激光毛化技术

激光毛化技术首先要说明,我是武汉华工激光毛化部的,发这个帖子主要是为了让一部份不懂激光毛化技术的朋友了解到这个技术,绝对没有打广告的意思.因为我们今年的订单已经排满了.新疆的八一钢厂,吉林通化钢厂,以及武钢第一冷轧车间,还有四川的攀枝花等几家的毛化生产线都在建.说这个,并不是炫耀什么,只是我想华工激光在激光毛化这一方面确实在国内具备领先的技术.这个帖子只要大家能提出问题,我会尽可能的一一回答.优良冷轧薄板轧辊表面激光毛化工作研究徐安定武汉华工激光工程有限责任公司摘要：优良材质薄板表面的的粗糙度、密度及形貌，直接影响到其后续深加工的质量。我们针对国内外现有毛化机床，特别是第三代毛化机床的优、缺点作了深入分析，最新研制成功的新型大功率CO2激光毛化数控专用机床及工艺，迅速提高优良材质薄板后续加工的性能。关键词：薄板、轧辊、激光毛化1、引言优质冷轧薄板不仅需要优良的材质，还需要其板面形成一定的粗糙度值、密度值、及其特殊的形貌，以利于薄板在成型过程中的延伸冲压效率、剪切效果及各种涂镀效果。这就需要对轧辊的工作辊面进行毛化处理。笔者在目前几种毛化处理技术及其设备毛化效果、效率、可控性、可靠性、性价比及环保要求的基础上，提出了有可能成为冶金行业提高薄板毛化质量的第三代主导产品——新型大功率CO2激光毛化专用数控机床及工艺技术。2、毛化技术简介目前毛化技术主要有喷丸毛化（SB）技术、电火花毛化（EDT）技术、激光毛化（LT）技术等。这些技术按粗糙度形貌类型来分，可分为无规则分布和可设定式分布两种类型。喷丸毛化（SB）和电火花毛化（EDT）均属于无规则分布的粗糙度形貌类型。激光毛化（LT）属于可设定式分布的粗糙度形貌类型。按毛化技术产生、发展的时间大致可分为三代。第一代：喷丸毛化（SB）技术及设备，在六、七十年代占主导地位；第二代：电火花毛化（EDT）技术及设备，在八、九十年代逐步取得主导地位；第三代：激光毛化（LT）技术及设备，是近十年才诞生的，特别是最近投产的新型大功率CO2激光毛化成套设备及工艺以其突出的优势，已在国内外冶金行业引起高度关注。3、激光毛化技术及设备的发展概况世界上第一台CO2激光毛化示范设备是比利时冶金研究中心1984年研制的。1985年在汽车厂试用成功。由于SB和EDT技术是不可控的，所以轧制钢板的表面是乱向的，粗糙度调节范围小，并且没有重复性。EDT技术对轧辊表面形成的许多针状尖峰（峰值数）在轧制初期就很快消失。而激光毛化对轧辊表面形成的许多凸台（峰值数）是侧吹气体对熔池作用的结果，其硬度一般≥800HV，其使用寿命比电火花毛化高20%。而且其表面形貌有序、储油性好、重复性好、粗糙度及密度值调整范围大，同时在运行过程中无噪音、无污染，是一种清洁文明的生产工艺。所以日本、德国、法国、美国等均开始引进、开发激光毛化技术。日本新日铁钢铁公司采用的激光毛化技术路线，是利用调Q-YAG固体激光对轧辊进行毛化。但由于调Q-YAG激光技术其平均输出功率和声光调制频率是相互制约的，且即使采用最好的元气件，其平均功率目前也只能达到200瓦。毛化点最大频率可达到8000Hz，比毛化点频率为1000—40000Hz的CO2激光技术相差甚远，只适用于小型轧辊毛化的需要。为此，日本新日铁公司试图采用2—4套调Q-YAG激光器对一只轧辊进行毛化，但由于同步性、一致性等问题未能突破，至今没有用上生产线。德国WalarichSeigen公司在90年代初研制了“LaserTex”型CO2激光毛化机床。其特点是：轧辊以轴瓦为支承作旋转和平动，导光系统和毛化装置固定不动，以保证外光路和光束质量不变（与武钢激光毛化机床类似）。美国俄亥俄州冷轧钢板公司在1996年亦生产了CO2激光毛化机床。其特点是：轧辊以轴瓦为支承只作旋转运动，激光器和光路传输系统作平行移动，以保证外光路和光束质量不变。笔者认为上述机床设计时应重点考虑：轧辊在使用过程中属于须反复修整的零件，其支承轴径以尺寸公差、形位公差均会发生变化，采取在轴瓦上用静压方式支承轧辊轴径，从理论上能保证和轧辊前道磨削工艺基准统一，但实际上是不现实的，不可能形成静压，而一旦变成动压，轧辊转速及毛化效率就受到了极大的限制，且轧辊在旋转过程中会出现无规则的摆动。设计时应以激光聚焦的作用点和轧辊辊面的相对位置为目标函数，充分考虑其工作时的动态特征，从各零部件的减振性能和相对位移量最小化入手，而不应局限在外光路和光束质量不变的设计思路上。轧辊作平面运动，不仅会大幅度增加机床的长度，而且轧辊及其支撑装置在重载（15吨左右）、低速（30mm/min左右）下运行极易出现“爬行”，从而影响到毛化质量。上述德国、美国生产的磨床式激光毛化机床，轧辊支撑床身与毛化头支撑床身分离，轧辊作旋转和平面运动（或轧辊作旋转，激光器作平行运动），不仅体积庞大、性能不好，而且价格十分昂贵，一般在700万马克或300万美元。4、最近研制的新型大功率CO2激光毛化机床及工艺技术简介4.1机械部分床身采用四导轨带辅助导轨支承。4.2主传动采用2级消声同步皮带、滚珠丝杠、消隙齿轮。4.3驱动采用交流伺服电机、变频电机、高速主轴电机。4.4控制系统采用SIEMENS840D六轴三联动、半闭环控制。4.5激光器采用美国CP公司Lance3000型。4.6轧辊形、位检测采用英国雷尼绍产品。4.7轧辊以其两端中心孔定位，活动顶尖支承（顶尖压力弹簧保护数字显示）只作旋转运动。毛化头作平面移动。4.8采用CO2侧吹熔池形成凸台，针对汽车板、电工板、家电板、造币板、阴罩板有适用的工艺参数。4.9主要性能技术指标如下:最大输入电功率104KVA毛化粗糙度0.3—5μm全套设备总重量36000Kg粗糙度均匀值±4%工件最大长度5000mm毛化点密度3—5/mm可调工件最大直径650mm毛化点直径150—350μm可调工件最小直径300mm毛化时间25—45分/支毛化最大长度2000mm凸台高度2—10μm可调工件最大重量6000Kg凸台硬度HV≥8004.10毛化效果如下图所示图1：高功率CO2激光毛化形貌图2：电火花毛化形貌5、激光毛化与电火花毛化的区别及特点电火花毛化是调制过的电压、电流通过浸在油池中的电极（十余对）对浸在同一油池中的轧辊表面进行放电，形成电蚀坑和尖状毛刺（峰值数）。CO2激光毛化是高能量、高重复频率的脉冲激光束在聚焦后的负离焦照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦后的聚焦点入射到轧辊表面形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小溶池施于设定的压力、流量方向的辅助气体，使溶池中的溶融物按指定要求尽量堆积到融池边缘形成圆弧形凸台（峰值数）。上述预热区、微坑、凸台在轧辊自导热的作用下迅速冷却形成硬度区形貌。目前评价毛化工艺的主要技术指标是粗糙度值、峰值数和效率。笔者认为在满足上述三项指标前提下应更注重粗糙度质量、峰值质量。根据上述二种毛化技术的形成机理，读者很容易看到：1、电花毛化工艺形成的尖状峰值其重复性、耐磨性明显低于激光毛化形成的凸台峰值质量。一般情况下，用电火花毛化的轧辊轧制一卷30吨的钢板后，其粗糙度值将下降20％左右；而用激光毛化的轧辊仅下降5％以内。2、从轧辊表面毛化形貌转换到被轧薄板上的形貌来分析，一般凹坑的转化率为20％、凸台的转化率为80％。由此可知：轧辊的粗糙度值反映到薄板上的粗糙度值在很大程度上取决于轧辊毛化表面凸起部分的高度和硬度。而激光毛化的凸台质量明显高于电火花毛化的“凸台”质量。3、关于轧辊粗糙度目前常使用的二维粗糙度Ra被定义为单位长度内轮廓中心高度的算术平均值，Ra=1/L∫0L│F(X)│dx。而现在新提出的粗糙度SRa被定义为单位板面轮廓中心曲面高度的算术平均值，SRa=1/Lx∫0L∫0L│F(X，Y)│dxdy。这样粗糙度值就与坑形和分布密度紧密相关，而激光毛化坑形、密度可控，这也是电火花毛化可望不可及的。6、新型激光毛化机床及工艺检测实例6.1轧辊直径534mm、辊面长1720mm、重量4500Kg，材质：合金锻钢。6.2检测仪器为25倍刻度显微镜、40倍显微镜、粗糙度仪。6.3在辊面300mm、1100mm、1400mm处进行检测，其平均粗糙度为3.2μm、均匀性±4%，点阵数为3×4.5/mm2，每点周边有2—4个圆弧形凸台。6.4每支轧辊毛化加工时间为39分钟（可以提高到35分钟）。7、结论综上所述，随着计算机、数控、机床制造、光子元件、系统集成和毛化工艺的发展及生产厂对文明工艺要求的提高，用户对薄板多元化的需求，大功率CO2激光毛化机床将成为冶金行业第三代毛化设备的主导产品。