YAG激光毛化技术设计与改进研究-工业论文发表

摘要：近十年才诞生的激光毛化技术，可以加工表面硬度极高的轧辊，延长轧辊使用寿命；激光毛化轧辊表面粗糙度均匀、可控，能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能；且加工过程无噪声、无污染。特别是YAG激光毛化技术已经深入应用于工业生产，为此，探讨了YAG激光毛化技术的基本原理和特性，重点讨论了其存在的一些不足点和可改善性问题。
关键词：激光毛化；YAG激光；轧辊
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。
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。
1  YAG激光毛化系统设计图1：Nd:YAG毛化系统结构图
图1为Nd:YAG激光毛化系统的系统结构图。总控系统1控制激光器电源（电源开关信号和功率大小调节信号），控制水冷系统和机床关断，并和安装在机床上的加工控制面板2是双向信号控制，加工过程中就不需要对总控系统操作，只需要操作控制面板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。控制面板安装在机床移动架3上，跟随着激光加工头4一起运动。
图2：毛化系统控制原理图
控制面板能够对机床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摄象机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，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
2 YAG激光器应用于毛化技术的缺点：
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。
另外，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。
3小结：
如果想要提高系统效率，可使用半导体激光器代替YAG激光器，实验研究表明使用半导体激光器的激光毛化系统，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。
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。半导体激光器密封单元安装与激光加工头一起运动，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。