激光毛化原理及特点123讲解Word下载.docx

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3瑞通千里激光设备有限公司生产的YAG激光毛化设备…………15

3.1LTS-YAG型激光毛化系统主要组成部分………………...15

3.2主要技术参数………………………………………………...15

3.3装备主要型号…………………………...……………………16

3.4生产工艺…………………………………………………….16

3.5应用范围…………………………………………………….16

3.6LTS-YAG激光毛化装备的主要特点………………………16

3.7市场前景……………………………………………………...17

激光毛化原理与特点

一前言

1.1概述

随着国民经济的快速发展，各行各业对金属板带箔的质量要求越来越高，用户希望毛化板能够达到国外新产品的品质。

据权威部门统计：

2006年，我国共产钢材44685万吨，与上年同期相比，净增9172万吨，增幅达24.45%。

其中2006年，我国共产冷轧薄板3706万吨。

跟上年同期相比，净增1024万吨，增幅达39.11％。

即冷轧薄板的增幅比钢材增幅高14.66%。

2006年，我国冷轧薄板进口70.24万吨，跟上年同期相比，锐减56.92万吨，减幅为48.79%。

同样，2006年，我国出口冷轧薄板46.35万吨，跟上年同期相比，猛增29.38万吨，增幅为173.2%。

表明我国冷轧薄板产品饱和的端倪开始出现，下一轮冷轧薄板的市场竞争将白热化。

图1.1轧辊与冷轧板

毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成的，钢铁工业轧辊毛化技术发展经了了三个阶段：

①六七十年代的喷丸毛化技术（Shotblasting）,（图1.2）所示,使用硬质砂丸高速喷向辊面实现轧辊表面毛化，从而在轧辊表面砸出密密麻麻的小坑。

但这种毛化工艺高噪音、大粉尘和高功耗。

而且具有轧辊表面区域硬度、喷丸尺寸和冲击速率以及冲击角的随机性、不均匀性、难以控制和重复性不好等缺陷，加之处理成本较高，目前已经在发达国家中被激光毛化技术和电火花毛化技术所取代。

②七八十年代电火花毛化技术（Electron-dischargetexturing）,（图1.3）所示，基本原理是将轧辊和石墨电极浸放在绝缘油中，轧辊旋转过程中，石墨电极与轧辊之间施加脉冲电压，在一定条件下，电极与轧辊间发生击穿放电现象，放电产生的正负离子在电场的加速作用下分别轰击轧辊表面和电极表面，脉冲轰击能量使轧辊局部温度超过其熔点，造成轧辊表面局部熔化或气化。

脉冲间隙，无放电现象发生，原先脉冲放电期间产生的金属液滴会在从熔坑溅出到绝缘油过程中冷凝，造成轧辊表面形成一系列凹坑。

大多数钢企只是认为其形貌的均匀性、保持性比喷丸毛化好。

但此种工艺存在着轧辊使用寿命短、设备维修率高、耗电量大、维修不方便和油污染严重等问题③近期才诞生的激光毛化技术（lasertexturing）,采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光在冷轧辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造形，再使用毛化轧辊轧制出高品质的冷轧薄板。

激光毛化与喷丸毛化和电火花毛化相比，优点有：

轧辊硬度高，延长使用寿命，可提高12.5%以上，如昆钢冷轧厂的试用表明：

以往未经过毛化处理的平整机工作辊平均换辊周期为200顿/对，经激光毛化处理后，使用周期可达600顿/对；

轧辊表面粗糙度均匀、可控，能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能；

激光毛化过程中无噪声、无污染。

图1.3电火花毛化原理图

1.轧辊2.电解液

3.电极4.毛化头

5.高压电火6.低压电火

7.选择电流8.机械脉冲

图1.2机械喷丸

激光毛化在国际毛化领域具有前瞻性和市场前景，国家对这项技术高度重视，早就纳入了“八五”时期重点攻关课题。

90年代，我国工业、科研及高校分别采用带有机械调制器的大功率Co2激光设备及带有调Q开关的大功率YAG激光设备，对轧辊进行表面毛化处理，取得了良好效果。

但激光毛化设备还远没有达到市场化，部分原因是宣传的力度不够，厂商没有深入和足够的了解激光毛化相比于传统毛化工艺的优劣。

目前激光毛化已成功应用于我国各类冷轧薄板、精密带钢和特殊带钢的生产，国内使用激光毛化设备的有宝钢、武钢、昆钢、济钢等大型钢厂，随着激光毛化市场的成熟，越来越多的中、小型钢厂将采用激光毛化这一新的工艺。

在冷轧板竞争如此激烈的今天，激光毛化也为很多冷轧薄板厂商指明了活路。

主要有两条依据，一是目前世界上激光毛化板的质量最好。

美国一批冷轧钢板公司的资深专家，对下个世纪的冷轧薄板的质量档次提出了划分的标准。

他们认为：

一类产品是激光毛化板，二类产品是电火花毛化板；

三类产品是其他类别的板。

这个标准的正确性，已经得到武钢、昆钢、济钢和唐山建龙的证实。

广大客户也纷纷认为，激光毛化板在包括涂镀性能、深冲性能在内的质量明显优于电火花毛化板的质量。

依据之二是目前世界上激光毛化板的成本最低,激光毛化工艺与电火花毛化工艺相比，设备价格以及运行费用都要低得多，每对轧辊的过钢量增加一倍，降低了轧辊消耗量。

因此，采用激光毛化冷轧薄板可为企业降低成本，提升利润空间。

1.2冷轧薄板用途？

一般冷轧薄板和毛化板的区别？

冷轧板与热轧板是相对应的，它们之间的区别不在冶炼过程，而是在于轧钢温度，或者说轧钢终止温度。

终轧温度低于钢材再结晶温度就成为冷轧钢板。

热轧容易轧制，轧钢效率高，但热轧条件下钢材易氧化，产品表面是黑灰暗淡的。

冷轧过程为了消除加工硬化要进行中间退火，所以成本高，但冷轧钢板表面光亮，质量好，尺寸精度高，可以直接用来加工成品。

冷轧板带用途很广，如汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表、食品罐头等。

具有特殊毛化表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用。

在冲压成形过程中，毛化钢板上的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的接触面积增大，增强了对油漆的吸附能力。

毛化冷轧钢板附加价值极高。

二激光毛化原理

2.1激光产生原理

了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理：

图2.1碳原子示意图

物质由原子组成。

图2.1是一个碳原子的示意图。

原子的中心是原子核，原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。

有趣的是，电子在原子中的能量并不是任意的。

这些电子会处于一些固定的「能阶」，不同的能阶对应于不同的电子能量。

为了简单起见，我们可以如图一所示，把这些能阶想象成一些绕着原子核的轨道，距离原子核越远的轨道能量越高。

此外，不同轨道最多可容纳的电子数目也不同，例如最低的轨道（也是最近原子核的轨道最多只可容纳2个电子，较高的轨道则可容纳8个电子等等。

这样的模型足以帮助我们说明激光的基本原理。

电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。

例如当电子吸收了一个光子时，它便可能从一个较低的能阶跃迁至一个较高的能阶（图二a。

同样地，一个位于高能阶的电子也会透过发射一个光子而跃迁至较低的能阶（图二b。

在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两能阶的能量差相等。

由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。

图2.2原子内电子的跃迁过程

当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。

图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。

当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激态。

前面说过，电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。

跃迁又可分为三种形式﹕

1.自发吸收-电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶（图2.2a。

2.自发辐射-电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶（图2.2b。

3.受激辐射-光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。

入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。

一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子（图2.2c。

图2.3红宝石激光的示意图

激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。

图2.3显示红宝石激光的原理。

它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。

激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。

在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。

此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。

而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。

设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过﹔而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。

图2.4粒子数反转的状态

产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。

以红宝石激光为例（图2.4，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。

原子处于受激态的时间非常短，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。

原子停留在亚稳态的时间很长。

电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。

粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光

图2.5普通灯光与激光的比较

激光透过受激辐射产生，有以下三大特性（图2.5﹕

1.激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。

这与普通的光不同，例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的，接近白光。

2.激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们迭加起来便产生很大的强度。

而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光，这些光就弱得多了。

3.激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。

相反，灯光分散向各个方向转播，所以强度很低。

2.2激光毛化的原理

激光的毛化包括轧辊的毛化和钢板（带）的毛化

2.2.1激光毛化轧辊:

用高能量密度（104－106w/cm2）、高重复频率（每秒数千次至上万次）的脉冲激光束聚焦照射到轧辊表面，轧辊表面作旋转运动，形成若干微小熔池，辅以一定成分和压力的气体沿一定角度侧吹熔池中的熔融物，使其按一定要求堆积到熔池边缘，当光脉冲移开工作点后，微坑熔融物靠轧辊自身热传导作用迅速冷却，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构。

同时，激光脉冲束以一定速度沿轧辊轴向作匀速运动，速度的快慢可调，在整个辊面形成相变刚性质点（毛化坑和坑边凸台）。

（如图2.6-2.8）

图2.6：

co2激光毛化微坑和坑边凸台

图2.7：

轧辊面上的微坑和硬质点

图2.8：

激光毛化辊面放大图（×

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微凸体激光毛化形貌形成的机理分析

目前，激光毛化轧辊表面主要为“火山口”形貌，（如图2.9所示）

图2.9YAG激光毛化微凸台形貌

实践证明该种形貌轧制的钢板表面形貌得