YAG激光毛化技術(shù)設(shè)計(jì)與改進(jìn)研究-工業(yè)論文發(fā)表

摘要：近十年才誕生的激光毛化技術(shù)，可以加工表面硬度極高的軋輥，延長(zhǎng)軋輥使用壽命；激光毛化軋輥表面粗糙度均勻、可控，能明顯改善毛化板深沖性能和涂鍍性能；且加工過程無噪聲、無污染。特別是YAG激光毛化技術(shù)已經(jīng)深入應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，為此，探討了YAG激光毛化技術(shù)的基本原理和特性，重點(diǎn)討論了其存在的一些不足點(diǎn)和可改善性問題。
關(guān)鍵詞：激光毛化；YAG激光；軋輥
The  Research  of  YAG  Laser  Texturing  Technology
YANG Guo-fang，WANG Jian-sheng，KANG Xian-min
Abstract:Over the past ten years before the birth of laser texturing technology,high surface hardness can be processed roll,to extend the service life;laser textured roll surface roughness,uniform,controllable,can significantly improve the performance of textured panels and painted dark red plating performance;in addition no noise,no pollution.especially YAG laser texturing of the basic principles of technology an features focused on the existence of some of the lack of points and issues can be improved.
Key words:laser texturing ;YAG laser ;mill work rolls

激光毛化是用高能量密度、高重復(fù)頻率的脈沖激光束聚焦照射到軋輥表面，軋輥表面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成若干微小熔池，輔以一定成分和壓力的氣體沿一定角度側(cè)吹熔池中的熔融物，使其按一定要求堆積到熔池邊緣，當(dāng)光脈沖移開工作點(diǎn)后，微坑熔融物靠軋輥?zhàn)陨頍醾鲗?dǎo)作用迅速冷卻，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑邊凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，激光脈沖束以一定速度沿軋輥軸向作勻速運(yùn)動(dòng)（速度的快慢可調(diào)），在整個(gè)輥面形成相變剛性質(zhì)點(diǎn)。
要完成激光毛化過程，需要有激光能量束與軋輥的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可分為：軋輥運(yùn)動(dòng)方式、激光能量束運(yùn)動(dòng)方式和二者混合運(yùn)動(dòng)方式三種。其中激光能量束運(yùn)動(dòng)方式又分成激光加工頭運(yùn)動(dòng)和激光器運(yùn)動(dòng)。YAG激光毛化系統(tǒng)使用激光頭運(yùn)動(dòng)而軋輥不動(dòng)的毛化方式，造成軋輥毛化過程中光程相差比較大。由于激光從諧振腔出來后不是平行光束，具有一定的發(fā)散角，所以在毛化過程中不同位置的光斑大小不同，造成毛化坑的大小不一樣。尤其是毛化長(zhǎng)度較大的軋輥時(shí)，差別更為明顯，在實(shí)際的毛化結(jié)果中表現(xiàn)為軋輥的初始毛化面和最后的毛化面顏色不一樣，光程遠(yuǎn)的毛化點(diǎn)由于光斑直徑大，功率密度小，顏色淺，光程近的光斑直徑小，激光功率密度大，顏色深。
1  YAG激光毛化系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1：Nd:YAG毛化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1為Nd:YAG激光毛化系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。總控系統(tǒng)1控制激光器電源（電源開關(guān)信號(hào)和功率大小調(diào)節(jié)信號(hào)），控制水冷系統(tǒng)和機(jī)床關(guān)斷，并和安裝在機(jī)床上的加工控制面板2是雙向信號(hào)控制，加工過程中就不需要對(duì)總控系統(tǒng)操作，只需要操作控制面板2就能夠?qū)庸?shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。水冷系統(tǒng)通過水位水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適時(shí)監(jiān)控，保證激光毛化過程中激光腔體內(nèi)和聲光調(diào)Q裝置的高效率工作?？刂泼姘灏惭b在機(jī)床移動(dòng)架3上，跟隨著激光加工頭4一起運(yùn)動(dòng)。
圖2：毛化系統(tǒng)控制原理圖
控制面板能夠?qū)C(jī)床5的走刀速度、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，聲光調(diào)Q設(shè)備和保護(hù)氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。聲光調(diào)Q設(shè)備安裝在光路傳輸過程中，能夠調(diào)節(jié)激光器6中出來的激光脈寬和激光頻率等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高重脈沖的調(diào)制。調(diào)制后的光束通過光路傳輸7、最后聚焦，照射到固定在機(jī)床上的軋輥表面8，進(jìn)行毛化加工。并在加工頭的另一端安裝同軸CCD攝象機(jī)9，將毛化效果反應(yīng)到顯示器10上，方便毛化過程相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。激光束照射到軋輥表面，設(shè)定好走刀速度、主軸旋轉(zhuǎn)頻率和激光束參數(shù)等，開始毛化加工，移動(dòng)架3按照設(shè)定速度從軋輥一端走到另一端后，一次毛化加工結(jié)束
2 YAG激光器應(yīng)用于毛化技術(shù)的缺點(diǎn)：
1.能量轉(zhuǎn)換效率低，YAG激光器最高的轉(zhuǎn)換效率在3%左右，所以整個(gè)毛化系統(tǒng)的功耗大。
2.由于YAG激光器泵浦源一般為氙燈，需要定期更換，一般為3個(gè)月左右，對(duì)于毛化設(shè)備的買方和和賣方都是一筆較高的成本，還需要專業(yè)的技術(shù)人員來操作更換，相對(duì)比較麻煩。
3.  由于經(jīng)常的更換泵浦等，所以激光器不能夠被密封，一方面容易使灰塵等雜物進(jìn)入激光器內(nèi)部，更重要的是由于工廠環(huán)境溫度與激光器內(nèi)部溫差大，很容易在激光器晶體上結(jié)露，這樣影響了激光器的運(yùn)行效率和壽命。
另外，由于能量轉(zhuǎn)換效率比較低，大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱量，這部分熱量需要及時(shí)的散發(fā)出去，所以YAG激光毛化系統(tǒng)需要大功率的冷水機(jī)，增加了系統(tǒng)的笨重。同時(shí)，激光器與機(jī)床相距一定的距離，需要有光路保護(hù)，而且光路調(diào)試起來不那么容易等。
3小結(jié)：
如果想要提高系統(tǒng)效率，可使用半導(dǎo)體激光器代替YAG激光器，實(shí)驗(yàn)研究表明使用半導(dǎo)體激光器的激光毛化系統(tǒng)，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率從原來的大約3%提高到50%左右，所以系統(tǒng)的功耗下降，并且不需要高功率的冷卻系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器的泵浦源為二極管，壽命達(dá)到上萬小時(shí)，所以避免了YAG激光器中經(jīng)常更換氙燈的麻煩。
使用半導(dǎo)體激光器的激光毛化系統(tǒng)，由于激光器的能量轉(zhuǎn)換效率從原來的大約3%提高到50%左右，所以系統(tǒng)的功耗下降，并且不需要高功率的冷卻系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器的泵浦源為二極管，壽命達(dá)到上萬小時(shí)，所以避免了YAG激光器中經(jīng)常更換氙燈的麻煩，更重要的是能夠把半導(dǎo)體激光器密封起來，里面抽為真空或者充滿惰性氣體，避免了由于環(huán)境與晶體的溫差造成的結(jié)露，提高了晶體的運(yùn)行效率和運(yùn)行時(shí)間。半導(dǎo)體激光器密封單元安裝與激光加工頭一起運(yùn)動(dòng)，二者同向同速行走，避免了YAG激光毛化系統(tǒng)中光程不等的缺陷，特別對(duì)大型毛化軋輥，保證毛化坑直徑大小基本相同。