钢铁激光毛化.docx

1、钢铁激光毛化激光毛化原理与特点 （瑞通内部培训资料）一：引言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

2、，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。与冷轧板相对应的是热轧，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。钢铁工业轧辊毛化技术发展经了了三个阶段：六七十年代的喷丸毛化技术（ Shot blasting）,使用硬质砂

3、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，市场分额逐渐下跌七八十年代电火花毛化技术（Electron-discharge texturing）,这种工艺的具体操作方法是将几顿重的轧辊浸在油池中，用同样浸在油池中的20多对电极，对轧辊进行放电，从而在轧辊表面形成电蚀坑。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近期才诞生的激光毛化技术（laser texturing）,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

4、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。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

5、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武钢、昆钢、济钢等。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

6、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，二：激光毛化的原理1. 了解激光产生的原理了解物质的结构，与及光的辐射和吸收的原理： 图一 碳原子示意图物质由原子组成。图一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

7、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。图二 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

8、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 (图二 a)。 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 (图二 b)。 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 (图二 c)。 图三 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。图三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

9、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。 图四 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 (图四)，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

10、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 图五 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 (图五) 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

11、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. 激光毛化的原理 激光的毛化包括轧辊的毛化和钢板（带）的毛化激光毛化轧辊: 用高能量密度（104106w/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，随着工作台的移动和光脉冲的间断，使刚刚的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

12、脉冲束以一定速度沿轧辊轴向匀速运动，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）。 图六：微坑和坑边凸台图七：轧辊面上的微坑和硬质点图八：激光毛化辊面 熔池和相变的概念：如图六所示，熔池的产生是由于高密度能量的激光束照射到轧辊表面，使材料瞬间产生高温而融化，形成液态的熔池。熔池中的液态金属被侧吹气体作用堆积，形成凹凸质点。相变的解释如下：金属有熔点和相变点，在相变点，金属可从一种组织转换到另一种组织。如铁在726时由室温状态下的铁转变为r铁，因为二者的组织状态不同，所以性能就不一样。轧辊表面能量密度不均，在熔池的中心和周围能量也不均匀，靠近熔池中心的地方高，偏离中心越远温度越

13、低，一般熔池的中心部分会熔化，而离中心稍远金属温度下降到相变温度，发生相变。在熔池边缘，温度没有达到相变点，便成为热影响区，如下图所示。为什么激光毛化坑和凸台的硬度较原先高？主要是因为激光的快速加热和快速冷却造成的。激光以很高的功率密度使轧辊熔化，随着工作台和光脉冲的间断，熔池中的液态金属通过自身的热传导快速冷却，达到一个自淬火的效果。一般形成的硬化层组织是马氏体、残余奥氏体和小部分的碳化物。所以轧辊的硬度提高延长了使用寿命，也使轧板的质量有很大提高。冷轧对轧辊的要求和轧辊的选材？ 轧辊的寿命主要取决于轧辊的内在性能和工作受力，内在性能包括强度和硬度等方面。要使轧辊具有足够的强度，主要从轧辊材

14、料方面来考虑；硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，它决定轧辊的耐磨性，在一定程度上也决定轧辊的使用寿命，通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制压力，加上轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题，容易导致瞬间高温，使工作辊受到强烈热冲击造成裂纹、粘辊甚至剥落而报废。为了提高轧辊的淬硬层深度、接触疲劳强度、韧性，延长其使用寿命，从20世纪70年代后期到80年代中期，国内外开始研究使用铬含量在3%5%的深淬硬层冷轧工作辊钢。3%铬冷轧辊不需重淬，且有效淬硬层深度可达到2530，5%冷轧辊有效淬硬层深度则达到40，其耐磨性和抗事故性能也有显著提高。在这一阶段，国内试制

15、了93钢。冷轧辊的发展方向将是在进一步提高强度硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。大型冷轧工作辊将普遍采用含钒、镍等元素的改进型5%钢制造。为提高材料的淬透性，的含量将进一步增加，如8%10%及更高铬的锻钢已开始用于实际生产，但含量的增加会导致较差的韧性，因此需要适当平衡和含量，在较低的温度下淬火获得所需要的冷轧辊硬度，从而减少轧辊的断裂和降低其断裂敏感性。钢板的毛化: 是靠毛化了的轧辊的滚轧而成, 轧辊表面上的微坑的硬坑边凸台压在钢板上,使之产生塑变,挤出四周为凹坑、中间为凸台的微粗糙体粘结性（图八），钢板上的微粗糙体形状并不是轧辊表面上的微粗糙体翻版，而是受着轧制压力、速度等因素而变化

16、的。由众多的四周凹坑、中间凸台的微粗糙体形成了毛化的钢板。 图八 钢板上的微粗糙体激光毛化硬化具有双重功能：毛化和硬化。激光照射到辊面金属材料迅速发生相变和材料融化，形成熔池。在相变硬化区内形成马氏体、碳化物、残余奥氏体等，并由于加工温度和冷却速度极快，很大程度上提高了辊面的硬度和耐磨性。而熔池内的溶解物在侧吹气体作用下按熔池边缘并通过急速冷凝形成有序的硬度极高的凹坑和凸台。对于给定方向、流量、压力的侧吹气体完成以下功能：避免轧辊表面热加工过程中与空气中的氧发生作用。避免在融化凝固过程中对镜片造成伤害。避免在激光融化过程中产生的过量等离子体形成屏蔽，消弱激光的入射强度。根据冷轧板轧制工艺要求及

17、后续加工要求，选定辊面粗糙度、密度值、平坦度值的工艺指标，以及粗糙度复印率、衰减率的工艺指标，3激光毛化的分类目前应用于轧辊激光毛化的装备有CO2激光毛化系统和YAG激光毛化系统，其主体结构主要包括激光器、高重频脉冲调制器、轧辊支撑机床、辅助气体侧吹装置和总控系统。CO2激光毛化系统目前已在工业生产中使用的CO2激光毛化系统均采用大功率基模CO2连续激光器，普遍使用的是23kw输出功率的快速轴流CO2激光系统，以保证小尺寸微坑直径和高的毛化速度。光脉冲的形成主要使用机械斩波器。辅助气体喷嘴的直径小于1mm。与辊面夹角在3060范围。CO2激光波长10.6m，辊面对光的直接吸收率为5左右，为增加

18、辊面对光的吸收，可先对辊面进行黑化或喷粉处理。由于CO2光脉冲能量大，作用时间长，热沉积明显，辊面毛化后硬度只有HV=550650左右。为提高轧辊耐磨性，国外将毛化辊再在液氮或干冰中零下冷处理3h，以促使毛化后凸台的部分奥氏体向马氏体转化，然后再镀Cr处理，是辊面硬度达到HV=9501050。YAG激光毛化YAG激光的优势主要是波长短1.06m，轧辊表面对YAG激光的吸收率比对CO2激光的吸收率高约一个量级，可有效降低对激光器的输出功率要求，生产无需象CO2那样要对辊面作提高光吸收的涂层处理。YAG激光波长短，理论上光斑聚焦直径极限要比CO2激光小得多，一般均匀的多模YAG激光器光束聚焦后就可

19、达到80150m毛化坑的要求，无需象CO2那样必须用高质量大功率基模激光器才能实现。已有成熟的声光调Q开关可用来对连续YAG激光器进行高重频调制。声光调Q开关可方便采用电信号控制，光脉冲可控性比CO2激光毛化惯性斩波方法好。因此，YAG激光毛化技术具有可按需要改变辊面微坑不同分布状态的能力，这对开发理想的各向同性的毛化板极为有利。 图九 轧辊的激光毛化设备 两种激光毛化方法的比较：由于YAG激光波长是CO2激光波长的1/10，因此两种激光毛化从装置的结构、脉冲成形技术和加工工艺都有明显的不同，主要表现在：CO2激光毛化YAG激光毛化激光器23kw基模激光器0.2 kw多模激光器脉冲形成机械斩波

20、电控（声-光调制）机床要求磨床精度通用车床精度轧辊毛化工艺毛化-液氮冷却-镀Cr毛化后直接用于生产硬度HV800,850, 9501050900加工速度23m2/h1.52.5m2/h在生产使用在，YAG激光毛化的突出优点表现在以下方面：（1）可控性好，轧辊毛化后表面粗糙度高Ra均匀，用电信号控制脉冲形成，便于开发其它加工技术（如图形刻蚀）。（2）由于YAG激光波长短，辊面吸收好，加之YAG脉冲脉宽较窄，辊面毛化后表面硬度较高，使用寿命长。（3）YAG激光毛化装备可以使用CCD同轴摄像对焦系统，监控合一，便于生产人员操作。（4）YAG激光器功率较小，轧辊机床可采用车床结构，整体价格低，便于大、

21、中、小型各类冷轧薄板（带）厂采用。（5）YAG激光毛化工艺简单，轧辊毛化后无需零下冷冻镀Cr提高硬度，可直接用于轧机生产。4激光毛化的主要特点： 激光毛化淬火在辊面所形成的高硬度区是呈点状均匀分布，降低应力集中和韧性降低现象，延长轧辊寿命。 轧制过程中，改善辊与板间摩擦（增加摩擦力）和接触条件，有利于增加轧机压下两和轧制速度，减少擦伤和粘连，提高板面质量。 板材成型过程中，板面微坑有油和冷却作用，改善板与模具的摩擦接触条件（减少摩擦，增加润滑），有利于材料的流动。微坑还可以容纳成型过程中的金属粉末，减少表面刮伤。 可增强板面对涂层的附着力和提高形成表面涂漆光亮度，增加产品的附加值。钢厂采用激光

22、毛化技术的主要效益体现在：提高轧辊寿命，减少换辊时间；提高轧板速度，使产量提高。激光毛化板质量上档次，在市场上销售好，价格高，工厂效益显著。下面为激光毛化技术的效果举例.(1) 精密带钢生产 轧辊使用寿命提高5倍以上，轧板90km,度下降仅19。 有效克服困扰生产的轧板打滑，板卷退火粘连现象。 轧板速度提高一倍 改善板形，克服镰刀弯，减少边浪，成材率提高30以上。(2) 冷轧薄板生产（板宽：0.5*1020, 0.9*1250） 平整60km以上，板面粗糙度Ra仅下降10左右。 克服板卷退火粘连现象，改善板形和板面质量。 板材性能改善与同类喷丸比较 激光毛化板：屈服强度0.2 降低2030MP

23、a；抗拉强度b 提高21MPa； 总延伸率10 提高约10以上；激光涂镀性能：磷化层膜厚偏差减少50，均匀性好，附着力强，电泳底漆厚提高约40，偏差系数减少50，面漆光亮提高24个点值。5对几种毛化的比较可列出下表：三：瑞通千里激光设备有限公司生产的YAG激光毛化设备1LT S-YAG型激光毛化系统和技术参数： LTS-YAG主要硬件配置激光器优质连续YAG激光器，保证激光输出稳定和优质毛化机床主轴变频调速，X、Z向为伺服电机调速，电脑控制，可自动、手动操作。总控系统可控毛化分布软件对轧辊进行可控分布（菱形、矩形、随机分布等）水冷系统优质水冷机，保证系统稳定运行安全系统采用全封闭光路，激光不会

24、散射外漏，保证人身安全2主要技术参数激光器YAG激光激光波长1.06m激光输出功率150200w光斑模式轧辊毛化粗糙度Ra=0.6-5m(可控)特殊要求可设计辊面凸台密度3.55个/mm微小凸台硬度Hv 900微小凸台高度微小坑直径辊面毛化速度生产效率（实际记录）130*550轧辊，粗糙度1.5，需要时间20分钟500450，粗糙度5.0，需要时间180分钟 3装备主要型号（可自配机床或者选配）LTS-A型RMB:45万（不含工作机床费用）配置200W大功率进口YAG激光器，主要用于直径600mm,辊面宽H1500mm，适用于薄板产量高的大型企业LTS-B型RMB:35万（不含工作机床费用）配

25、置150W YAG激光器，主要用于直径0600mm，辊面宽H=0-1500mm的轧辊毛化，适用于中型冷轧薄钢板厂和铝板箔冷轧厂等 LTS-YAG激光毛化装备为瑞通千里激光设备有限公司自主设计生产，利用了特殊调制的高重频可控脉冲激光作用于轧辊表面进行造形强化处理，再由轧辊轧制钢板。激光毛化时噪音低，无污染。通过试验和已有的厂商实践证明，在提高轧辊寿命、提高轧板速度、提高产品质量、克服轧制过程中的打滑粘连现象，改善板形，提高板（带）质量，如薄板带钢的延展性、深冲性、高的涂漆质量、涂层的牢固性和抗腐蚀能力等主要技术方面达到了国内领先的技术水平。生产工艺：轧辊经磨床磨光后，在YAG 激光喷丸毛化机床上

26、进行毛化，毛化轧辊可直接装轧机使用，无需对工厂原有轧机及工艺流程作其它改变。应用范围：LTS-YAG激光毛化设备可应用于钢铁和冶金行业各种冷轧薄板（带）厂，特别是在生产0.005-1mm各种优质金属薄板（带）时，效果特别显著。LTS-YAG毛化设备的LTS-YAG激光毛化装备的主要特点i. 激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通，有利于在后期冲压成型时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证了钢板的冲压性；并使冲压零件表面光整，同时减少冲压用油量。ii. 辊面的激光毛化形貌均匀、可控，平滑面占整个毛化辊的60，使轧制粗的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。为用户增加了产品的竞争

27、能力。iii. 激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节性范围大。可以根据用户需要作特殊设计，开发新品种，如印花板面等。iv. 激光束在对轧辊毛化的同时还具有对其表面进行强化的作用，可提高轧辊使用寿命，减少换辊量和轧辊消耗，提高轧机生产效率。 市场前景和经济效益分析 LTS-YAG激光毛化设备为我国大、中、小型冷轧薄板厂提高可靠的冷轧毛化手段。提高轧辊使用寿命35倍，提高轧制速度。产品优质率提高30，厚0.5mm以下板（带）合格率提高30。在国际市场上，激光毛化板售价比同行业喷丸毛化板贵10左右。使用LTS-YAG激光毛化设备每天可三班连续工作，整套装备价格仅为

28、进口EDT的1/5，甚至国外的激光毛化设备报价，是外汇折合人民币3000多万元，即使是第二代电火花毛化设备，功率只有2500瓦，报出的售价也达1800多万元。我们现在使用的客户有：佛山高明南钢公司佛山易和钢铁贸易公司现在用户已经完全依赖经过激光毛化的工作辊和轧制辊进行生产，实际的生产数据证明，激光毛化系统的确大大提高了钢板的轧制速度和产品质量。半年过去了，以前轧辊出现裂纹、崩塌的情况基本没有了，原来基本每个厂都有很多废辊，现在用了激光毛化辊以后，基本上只有很少的几个辊是因为其它原因才报废掉，为用户节省了大量的购买、维修辊的费用，节约了生产成本。 内容毛化方法设备效率能耗设备价格基本情况机械喷丸电火花毛化CO2激光毛化YAG激光毛化