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---------- 应用处理方案

激光毛化工艺应用

激光毛化技术和设备
技术方案进展介绍一

陈培锋
华中科技大学

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激光毛化工艺应用
含有特殊表面形貌毛化冷轧薄钢板在制造业中有着广泛应用，尤其是在汽车和家电产业中。这是因为在冲压成形过程中，毛化钢板上致密微小凹坑可储存润滑剂，改善润滑条件；同时毛化表面使涂料和钢板表面接触面积增大，增强了对油漆吸附能力。
对于冷轧辊毛化要求最初是为了改善冷轧薄钢板板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊工艺要求冷轧毛化钢板。
现在用以满足轧辊毛化处理技术有：喷丸毛化(SB)技术、电火花毛化(EDT)技术、激光毛化技术(LT)等。在这些毛化技术中，激光毛化技术含有最好效果。经过长久生产实践证实，激光毛化除了提供所需板形表面要求外，其对冷轧辊寿命提升、冷轧生产工艺提升、冷轧成品表面鲜映度和性能等方面均产生其它毛化方法无法替换主动影响。下面依据生产实际结果综述激光毛化应用。
1、激光毛化工艺可显著提升轧辊使用寿命
激光毛化轧辊使用寿命提升关键是经过以下三个路径实现。
(1)表面改性和细晶强化作用
激光毛化时，辊面作用区材料因为熔凝速度很快(加热速度可达l06～109℃/s，冷却速度≥105℃/s，远高于常规淬火)，能够形成超细晶(深亚微米至纳米级)甚至非晶组织，其硬度可超出HV900（HRC67)，远高于常规淬火所能达成程度，高硬度表面组织有利于提升辊面耐磨损能力。
(2)毛化形貌耐磨作用
激光毛化后，辊面形貌发生改变，毛化加工形成微坑和凸包均布于辊面。这种辊面形貌现有利于改善轧制时辊和板间摩擦状态，又有利于保持良好润滑条件。均匀分布微坑还能够起到搜集磨粒、预防它们磨损轧辊和擦伤板面作用。
(3)表面应力松驰韧化作用
为了提升其使用寿命，通常要对冷轧工作辊进行表面淬火处理。要求硬度愈高，由马氏体相变造成体积膨胀效果愈严重，产生残余压应力也愈大。压应力过大，轻易造成辊面爆裂，反而危害轧辊使用，所以是有害。用激光方法毛化这种轧辊，其表层激光辐照区域材料因为熔凝时热胀冷缩作用会产生残余拉应力。X光应力测定结果表明，当激光辐照区域(微坑)密度达成一定程度时，这种均匀分布拉应力确实能够有效地松弛轧辊表层中原有强残余压应力，从而使轧辊表面得到韧化 。
激光毛化轧辊使用寿命随冷轧压下率、冷带材质及其硬度不一样而有所不一样。工业应用表明，冷轧工作辊经激光毛化加工后，其使用效果和使用寿命有显著提升。在2O辊森吉米尔轧机上用其冷轧低碳钢板，激光毛化轧辊寿命比一般轧辊高3倍以上；在一般二辊轧机上用激光毛化轧辊冷轧高强度(σb≥800 MPa)65Mn弹簧钢，其寿命是一般轧辊2～3倍；用其平整退火低碳软钢板，其使用寿命可较一般轧辊提升2倍以上，有甚至达成10倍，这取决于对产品表面粗糙度控制范围。
激光毛化辊所轧制钢带表面粗糙度Ra改变情况为，轧制早期（约为轧制量15%），表面粗糙度下降较快，以后趋缓，这关键和激光毛化辊表面形貌相关。在激光毛化辊初用阶段，凸起部分尖峰钝化得较快，在使用一段时间以后，凸起部分比较钝，对应激光毛化辊磨损量减小。而凸起部分尖峰高度和凸坑形状等全部能够经过改变毛化工艺加以控制，所以在使用激光毛化辊时，不会因粗糙度值改变过大而使轧制条件发生较大改变。
2、激光毛化工艺能够在多个方面改善冷轧生产工艺
毛化辊应用最初是在平整机上，用于取得所需板面形貌。
伴随激光毛化技术提升，轧辊耐磨性及轧辊毛化工效全部得到了提升，使轧机工作辊毛化成为了可能。经过在轧机工作辊上采取毛化技术发觉，因为毛化辊增加了轧辊和轧件间摩擦，有利于预防“打滑”，从而使轧件能均匀变形，取得力学性能一致产品，并使轧件表面取得一定粗糙度，对冷轧生产带来了主动作用。
激光毛化轧机工作辊关键经过以下多个方面改善冷轧工艺。
(1)避免轧制时“粘钢”
“粘钢”现象常出现在大压下、高轧速情况下，尤其是生产薄带时，轧件和轧辊相对滑动，产生局部高温，在轧件表面形成不规则剥落，影响产品质量。依据轧辊和轧件接触表面摩擦特征，可分为干摩擦、半干摩擦、吸附润滑摩擦、液体摩擦四种状态。产生粘钢原因是因为在压力加工过程中，在辊和钢带接触表面内没有任何润滑介质薄膜存在，而处于直接接触状态产生干摩擦。所以消除粘钢就是要使轧辊和钢带接触表面上在高速、高压状态下能够有均匀而良好润滑层，也就是在带钢表面上形成均匀致密一层油膜。在较高速轧制过程中，高压下金属质点要得到强迫延伸，光辊轧制使其将油膜拉开，极难在轧辊和钢带接触面上形成一层油膜，激光毛化辊因为在表面上存在均匀致密凹坑，这些凹坑起了“储油器”作用，它们将轧制油连续带入变形区，而不会象光辊轧制那样把轧制油挤走。激光毛辊辊面密封式凹坑在轧制中能有效地将润滑油带入轧制变形区，起着储油和冷却作用，能显著改善冷轧润滑及冷却条件，有利于材料流动。轧辊和钢带之间一直保持着良好润滑环境和冷却条件，轧辊和钢带之间形成一层油膜，油膜中反作用力还能促进它们在离开变形区后快速分离，避免了粘辊，使得钢带表面质量得到显著改善。
(2)提升轧制速度和压下率
因为激光毛化辊改善了润滑条件，避免了“粘钢”现象，所以可实现高速和大压下轧制。在精密带钢生产实践中，使用激光毛化辊可提升轧制速度45%左右。同时，道次压下量也得到提升，加上轧辊使用寿命提升，使生产效率得以提升。
(3)减轻轧制“横纹”
“横纹”是轧制不稳定时，轧辊和轧件产生滑动，在轧件表面产生振动纹痕，当轧速较高、压下量较大、张力较大时更易出现。而使用激光毛化辊能显著减轻轧制“横纹”，改善表面质量。分析认为：激光毛化轧辊凸包能够增加轧辊和钢带之间摩擦，使钢带和工作辊之间接触面发生了改变，从而改善了钢带和工作辊之间接触条件，降低了轧辊和所轧钢带之间相对滑动。因为激光毛化辊使轧制平稳，降低了因轧制振动引发钢带表面横纹缺点。
(4)消除退火产生“粘连”
在生产薄带(≤0.5mm)时,因为卷取张力过大或板型较差，极易在退火时因局部温度过高而使钢带产生“粘连”，轻则影响产品质量，严重会造成报废。为消除这一缺点，很多厂家在退火前增加了一道重卷工序，无形中增加了生产成本。而在退火前最终道次利用激光毛化辊轧制，改善钢带层和层之间接触状态，可有效地消除退火产生“粘连”，这在连轧机组上使用尤为方便。
(5)改善轧件表面质量
冷轧带钢表面质量要求是：表面应光洁，不许可有裂纹、分层、折叠、疤痕、锈蚀、划痕、氧化皮、麻点、起皮、毛刺等影响使用缺点存在。当用激光毛化辊轧制带有表面缺点钢带时，毛辊和钢带表面相接触，使得辊面上凸包在钢带表面上形成微坑，即形成毛面，这些微坑将钢带表面缺点分割、细化、切断、摊开。伴随轧制不停进行，此过程不停演变，钢带表面缺点则不停地变小、变浅、变少，直到最终被部分或完全消除。另外，激光毛辊表面凹坑还能搜集轧制过程中形成金属颗粒，降低钢带表面划伤，改善表面质量。实践表明，激光毛化轧辊能有效降低轧制过程中钢带表面划伤，提升产品质量，并能够消除半成品钢带表面通常性划伤、压入等表面缺点，为挽救废品，提升成材率提供了一个新方法。
(6)在一般冷带轧机上实现异步轧制
异步轧制特点是中性点处于上、下辊不一样位置，在大小不等中性角之间造成摩擦力反向，其所对应变形区就是轧辊对金属“搓轧区。在搓轧区中，两轧辊对带钢剪切应力使摩擦力由变形阻力转化为促进带钢变形动力。这种剪切变形条件是常规同时轧制所没有，它可使轧制力较大幅度降低，也就是说，对一样轧机和轧材而言，异步轧制可取得更大压下量和愈加好产品精度。试验表明，在表面比较粗糙轧辊上进行轧制时，润滑剂种类对摩擦因数没有太大影响，而起决定作用是轧辊表面粗糙度和压缩量。在压缩量一定情况下，摩擦因数改变则取决于弹性和塑性接触时表面粗糙度。利用激光毛化方法实现并正确控制辊面粗糙度是能够利用激光辊实现异步轧制基础条件。因为激光毛化辊微坑含有连续润滑和对碎屑搜集作用，使板带表面划伤降低。同时利用激光毛化辊辊径和转速相同，只是表面粗糙度不一样，避免了因为不一样辊径或转速所造成轧机振动，消除了钢带表面横纹。试验中，道次压下率达成50%，可提升轧程中总变形量，降低道次数，有效提升生产效率，同时板型也得到改善。
3、激光毛化正确控制表面形貌提升产品使用性能
冷轧辊毛化工艺最初目标就是控制冷轧板面形貌。经过实践表明，在喷丸毛化、电火花毛化、激光毛化技术中，激光毛化能够取得完全可控表面形貌，从而在以下方面达成提升冷轧钢带性能要求。
(1)改善深冲性能
激光毛化板因为有较低摩擦系数和现有良好润滑能力又易于搜集磨粒理想微坑，所以含有优良冲压性能。在相同成型条件下，含有相同表面粗糙度薄板中，激光毛化板有最好冲压流动性。分析认为：激光毛化板面微坑沟槽中晶粒位错密度很高，原滑移线不能开动，促进其它晶粒开始滑移，正是板面微坑(塑性变形区)对滑移这种阻塞和弥散作用，延缓了微裂纹萌生和发展，从而使板材延伸率提升。对同种材料喷丸毛化板和激光毛化板力学性能测试表明，激光毛化板屈服强度降低了6～7%，拉伸强度提升了4～7%，总延伸率提升了6～10%，激光毛化板更有利于冲压成形。对SPCC比较(北京吉普车厂测试)，激光毛化钢板屈服强度下降2O～30MPa，抗拉强度提升2lMPa，延伸率提升1O％以上；多年来，新一代干电池外壳逐步改用薄板冲压而成。这种壳生产率高、使用效果好，但冲压难度大，对钢板性能要求苛刻。采取激光毛化技术开发出电池壳专用激光毛面带钢，其冲压效果良好。鞍山钢铁企业08F激光毛化精密带钢(厚0.24mm)在电池生产中，产品深径比达成了4.8。
(2)提升涂装性能和鲜映度
因为激光毛化加工正确造形作用，激光毛化板表面粗糙度均匀、极少波度，更利于均匀附着涂覆材料，所以其漆面光亮度显著高于喷丸毛化板。激光毛化轧辊表面可保留较大平坦光亮部份(最大可达60％)，使轧制出钢板板面平坦度高，提升了带钢表面光洁度和涂漆后鲜映度。在相同粗糙度和相同涂漆工艺情况下，激光毛化板映像清楚度通常要比喷丸毛化板高3～5个百分点。天津冷轧薄板厂激光毛化板涂镀性能：磷化膜厚差减小5O％，均匀性好，附着力强；电泳底漆膜厚度提升4O％，偏差下降5O％；面漆光亮度DOI值提升2～4个点值。
(3)改善抗摩擦性能
用低碳钢板进行平面拉拔摩擦试验结果表明：不管是在润滑还是在干摩擦条件下，激光毛面钢板摩擦系数均低于同材质喷丸毛面钢板。干摩擦时，喷丸毛面板摩擦系数随拉拔速度提升而增加，激光毛面板在一样条件下摩擦系数则略呈下降趋势。在润滑条件下，两种板摩擦系数均随拉拔速度升高而降低，但激光板下降趋势更显著。这些表明激光板表面形貌有愈加好动态润滑能力。在相同轮廓高度，激光毛面板比喷丸毛面板有更大承载截面积。这表明，激光毛面板表面凸包比较墩厚圆滑，冲压时不易被擦伤产生磨粒，即激光毛面板有更强抗擦伤能力。而激光毛化钢板表面小凹坑互不连通，有利于冲压成形时储油和捕捉金属碎屑，预防冲压划伤，确保冲压零件表面光整。
(4)新板型开发。
激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌能够预控、反复性好、粗糙度调整范围大。能够依据用户需要做特殊设计，开发新品种，生产出多种汽车用板、家电用板、轻工用板、防伪板、印花板、造币板、异面织构板、特制花纹板、激光乌泽板等。
在毛面加工时，作为通常加工用，Ra值(平均粗糙度)以1.0微米左右较适宜，如电冰箱、煤气表外板、钢制家俱等，其基础全部不经受冲压加工，以电沉积镀薄膜较多。和这些相比，镀锌钢板和有色镀锌钢板毛面程度应较细。另外，冲裁后电动机铁芯，在以叠片形式进行热处理而无涂层时，为预防热处理时粘结不合格，常常使用较粗毛面。板材表面粗糙度对冲压加工性能也有影响。在用高粘度润滑油深冲加工中，从润滑油稳定性，缺点不显著性等来看，可使用毛面加工钢板。象浴缸那样，使用固态润滑剂时，从润滑剂稳定性考虑，特粗毛面较适宜。
从镀层性能、涂层性能和加工性能来看，根据用途可具体地划分。(参见下表)
表 面 粗 糙 度 范 围

用 途
表面加工
粗糙度(Ra值)范围
(微米)
光亮
加工

Ra≤0.1
0.1≤Ra≤0.2
0.2≤Ra≤0.3

●镀锡原板(光亮加工)
●镀铬用
汽车部件类：挡板，反射镜、灯
摩托车、自行车部件类：挡泥板、消音器、轮圈、齿轮
家庭园艺用具：移苗器、耙子
建材、家俱：栅栏、窗户框、管
毛面
加工

Ra≤0.5
0.5≤Ra≤1.0
1.0≤Ra≤1.5
2.0≤Ra≤2.5
2.5≤Ra≤3.0
3.0≤Ra

●镀锡原板(毛面加工)
●涂层用
镀锌：热镀锌、电镀锌
彩色、其它：彩色、乙烯基涂层
●轻加工用
家庭电气用具外板：电冰箱，煤气表刻度盘，洗衣机
钢制家俱：书架、桌子，金柜
汽车外板部件：车盖、车顶、门外板
●通常加工用
●冲压加工用
汽车内板部件；地板、门里板车轮罩
●铁芯片用
电气用具：变压器铁芯、电动机铁芯
●深冲加工用
浴缸：西式、日本式浴缸
通常见具：灭火器、搪瓷冲洗台、电话机
压印花纹加工
小花纹 40≤Ra≤80
中花纹 60≤Ra≤100
大花纹 80≤Ra≤130
●小花纹种类：麻纹、皮纹
●中花纹种类：小皮纹、中皮纹、布纹，箭翎形
●大花纹种类：大皮纹，塔形花纹、泡纱形
4、对表面粗糙度控制
冷轧带钢表面粗糙度通常经过平整轧制轧辊进行控制。平整轧制时，毛面辊或平滑辊表面特征会压印到带钢上，通常来说，粗糙度压印率为20-40%。下面这些条件决定着带钢表面粗糙度。
(a)轧辊粗糙度
毛面辊粗糙度由加工方法决定。毛面辊在使用时会发生磨损，磨损程度随轧辊表面硬度、表面粗糙程度、轧制条件(干轧、湿轧、压下率、延伸率)等不一样而改变，所以，除了要检验带钢表面外，还必需确定轧辊替换时间。
(b)压下率或轧制力
毛面辊、平滑辊全部需要一定轧制力才能把轧辊表面特征压印在带钢(或钢板)上，通常来说，压下率最低要保持在0.6—0.8％范围内。
(c)干轧和湿轧
因为轧制力不一样，干轧和湿轧轧辊表面特征压印程度也不一样。就是说，干轧轧制力大，压印率大。而湿轧轧制力小，压印率亦小。通常，干轧比湿轧摩擦系数大，轧辊粗糙度磨耗慢。
(d)平整轧制前原板表面粗糙度
原板表面粗糙度和平整轧制时所附加粗糙度相加和才组成成品表面粗糙度，所以，对原板表面粗糙度控制是必需。冷轧时使用平滑轧辊或毛面轧辊，通常是按下表所表示，依据所需要制品表面粗糙度进行选择。冷轧用辊粗糙度不仅要考虑制品粗糙度，还要兼顾控制冷轧形状调整和预防退火粘结等。