罩上根据加工头的几何尺寸开一个连接口。

优选的，所述激光加工头的嘴心与轧辊中心轴在一个水平面上。

优选的，所述密封单元与激光加工头为同向同速行走，并且通过弹性模量比较大的钢板连接移动架。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型通过使用200W二极管泵浦高功率半导体激光器密封单元代替Nd：YAG固体激光器，此毛化系统能量转换效率高，结构简单，而且能够避免YAG激光毛化系统的光程不等的缺陷。

2、本实用新型通过半导体激光器密封单元是用密封罩密封半导体激光器，里面抽为真空或充满惰性气体，防止激光器晶体结露，提高激光器的运行效率和运行时间，同时密封单元与激光加工头实现同向同速加工，保证激光头从轧辊一端移动到另一端过程中等光程加工。

附图说明

图1是Nd：YAG激光器毛化系统结构图；

图2是激光毛化系统控制原理图；

图3是200W大功率半导体激光器密封单元毛化系统工作结构图；

图4为半导体激光器密封单元11剖面图；

图中：1-总控制系统，2-加工控制面板，3-机床移动架，4-激光加工头，5-机床，6-YAG激光器，7-光路传输，8-轧辊表面，9-CCD摄像机，10-显示器，11-密封单元，12-移动架，13-密封罩，14-半导体激光器，15-连接口，16-孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 实用新型保护的范围。

根据图1-2可以看出，总控制系统1连接激光器电源、水冷系统和机床关断，并和安装在机床5上的加工控制面板2是双向信号控制，加工过程中就不需要对总控制系统1操作，只需要加工操作控制面板2就能够对加工参数进行调节。水冷系统通过水位水压监测系统适时监控，保证激光毛化过程中激光腔体内和声光调Q装置的高效率工作，加工控制面板2安装在机床移动架3上，所述机床移动架3上安装设有激光加工头4，机床5的一侧安装设有轧辊表面8，YAG激光器6调制后的光束通过光路传输7照射到轧辊表面8上，跟随着一起运动，加工控制面板2能够对机床5的走刀速度、转动频率，声光调Q设备和保护气系统实时控制，声光调Q设备安装在光路传输过程中，能够调节YAG激光器6中出来的激光脉宽和激光频率等参数，实现高重脉冲的调制。调制后的光束通过光路传输7、最后聚焦，照射到固定在机床5上的轧辊表面8，进行毛化加工。并在加工头的另一端安装同轴CCD摄像机9，将毛化效果反应到显示器10上，方便毛化过程相关参数的调节。激光束照射到轧辊表面，设定好走刀速度、主轴旋转频率和激光束参数等，开始毛化加工，机床移动架3按照设定速度从轧辊一端走到另一端后，一次毛化加工结束。

本实用新型的目的在于克服Nd：YAG激光器应用于激光毛化过程中的缺陷(1)使用体积小，结构紧凑的200W大功率半导体激光器密封单元代替Nd：YAG固体激光器，提高系统的能量转换效率，达到50％左右。(2)由于半导体泵浦源二极管运行时间达到万小时，所以激光器不需要经常性的换灯，将半导体激光器密封单元固定于机床移动架上，使激光器与激光加工头同向同速行走，克服YAG激光毛化过程中激光头移动而轧辊不动，光程不等的缺点。(3)用密封罩密封半导体激光器，里面抽成真空或充满惰性气体，激光器晶体在真空环境下，可以防止晶体表面结露，提高激光器运行效率和运行时间。(4)为了减少激光器在移动架移动过程中的轻微震动对光路和腔体的影响，使用 刚性弹簧安装激光器底板与移动架的连接螺纹孔中。(5)为了保证毛化效果，光路调试要保证激光光斑中心、激光加工头嘴心、轧辊的轴心线基本在一个水平面上。(6)为了实现半导体激光器密封单元与激光加工头的同向同速行走，使用弹性模量比较大的钢板连接它们所固定的移动架。

下面结合附图对本实用新型技术方案进行说明：

从图3看出，密封单元11代替YAG激光器6应用于激光毛化系统中，被安装在新增加的移动架12上，半导体激光器14出光后通过45度反射镜和聚焦镜将光打在旋转轧辊上，移动架3和移动架12在激光毛化过程中要保证同向同速行走，在两移动架之间使用弹性模量较大的钢板连接，调节机床5的走刀速度、机床主轴频率和激光加工参数，实现毛化加工。在安装半导体激光器14的时候，保证激光束光斑中心、激光加工头与轧辊的中心线在同一个水平线上，保证毛化效果。

图4指出密封单元11由半导体激光器14使用密封罩13封闭，里面抽为真空，防止晶体与外界环境温差太大影响运行效率和使用寿命。为了防止激光毛化过程的轻微振动对光路的影响，在密封罩底板留有四个孔16，作为使用紧固弹簧与移动架的连接螺纹孔。同时密封罩上根据加工头的几何尺寸开一个连接口15，实现光的传输。

使用半导体激光器的激光毛化系统，由于激光器的能量转换效率从原来的大约3％提高到50％左右，所以系统的功耗下降，并且不需要高功率的冷却系统。半导体激光器的泵浦源为二极管，寿命达到上万小时，所以避免了YAG激光器中经常更换氙灯的麻烦，更重要的是能够把半导体激光器密封起来，里面抽为真空或者充满惰性气体，避免了由于环境与晶体的温差造成的结露，提高了晶体的运行效率和运行时间。密封单元11安装与激光加工头4一起运动，二者同向同速行走，避免了YAG激光毛化系统中光程不等的缺陷，特别对大型毛化轧辊，保证毛化坑直径大小基本相同。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。