激光毛化技術 激光毛化(Laser Beam Texturing,簡稱LBT或LT)是采用高能量密度(104~106W/cm2)、高重復頻率(103~104次/秒)的脈沖激光束,聚焦照射到作旋轉運動的軋輥表面,以形成若干微小的小熔池,同時吹以一定角度的輔助氣體對熔池溶融金屬擠壓造型。當光脈沖作用停止后,微坑熔池金屬在軋輥自身熱傳導作用下迅速冷卻,形成微坑和坑邊環形凸臺結構的相邊強化點。與此同時,激光器與軋輥作軸向相對運動,完成軋輥毛化。通過調節激光毛化工藝參數,如激光功率、脈沖頻率、脈沖波形、輔助氣體種類、方向和流量以及軋輥旋轉速度等,可精確控制軋輥表面的毛化坑型及分布。
激光毛化的特點:
(1)毛化參數可控制。由于采取逐點毛化,使其坑點大小及坑距能夠實現可控制,從而實現對表面粗糙度Ra和峰值數Pc值等參數的控制。
(2)結構簡單。激光毛化設備可采用軋輥旋轉,光路系統沿軋輥軸線平移的“車床型”模式,使設備簡單可靠,占地面積及空間較小,無粉塵、噪音污染,從而降低設備投入成本。并可根據用戶情況,在磨床后車床上增加激光系統,進一步降低設備投入成本。
(3)毛化效率高。過去采用聲光盒或斬光盤產生激光脈沖信號,使激光器輸出功率受到限制,隨著技術更新,多頭光路控制系統的誕生,使毛化效率得到成倍提高,毛化時間可短于噴丸設備。
4 激光毛化工藝的應用
由于激光毛化技術的特殊性,其對軋輥、冷軋生產、冷軋成品均產生其他毛化方法無法替代的積極的響。
4.1 激光毛化工藝可顯著提高軋輥使用壽命? 分析毛化加工原理和軋制工藝,可容易理解激光毛化軋輥使用壽命的提高主要是通過以下三個途徑實現的。
(1)表面改性與細晶強化作用? 激光毛化時,輥面作用區材料由于熔凝速度非常快(加熱速度可達l06~109℃/s,冷卻速度≥105℃/s,遠高于水淬),可以形成超細晶(深亞微米至納米級)甚至非晶組織,其硬度可超過HV900(HRC67),遠高于常規淬火所能達到的程度,高硬度的表面組織有利于提高輥面的耐磨損能力。
(2)毛化形貌的耐磨作用? 激光毛化后,輥面形貌發生變化,毛化加工形成的微坑和凸包均布于輥面。這種輥面形貌既有利于改善軋制時輥與板間的摩擦狀態,又有利于保持良好的潤滑條件。均勻分布的微坑還可以起到收集磨粒、防止它們磨損軋輥和擦傷板面的作用。
(3)表面應力松馳的韌化作用? 為了提高其使用壽命,通常要對冷軋工作輥進行表面淬火處理。要求的硬度愈高,由馬氏體相變導致的體積膨脹效果愈嚴重,產生的殘余壓應力也愈大。壓應力過大,容易導致輥面爆裂,反而危害軋輥的使用,因而是有害的。用激光方法毛化這種軋輥,其表層激光輻照區域的材料由于熔凝時的熱脹冷縮作用會產生殘余拉應力。X光應力測定結果表明,當激光輻照區域(微坑)的密度達到一定程度時,這種均勻分布的拉應力確實可以有效地松弛軋輥表層中原有的強殘余壓應力,從而使軋輥表面得到韌化
激光毛化輥所軋制鋼帶表面粗糙度Ra的變化情況為,軋制初期(約為軋制量的15%),表面粗糙度下降較快,以后趨緩,這主要與激光毛化輥表面形貌有關。在激光毛化輥初用階段,凸起部分的尖峰鈍化得較快,在使用一段時間以后,凸起部分比較鈍,相應激光毛化輥的磨損量減小。而凸起部分尖峰高度以及凸坑形狀等都可以通過改變毛化工藝加以控制,因而在使用激光毛化輥時,不會因粗糙度值變化過大而使軋制條件發生較大改變。? 激光毛化軋輥的使用壽命隨冷軋壓下率、冷帶材質及其硬度的不同而有所不同。青島泓旭聯合裝備生產的拋丸毛化設備與激光毛化設備對比有著強化作用,提高軋輥的表面硬度,加長軋輥的使用壽命。