一种激光毛化加工的分光式激光毛化调制装置，包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、光束变换组合镜、聚焦镜和轧辊。扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方。连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。使用本发明专利技术光束调制装置加工的毛化轧辊表面具有各向同性和均匀一致的粗糙度，以及较高的耐磨性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种用于激光加工
的光束传输系统，特别是一种用于激光毛化加工的分光式激光毛化调制装置。
技术介绍
激光毛化是钢铁工业为了生产优质钢板而新近发展起来的冷轧钢辊毛化新技术。激光毛化轧辊时，高能量密度、高重复频率的脉冲激光束，聚集照射到轧辊表面，形成若干微小熔池，同时辅助气体侧吹熔池中的熔融物，按指定要求堆积到熔池边缘；光脉冲作用停止后，微坑熔融物迅速冷却，形成表面硬化的微坑和坑边凸台结构。连续激光经过激光调制盘调制形成脉冲激光，用于冶金轧辊的毛化，可提高表面粗糙度均匀性和各向同性。高重复频率脉冲激光是获得高峰值功率，减小热影响区的有效方法。YAG调Q脉冲激光模式较差，平均功率较低，用于大型冷轧辊的毛化加工时表面粗糙度不高，毛化效率较低，采用高光束质量的CO2连续激光进行脉冲调制后可克服这些不足。经对现有技术的文献检索发现，美国专利US4,462,660和US4,885,751，以及中国专利一种用于激光调制的转盘(99814313.8)，提供了一种激光调制盘，盘面开有等间距圆周分布的透孔，透孔与盘面形成截面为四边形的反射齿。当激光束通过透孔时，在被加工物表面形成凹坑，当激光束照射到反射齿上时则反射激光到被加工物面产生预热和淬火效果。然而，这反射区域并不总是和直接照射区域匹配，这导致预热区对毛化作用不大。当聚焦长度短时，预热或淬火效果不显著，斩光盘挡光不完全。斩光盘必须靠近加工面，否则会加工出连续的螺旋线而非孤立的毛化点。通过把高速旋转的机械式斩光盘置于聚焦透镜和工件之间来获得脉冲激光束，转盘离工件距离较近，激光加工时会对斩光盘造成污染。另外，该装置聚焦距离较长，难以获得较小的焦斑，并且光斑大小及位置也无法进行调整，斩光盘形状复杂，无法获得满意的加工精度，斩光盘旋转时阻力较大，难以达到每分钟一万转以上的转速，对辅助气体的侧吹也会产生影响。因此光束调制装置需要重新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分光式激光毛化调制装置，使其提高CO2激光毛化轧辊的质量，根据光束经过光学系统的变换与传输特性，采用离焦式望远镜和光束变换组合镜系统对激光束进行扩束、准直、聚焦，其机械式分光转盘使连续激光调制成设定频率的脉冲激光，当激光束通过斩光盘透孔时，可在轧辊表面形成一定粗糙度和密度形貌的毛化坑。当激光束通过光束变换组合镜反射到加工表面时，进行预热和淬火，同时可调节焦点位置以及散焦程度，达到先预热后毛化的效果。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、光束变换组合镜、聚焦镜和轧辊。扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方。连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。所述的光束变换组合镜由第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜和第一平面反射镜、第二平面反射镜组成，第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜分别位于分光转盘左右两侧，第一平面反射镜、第二平面反射镜分别位于第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜下侧，入射光束经分光转盘上表面反射后由第一抛物面反射镜会聚并使光路发生转折，然后光束经第一平面反射镜、第二平面反射镜改变方向后，再由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘下底面上反射输出，可上下左右移动第二抛物面反射镜和第二平面反射镜与分光转盘的相对位置，以改变反射输出光束的腰斑大小和位置。第一抛物面反射镜、第二抛物面反射镜与扩束望远镜相互共焦，连续激光发生器发出的激光束，经过扩束望远镜物镜后的入射激光束及转盘对其的反射激光束的光束焦点对转盘是离焦的，另外由第二抛物面反射镜会聚到分光转盘上的光束焦点对分光转盘也是离焦的，离焦量的设计要保证分光转盘上反射点的功率密度满足散热要求，可采用风冷进行散热。所述的分光转盘圆周开有一定间距分布的透孔，孔径大于入射光斑大小，孔壁与分光转盘外表面角度为45°，分光转盘的上反射面与下底面平行，分光转盘上表面面向扩束望远镜物镜和入射激光束，下底面面向扩束望远镜目镜，分光转盘左面面向光束变换组合镜中第一抛物面反射镜，分光转盘右面面向光束变换组合镜中第二抛物面反射镜，分光转盘与入射激光束光轴间呈45°夹角，离焦放置在扩束望远镜以及抛物面反射镜焦点附近，分光转盘由高速电机带动绕其中心轴旋转，分光转盘采用导电体材料铜、铝或钢，分光转盘反射面镀有铜膜或金膜，以提高反射面的反射率。本专利技术为了达到毛化轧辊的聚焦要求，采用扩束望远镜变换高斯光束，对入射光束进行扩束、准直和聚焦，将激光束高度会聚于工件表面，获得设定的光斑直径和能量密度，可以通过调节失调量来调节扩束望远系统出射光束的束腰位置。采用抛物面反射和平面反射组合镜对激光束进行反射和聚焦，采用反射激光束进行预热，透射激光束进行毛化，透射光束聚焦在工件表面下形成一小的熔凝冲击区，反射激光束也可以变换成毛化光束。分光转盘和组合聚焦镜距待毛化处理的表面足够远以避免污染。光束轴线的偏移通过移动该组合镜位置来调节，进而影响预热聚焦光斑的位置和大小，预热光斑强度被调整到接近被处理材料熔点，预热区覆盖整个毛化光斑。工作时，连续激光发生器激光处理头沿着旋转的轧辊移动，分光转盘逆时针旋转、轧辊顺时针旋转，当激光束被分光转盘反射面反射时，激光束通过光束变换组合镜经反射聚焦后对轧辊表面进行预热及强化。当分光转盘转到透孔时，激光束通过扩束望远镜、聚焦镜聚焦到轧辊表面进行融化，毛化区域必须落在预热区域上，才能达到良好的预热效果和毛化作用，其功率密度在几百千瓦以上，在侧吹气流的作用下形成火山坑状、硬度极高的毛化形貌。预热及毛化光点偏移量的确定按照被处理表面的材料特性以及运动、几何参数由调节装置进行调节，比如调节焦距、脉冲频率、处理速度等。另外可调节参数使反射聚焦光斑与透射焦斑具有相同的焦斑尺寸与能量密度，并间隔一定的距离，实现双点毛化的效果。本专利技术的有益效果是针对激光毛化加工中的特殊要求，利用大功率CO2激光器和分光转盘对轧辊进行毛化，其平均功率一般为1.3～2.5kW，调制频率为2kHz～35kHz，采用惰性辅助气体侧吹，最终可以获得均布分离的火山坑状毛化点，毛化速率可达到每秒1万点以上。新型激光束调制分光系统提高了CO2激光毛化轧辊的质量，采用机械式分光转盘使激光束交替透射与反射到加工表面，达到先预热后毛化或双点毛化的效果。本专利技术可以获得较合理的聚焦光斑和能量密度，可使毛化点实现有效的预热淬火和毛化；加工的毛化轧辊表面具有各向同性和均匀一致的粗糙度，毛化硬度可以达到HV900以上，毛化轧辊具有较高的耐磨性。附图说明图1为本专利技术结构示意2为本专利技术分光转盘结构示意3为本专利技术分光转盘剖视图具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。为了获得较高的毛化功率密度，以及使聚焦镜远离被处理的工件，可在激光加工系统的导光系统中加入一个扩束望远镜，以减小激光束的发散角，然后本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分光式激光毛化调制装置，包括连续激光发生器、扩束望远镜、分光转盘、聚焦镜和轧辊，其特征在于，还包括光束变换组合镜；扩束望远镜位于连续激光发生器与聚焦镜之间，分光转盘和光束变换组合镜位于扩束望远镜之间，分光转盘插入于光束变换组合镜中间，聚焦镜位于轧辊上方；连续激光发生器发出的连续激光束，经过旋转的分光转盘分光后变成脉冲光，光束变换组合镜对分光转盘反射分光后的光束进行光路移位和变换，最后脉冲激光束经扩束望远镜扩束后由聚焦镜聚焦到轧辊上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡德金，万大平，王裕明，归振兴，刘红斌，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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