[發明專利]分光式激光毛化調制裝置

無效

• 申請號: 200710041118.9
• 申請日: 2007-05-24
• 公開（公告）號: CN101053924A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 胡德金;萬大平;王裕明;歸振興;劉紅斌
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23K26/06
• 分類號: B23K26/06;B23K26/36
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種用于激光加工技術領域的光束傳輸系統，特別是一種用于激光毛化加工的分光式激光毛化調制裝置。

背景技術

激光毛化是鋼鐵工業為了生產優質鋼板而新近發展起來的冷軋鋼輥毛化新技術。激光毛化軋輥時，高能量密度、高重復頻率的脈沖激光束，聚集照射到軋輥表面，形成若干微小熔池，同時輔助氣體側吹熔池中的熔融物，按指定要求堆積到熔池邊緣；光脈沖作用停止后，微坑熔融物迅速冷卻，形成表面硬化的微坑和坑邊凸臺結構。連續激光經過激光調制盤調制形成脈沖激光，用于冶金軋輥的毛化，可提高表面粗糙度均勻性和各向同性。高重復頻率脈沖激光是獲得高峰值功率，減小熱影響區的有效方法。YAG調Q脈沖激光模式較差，平均功率較低，用于大型冷軋輥的毛化加工時表面粗糙度不高，毛化效率較低，采用高光束質量的CO₂連續激光進行脈沖調制后可克服這些不足。

經對現有技術的文獻檢索發現，美國專利US4,462,660和US4,885,751，以及中國專利：一種用于激光調制的轉盤(99814313.8)，提供了一種激光調制盤，盤面開有等間距圓周分布的透孔，透孔與盤面形成截面為四邊形的反射齒。當激光束通過透孔時，在被加工物表面形成凹坑，當激光束照射到反射齒上時則反射激光到被加工物面產生預熱和淬火效果。然而，這反射區域并不總是和直接照射區域匹配，這導致預熱區對毛化作用不大。當聚焦長度短時，預熱或淬火效果不顯著，斬光盤擋光不完全。斬光盤必須靠近加工面，否則會加工出連續的螺旋線而非孤立的毛化點。通過把高速旋轉的機械式斬光盤置于聚焦透鏡和工件之間來獲得脈沖激光束，轉盤離工件距離較近，激光加工時會對斬光盤造成污染。另外，該裝置聚焦距離較長，難以獲得較小的焦斑，并且光斑大小及位置也無法進行調整，斬光盤形狀復雜，無法獲得滿意的加工精度，斬光盤旋轉時阻力較大，難以達到每分鐘一萬轉以上的轉速，對輔助氣體的側吹也會產生影響。因此光束調制裝置需要重新設計。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種分光式激光毛化調制裝置，使其提高CO₂激光毛化軋輥的質量，根據光束經過光學系統的變換與傳輸特性，采用離焦式望遠鏡和光束變換組合鏡系統對激光束進行擴束、準直、聚焦，其機械式分光轉盤使連續激光調制成設定頻率的脈沖激光，當激光束通過斬光盤透孔時，可在軋輥表面形成一定粗糙度和密度形貌的毛化坑。當激光束通過光束變換組合鏡反射到加工表面時，進行預熱和淬火，同時可調節焦點位置以及散焦程度，達到先預熱后毛化的效果。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括連續激光發生器、擴束望遠鏡、分光轉盤、光束變換組合鏡、聚焦鏡和軋輥。擴束望遠鏡位于連續激光發生器與聚焦鏡之間，分光轉盤和光束變換組合鏡位于擴束望遠鏡之間，分光轉盤插入于光束變換組合鏡中間，聚焦鏡位于軋輥上方。連續激光發生器發出的連續激光束，經過旋轉的分光轉盤分光后變成脈沖光，光束變換組合鏡對分光轉盤反射分光后的光束進行光路移位和變換，最后脈沖激光束經擴束望遠鏡擴束后由聚焦鏡聚焦到軋輥上。

所述的光束變換組合鏡由第一拋物面反射鏡、第二拋物面反射鏡和第一平面反射鏡、第二平面反射鏡組成，第一拋物面反射鏡、第二拋物面反射鏡分別位于分光轉盤左右兩側，第一平面反射鏡、第二平面反射鏡分別位于第一拋物面反射鏡、第二拋物面反射鏡下側，入射光束經分光轉盤上表面反射后由第一拋物面反射鏡會聚并使光路發生轉折，然后光束經第一平面反射鏡、第二平面反射鏡改變方向后，再由第二拋物面反射鏡會聚到分光轉盤下底面上反射輸出，可上下左右移動第二拋物面反射鏡和第二平面反射鏡與分光轉盤的相對位置，以改變反射輸出光束的腰斑大小和位置。第一拋物面反射鏡、第二拋物面反射鏡與擴束望遠鏡相互共焦，連續激光發生器發出的激光束，經過擴束望遠鏡物鏡后的入射激光束及分光轉盤對其的反射激光束的光束焦點對分光轉盤是離焦的，另外由第二拋物面反射鏡會聚到分光轉盤上的光束焦點對分光轉盤也是離焦的，離焦量的設計要保證分光轉盤上反射點的功率密度滿足散熱要求，可采用風冷進行散熱。