CN2920503Y - 轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：该装置包括脉冲电源、高重频脉冲激光发生器、放电电极、控制装置，所述脉冲电源的两极分别连接所述待加工轧辊及放电电极，所述放电电极设置于靠近所述激光发生器的激光焦点处，并且所述放电电极与待加工轧辊之间留有间距，所述控制装置控制所述脉冲电源及所述高重频脉冲激光发生器的工作。该装置指向性好、工作频率高、功率大、毛化分布与均匀性可控制性好。

Description

轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置

技术领域

本发明涉及一种金属材料的表面加工设备。

背景技术

优质的冷轧薄钢板表面要求具有一定的粗糙度形貌，以改善钢板的成型性能和涂镀性能。生产优质冷轧薄板，首先要对轧机工作辊表面进行毛化造形，然后轧机使用毛化轧辊轧制出所需粗糙度形貌的冷轧毛化薄板。目前，轧辊的毛化技术包括喷丸毛化(SBT)、电火花毛化(EDT)、激光毛化(LT)和电子束毛化(EBT)，喷丸毛化是用压缩空气把硬质钢砂高速喷射到轧辊表面，依靠钢砂的动能冲击使轧辊表面塑性变形而改变表面形貌；电火花毛化是用多对电极，在电介质油液中对轧辊表面放电熔凝造形；激光毛化技术又分为两种，CO₂激光毛化是采用高速旋转的机械斩波器阻断聚焦的激光束形成脉冲激光，对轧辊表面进行熔凝毛化。YAG激光毛化是通过声一光调Q开关控制激光腔内的增益，从而形成高重复频率脉冲激光束对轧辊表面实现毛化，如本申请人在1992年提出的专利申请；电子束毛化是用电子枪产生电子束，经磁透镜聚焦对辊面实行毛化，毛化***和轧辊必须在真空环境下加工。以上毛化方法从轧辊表面毛化的粗糙形貌看，其表面形貌结构又分为两类：随机分布毛化和可控分布毛化，喷丸毛化及电火花毛化属不可控的随机分布毛化，而激光毛化和电子束毛化属于可控分布毛化。

轧辊的随机分布毛化，是由高速喷射砂丸反复撞击辊面或通过多对电极在介质油中反复向辊面多次放电熔凝而成，由于毛化过程不可控制，辊面的作用强化点常有重叠，粗糙度均匀性较差，而且强化点之间存在大量连通的微细沟槽，不利于受力状况下润滑油、液的储存，在板材成型时，不利于材料变形流动，在一定程度上影响了深冲性能。

采用激光束和电子束对轧辊表面的可控毛化，由于激光和真空中的电子束均是直线传播，方向性极佳，在计算机控制下，每个毛化点在辊面上的作用位置可精确控制，因此毛化粗糙度的均匀性好。同时，毛化点为均布的孤立微坑存在，每个微坑储油润滑不易流失，在板材成形时能有效降低摩擦系数，提高深冲和涂镀性能。因此在开发生产高质量冷轧薄板带箔时，可控分布毛化技术越来越显示出优势。但可控分布毛化，均是采用单束光(或电子束)毛化，其毛化速度不如喷丸毛化和电火花毛化(往往采用多对电极放电)快。特别是固态YAG激光毛化调制高重复频率所必须的声-光Q开关受驱动功率限制，难使激光毛化激光器功率进一步提高，以满足轧辊更高速毛化和高粗糙度毛化的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种速度快、指向性好、工作频率高、功率大、毛化分布的均匀性可控制性好的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，该装置包括脉冲电源、高重频脉冲激光发生器、放电电极、控制装置，所述脉冲电源的两极分别连接所述待加工轧辊及放电电极，所述放电电极设置于靠近所述激光发生器的激光焦点处，并且所述放电电极与待加工轧辊之间留有间距，所述控制装置控制所述脉冲电源及所述高重频脉冲激光发生器的工作。

进一步，所述高重频脉冲激光发生器包括依次连接的声光驱动电源、激光器、反射镜、聚焦透镜，所述声光驱动电源与所述控制装置相连接。

进一步，所述激光器为声-光调Q的YAG激光器。

进一步，所述脉冲电源为充放电电源，该充放电电源回路为一高压回路和一低压回路并联而成。

进一步，所述脉冲电源负极连接所述放电电极，正极连接所述待加工轧辊。

进一步，所述放电电极为针状电极。

进一步，所述放电电极为旋转电极，该旋转电极包括圆盘电极及与圆盘电极相连接的驱动装置，所述圆盘电极圆弧边缘断面为尖角形状。

进一步，所述尖角为20-30度。

进一步，所述反射镜上镀有可使可见光透过的光学镀层，在所述反射镜下方设有摄象头，该摄象头连接所述控制装置。

进一步，该装置还包括轧辊夹持机构，该轧辊夹持机构包括旋转轴、导轨、溜板，旋转轴固定于导轨一端，溜板与导轨相匹配并可相对导轨滑动，所述反射镜、聚焦透镜、放电电极均固定于溜板上，待加工轧辊固定于旋转轴上。

采用上述结构后，由于该轧辊表面毛化装置包括脉冲电源、高重频脉冲激光发生装置、放电电极及控制装置，在控制装置的的控制下，脉冲激光发生装置输出的脉冲激光束聚焦到待加工轧辊的辊面上，使辊面上产生等离子体羽，诱导放电电极向待加工轧辊表面放电，形成熔凝斑。本发明保留了激光的指向性好、毛化分布与均匀性可控制性好、工作频率高，和放电电源的放电功率可根据需要提高的优点，因此本装置达到了毛化功率大、频率高的效果，同时又克服了可控性差的问题，及单纯YAG激光毛化能量转换效率低、功率难以提高等缺点。实验表明，单独的激光毛化、电火花毛化后辊面粗糙度Ra难以达到5.0μm，而本发明的高重频YAG激光诱导定向放电毛化方法，可使辊面毛化粗糙度Ra在1.5-14.0μm大范围可控。另外，所述高重频脉冲激光发生器中包含有反射镜，在反射镜下方设有CCD摄象头，CCD摄象头连接控制装置，因此CCD摄象头将采集到的轧辊表面的图象输入计算机，可对轧辊表面的形貌特征进行显示观察，同时也可用于观察调节聚焦透镜相对于轧辊辊面的位置，使整个毛化过程更加可控；放电电极采用旋转电极后，在高重频脉冲激光诱导放电过程中，由于圆盘的不停转动，每次放电作用在圆盘边缘的不同点上，这就大大减小了持续放电造成的电极尖端的过热烧蚀现象，另外，以圆盘的圆周代替针状电极的尖端，使电极放电点由一个点扩展到整个圆周线上，相当于增加了电极数量，减少了电极上的热量累计，同时，由于圆盘热容量大，圆盘的转动又使散热加快，从而显著提高放电极的使用寿命，使轧辊毛化更加均匀。另外，充放电电源回路为一高压回路和一低压回路并联而成，高压回路保证了两电极间电压足够高，诱导放电击穿，低压回路则提供击穿后所需的大电流。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明脉冲电源的电路结构图；

图3为旋转电极的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，一种轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，该装置包括脉冲电源1、高重频脉冲激光发生器2、放电电极3、控制装置4及待加工轧辊5、轧辊夹持机构6；

脉冲电源1为快速充放电电源，负极连接放电电极3，正极连接待加工轧辊5，放电电极3与待加工轧辊5之间留有不大于1mm的间距，该间距内充满空气，放电电极3与待加工轧辊5之间的击穿电压在3000伏特以上，脉冲电源1的脉冲极间电压最高为500伏特，从而保证放电电极3与待加工轧辊5之间不会自动击穿放电。所述放电电极3为针状电极。

脉冲电源1为快速充放电电源，其电路结构如图2所示，为保证在高重频工作状况下激光能可靠诱导放电，该充放电电源回路为一高压回路和一低压回路并联而成，高压回路的作用是易使两电极间诱导放电击穿，低压回路则提供击穿后所需的大电流，图2中，m、n为两相电源低压整流后输入端，输入电压为100-500伏特，p、q为两相电高压整流后输入端，输入电压为300-1000伏特，C1、IGBT1、R1相互串联构成低压充电回路对电容C2充电，C2通过IGBT2，在激光诱导情况下，经放电电极向待加工轧辊5表面放电。C4、IGBT4、R2相互串联构成高压充电回路对电容C3充电，C3通过IGBT3，在激光诱导情况下，经放电电极向待加工轧辊表面放电。D3为隔离二极管，D1为续流二极管，R1为限流电阻。控制模块IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分别连接控制装置4，由控制装置4控制触发开通，开通时间决定了放电脉冲宽度可在10微秒-1毫秒范围内可调，由于IGBT可以20KHZ的频率对电容C2、C3充电，因此可满足高重复频率工作要求。

高重频脉冲激光发生器2包括依次连接的声光驱动电源21、声-光调Q的YAG激光器22、反射镜23、聚焦透镜24；放电电极3设于靠近聚焦透镜24的焦点位置处。

在本实施例中，控制装置4采用计算机，计算机的一端依次连接声光驱动电源21、YAG激光器22，在计算机控制下，声光驱动电源21为激光器22里的声光开关提供开关信号，使激光器22发出高重复频率激光脉冲；激光器22的输出端下游依次设有反射镜23、聚焦透镜24，反射镜23为全反射镜，激光器4输出的波长1.06μm的脉冲激光束经全反射镜23反射后，通过聚焦透镜24聚焦到待加工轧辊5的辊面上，使辊面上被照射部位产生等离子体羽7，等离子体羽7起到诱导放电开关的作用；另外，反射镜23上还镀有光学镀层，可使可见光波长的光透过，在反射镜23的下方设有CCD摄象头8，CCD摄象头8连接计算机，因此CCD摄象头8将采集到的轧辊表面的图象输入计算机，可对轧辊表面的形貌特征进行显示观察，同时也可用于观察调节聚焦透镜24相对于轧辊辊面的位置；计算机的另一端连接脉冲电源1，控制电源1的快速充放电过程；

放电电极放电数千次后，电极尖端就会因过热而严重烧蚀变形，以致无法有效地进行激光诱导放电，为避免这种情况，放电电极3采用如图3所示旋转电极，包括圆盘电极31、旋转轴32、电动机34，所述圆盘电极31为一直径约100-160mm、厚5-10mm的圆盘，圆盘电极圆弧边缘断面为20-30度的尖角形状。所述圆盘电极31由钢、铜及其合金或其它耐烧蚀的导电金属材料加工而成，圆盘电极31的中心开孔，通过该孔安装于旋转轴32上，与旋转轴32紧密配合，旋转轴32由导电金属材料制成，一端装有槽形皮带轮35，圆盘电极31、旋转轴32、电动机34、皮带轮35通过轴承安装于绝缘材料制成的支架36上，电动机34通过皮带轮35上的传动皮带37带动圆盘电极31旋转，圆盘电极31的转速可由电源调控；旋转轴32的另一端连接一电刷片38，电刷片38安装在支架6上，电刷片38用于与脉冲电源1相连通，电刷片38、旋转轴32、圆盘电极31组成导电通道连接脉冲电源1的一个输出极，而脉冲电源1的另一输出极连接待加工轧辊5，圆盘电极31的边缘与待加工轧辊5之间保持微小间隙。

另外，旋转轴32还可通过其它传动装置连接电动机34，由电动机34带动圆盘电极31旋转。

轧辊夹持机构6为一加工机床，机床包括旋转轴61、导轨62、溜板63，旋转轴61固定于导轨62一端，溜板63与导轨62相匹配，并可沿导轨滑动，所述反射镜23、聚焦透镜24、放电电极3均固定于溜板63上，待加工轧辊5固定于旋转轴61上，可随旋转轴61一起旋转，而反射镜23、聚焦透镜24、放电电极3均固定于溜板63上，通过溜板63相对于待加工轧辊5的轴线平移，在待加工轧辊5的旋转及聚焦透镜24、放电电极3的平移运动下，完成对待加工轧辊5表面的加工。

当放电电极与轧辊表面之间在大气环境下放电时，随着放电电流脉冲宽度的延长，放电通道直径由于热效应将发生膨胀，致使轧辊表面熔凝斑直径变大，轮廓的光滑度变差，为减小这种影响，在本发明装置中采用负极放电，即使放电电极3接脉冲电源1的负极，待加工轧辊5接电源正极。

在相同激光参数条件下，单纯激光毛化的表面粗糙度Ra＝2.0μm，而高重频激光诱导定向放电毛化的表面粗糙度Ra＝10μm。

上述装置不仅可用于轧辊表面毛化、应用于钢铁、有色冶金冷轧薄板等工艺，也可应用于工作条件恶劣的热轧辊表面毛化、强化，还可用于金属的群孔加工、焊接、热处理或其他表面处理技术中。

Claims (10)

1、一种轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：该装置包括脉冲电源、高重频脉冲激光发生器、放电电极、控制装置，所述脉冲电源的两极分别连接所述待加工轧辊及放电电极，所述放电电极设置于靠近所述激光发生器的激光焦点处，并且所述放电电极与待加工轧辊之间留有间距，所述控制装置控制所述脉冲电源及所述高重频脉冲激光发生器的工作。

2、如权利要求1所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述高重频脉冲激光发生器包括依次连接的声光驱动电源、激光器、反射镜、聚焦透镜，所述声光驱动电源与所述控制装置相连接。

3、如权利要求2所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述激光器为声-光调Q的YAG激光器。

4、如权利要求1所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述脉冲电源为充放电电源，该充放电电源回路为一高压回路和一低压回路并联而成。

5、如权利要求1所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述脉冲电源负极连接所述放电电极，正极连接所述待加工轧辊。

6、如权利要求1所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述放电电极为针状电极。

7、如权利要求1所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述放电电极为旋转电极，该旋转电极包括圆盘电极及与圆盘电极相连接的驱动装置，所述圆盘电极圆弧边缘断面为尖角形状。

8、如权利要求7所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述尖角为20-30度。

9、如权利要求2所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：所述反射镜上镀有可使可见光透过的光学镀层，在所述反射镜下方设有摄象头，该摄象头连接所述控制装置。

10、如权利要求2所述的轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置，其特征在于：该装置还包括轧辊夹持机构，该轧辊夹持机构包括旋转轴、导轨、溜板，旋转轴固定于导轨一端，溜板与导轨相匹配并可相对导轨滑动，所述反射镜、聚焦透镜、放电电极均固定于溜板上，待加工轧辊固定于旋转轴上。

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