華工激光表面處理事業(yè)部

1． 激光毛化軋輥技術簡介
　　目前毛化技術主要有噴丸毛化(SBT)技術、電火花毛化(EDT)技術、激光毛化(LT)技術、電子束毛化(EBT)、拓撲鍍鉻毛化(TCT)五種。這些技術按粗糙度形貌類型來分，可分為無規(guī)則分布和可設定式兩種類型。噴丸毛化、電火花毛化和拓撲鍍鉻毛化均屬于無規(guī)則分布的粗糙度形貌類型。激光毛化和電子束毛化屬于可設定式分布的粗糙度形貌類型。

　　按毛化技術產生、發(fā)展的時間大致可分為三代。第一代：噴丸毛化技術及設備，在60、70年代占主導地位；第二代：電火花毛化技術及設備。在80、90年代逐步取得主導地位；第三代：激光毛化技術及設備，是近十年才誕生的，特別是最近幾年投產的大功率C02激光毛化設備及工藝以其突出的優(yōu)勢，已在國內外冶金行業(yè)引起高度關注。
　　從技術路線來講主要有兩條：一條是采用對鋼鐵吸收率較高的波長為1.06μm的固體激光，利用調Q—YAG固體激光對軋輥進行毛化。在1993年已將其投入生產并推廣到幾家鋼廠，受到用戶好評。但由于調Q—YAG固體激光技術其平均輸出功率和聲光調制頻率是相互制約的，從目前來看采用調Q---YAG固體激光器的技術路線只適用小型軋輥和窄帶鋼軋輥。另一條是采用對鋼鐵吸收率一般的波長為10.6μmC02氣體激光，利用大功率C02激光器和調制光盤對軋輥進行毛化，其平均功率一般為4kW，調制頻率為2kHz一40kHz，其效率遠高于固體激光毛化，適用于各種型號的軋輥。

 2． C02激光毛化基理圖(見下圖)   
　　工作時，旋轉、激光束3通過聚焦鏡4經2次反射對Q’點的軋輥表面進行預熱及強化(其離焦量設計是Q’的功率密度低于軋輥熔點)。當反射齒移開時。激光通過聚焦鏡4、透孔4聚焦到軋輥的表面Q點(在Q’點內)進行融化，其功率密度在100kW／mm。以上，并在側吹氣6的作用下形成凸凹有序、硬度極高的毛化形貌。

 3． 激光毛化技術在鋼鐵行業(yè)中應用
　　A. 在軋制中，由于毛化后的軋輥改變了輥與板之間的接觸狀態(tài)，由光面對光面轉變成由毛面對光面，在軋制力的作用下摩擦系數(shù)明顯提高，且CO2激光毛化后的軋輥表面是通過激光溶化、造型、急冷形成，能使軋輥表面硬度高達1000HV左右，也就是說CO2激光毛化技術不僅有毛化功能，還有強化功能，能明顯提高軋輥的耐磨性。具體表現(xiàn)在：
　　① 能提高軋制速度，降低軋制力。
　�、� 能減少打滑帶來的劃傷、邊浪，有利于提高板型質量。
　　③ 由于軋輥耐磨性的提高，可延長換輥時間，使軋輥的壽命提高一倍以上。
　�、� 由于軋輥壽命的延長十分有利于提高軋機產量和穩(wěn)定板面質量。

B. 在罩式爐退火中，由于軋輥毛化后軋制的卷板，板表面有無數(shù)的凸臺、凹坑，使卷板內板與板之間的縫隙及摩擦力明顯增大，從而改善了氣體在板面與板面之間的流動狀態(tài)。具體表現(xiàn)在：
　�、� 由于縫隙大且均勻能有效防止板與板之間的粘貼現(xiàn)象，同時能提高軟化效果。
　�、� 由于氣體流動性好，更有利于揮發(fā)和還原板面的雜物，減少“黃”、“黑”斑，改善板面的外觀質量。
　　③ 由于摩擦力增加，可有效防止塔卷（滑套）的產生，便于吊裝及板卷在罩式爐火的堆放（有不少單位由于塔卷的產生及卷徑不夠，導致了罩式退火爐實際產能小于設計產能的要求，制約了軋機產能的發(fā)揮）。
　�、� 能節(jié)約一定的N2和H2及退火時間，并有助于板材軟化效果的均勻性（由于H2的導熱系數(shù)是N2的6倍，用全H2效果更佳）。

C. 在后續(xù)加工中，由于激光毛化的軋輥軋制的板表面分布有許多均勻的互不相通的小凹坑，在后續(xù)機械加工中能形成一個個密密麻麻的小油池，十分有利于降低摩擦力、擠壓力、拉伸力、剪切力。在后續(xù)的深加工中由于激光毛化技術能有效控制板面的毛面和光面的比例，同時毛面能增大板面的表面面積（特別是凹坑帶來的表面面積），具體表現(xiàn)在：
　�、� 能延長用戶的模具、刀具使用壽命，提高用戶的產品合格率（特別是深沖和超深沖產品）。
　�、� 便于用戶開發(fā)出不同的鏡面板、漫發(fā)射板、防偽板等。
　�、� 能明顯增加板面的附著力，有利于后續(xù)的鍍鉻、彩涂工藝。
　�、� 能節(jié)約后續(xù)加工中的潤滑油和涂層材料。

 4． C02激光毛化與電火花毛化的區(qū)別及特點
　　電火花毛化是脈沖電壓通過浸在油池中的20余對電極對浸在同一油池中的軋輥表面進行放電形成電蝕坑和尖狀毛刺(波峰數(shù))。電極與軋輥表面的間距為0.025～0.058mm，間距很小的改變，會對電弧產生很大的影響。該設備需幾十噸的絕緣油和龐大的清潔、循環(huán)系統(tǒng)。C02激光毛化是高能量密度、高重復率的脈沖激光束在聚焦前照射到軋輥表面實施預熱、強化，在聚焦時入射到軋輥表面形成微小熔池，同時由側吹裝置對微小熔池施給設定的壓力、流量、方向的輔助氣體，使熔池中的熔融物按指定要求盡量堆積到熔池(凹坑)的邊緣形成圓弧凸臺(波峰數(shù))。上述預熱區(qū)、微坑、凸臺在軋輥自導熱的作用下迅速冷卻形成硬度區(qū)形貌。屬于無噪聲、無污染的清潔文明生產工藝。
　　目前評價毛化工藝的主要技術指標是粗糙度、密度、波峰數(shù)和效率。在滿足上述指標的前提下，更應注重這些指標本身的質量。根據(jù)上述二種毛化形成的機理，很容易看到：
　　1)電火花形成的尖狀毛刺和電蝕坑其重復性、耐腐蝕性是遠不及激光毛化形成的圓弧形凸臺和經過強化的凹坑。
　　2)輥、板轉化率一二般凹坑為20％，凸臺為80％。也就是說軋輥的粗糙度值反映到薄板上的粗糙度值，在很大程度上取決于軋輥毛化凸臺的高度、強度，激光毛化凸臺可在側吹氣體作用下盡量提高。
　　3)粗糙度目前使用的二維粗糙度Ra，被定義為單位長度內輪廓中心高度的算術平均值。而現(xiàn)在新提出的SRa被定義為單位板面輪廓中心曲面高的算術平均值。這樣粗糙度值就與坑形和分布密度緊密相關。而激光毛化屬于可設定式有序排列，其坑形、密度可控，也是電火花毛化可望而不可及的。

　　　　(Ra1 Ra2 Ra3為軋輥前端、中部、后端圓周方向各取六點粗糙度的平均值；軋制鋼板的厚度均為1mm；以上數(shù)據(jù)來源于武鋼一冷軋)

 4）一臺大功率CO2激光毛化設備在二班制作業(yè)時間內完全可滿足年產150萬t薄板對軋輥毛化的需要，比雙排電火花毛化設備生產率高。
　　新型大功率CO2激光毛化設備是隨著激光器、光學元件、計算機、數(shù)控、自動化與科技單元發(fā)展與時俱進、綜合集成的結果；不斷對大型激光毛化設備改進、創(chuàng)新；是鋼板市場高質量、多元化和環(huán)境保護需求的必然結果。將成為國內外冶金行業(yè)第三代主導產品。