轧辊激光毛化机床技术分析

:Introduce the principle of texturing  on cold rolling by laser
摘要：介绍激光轧辊毛化设备技术分析及原理
关键词：激光 脉冲 分光 毛化 轧辊 冷轧溥板
1,激光毛化机床的原理
为了改善冷轧薄钢板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊（加工）工艺要求的冷轧毛化钢板。
目前轧辊毛化的技术有：喷丸毛化（ＳＢ）、镀铬毛化、电火花毛化（ＥＤＴ）、激光毛化工艺等。这些工艺除粗糙度的堆积形貌不同外,在形貌结构上可分为两类，即有序排列和无序排列的两种类型。喷丸毛化（ＳＢ）和电火花毛化（ＥＤＴ）加工后的轧辊表面波峰形貌排列属于无规则分布的粗糙度形貌类型。大功率CO2激光器输出的连续高能量激光束经计算机控制下的斩光部件转换成脉冲能量，经聚焦后作用到被加工的轧辊表面，高能量的N个脉冲使轧辊表面形成密积排列的凹凸型外观形貌,熔蚀的每个小坑中间下凹，熔流的部分除少量飞溅和形成金属蒸汽外,其熔流物堆积于凹坑周边,凹坑低于轧辊表面，边缘的凸起部份高于轧辊表面约6μm，最高凸起可达8um。小坑周向间距可控，其范围是0.2-0.3mm。
2激光毛化技术与工艺
激光毛化属于可设定形貌分布密度的粗糙度形貌类型。其特点：激光毛化与同类其它毛化设备作业消耗少，生产费用低，运行介质安全。运行中无粉尘，无碳化废料,废油等工业污染。有利于环境保护。用于冷轧机的工作辊:有利于带钢咬入、纠偏、边浪控制，稳定轧制及板型控制.防止卷材吊运过程中的抽芯，用于罩式炉热处理工艺中防止钢卷粘连。由于激光毛化辊的形貌特点,粗糙度衰减较喷丸和电火花毛化辊低，使得轧制吨位大幅度提高降低了辊耗，减少轧钢过程中的换辊，提高了生产效率，节约生产成本。轧辊表面毛化的形貌特征由最初的轧机轧钢生产至成品钢板对钢板的深冲性能、涂妆等工艺性能影响极大。这是因为在冲压成形过程中，毛化钢板上的致密微小凹坑可均匀储存润滑剂，提高薄钢板的深冲性能,产品的成品率大幅提高；同时毛化表面凹凸的形貌使钢板表面增大与涂料的接触面积，增强了油漆的附着能力，所以毛化冷轧钢板附加价值相对高。随着用在轧辊表面形成可预控的粗糙度值（Ra）和密度值（Pc），其均匀性极好。小坑的形貌在加工过程中产生的离心力和辅助侧吹气作用下亦可预控调整，从而形成各种不同的表面织构。
3激光毛化技术的现状
激光毛化机床的关键部件为毛化头,其作用是将大功率的连续激光能量由计算机控制的斩光盘或分光斩光盘或者多棱镜分光镜转换成连续脉冲光, 经聚焦镜作用在轧辊表面。采用大功率CO2激光器的激光毛化技术，必须采用分光技术把连续光转换成脉冲光，现有的分光技术有三种形式；即斩光盘斩光、多棱镜分光、反光盘斩分光技术。图1为斩光盘斩光示意图，图2为多棱镜分光示意图，图3为反光盘斩分光示意图。

图1                          图2                      图3
斩光盘斩光即是简单地把连续的激光截去一段使其转变成脉冲激光，这种斩光方式结构简单，激光利用率低（一般低于60%）。图1中的斩光盘斩光技术是80年代前德国生产的世界上第一台激光毛化设备中使用的技术，它把激光器的连续光经过高速旋转的斩光盘利用齿通和隙隔的作用转换成脉冲光，作用在轧辊的表面，从而形成轧辊表面的毛化，现在国内激光毛化生产厂家仍然还采用这种技术。这种技术解决了把连续激光变换成脉冲激光的难题，同时也存在着有如下缺陷：
属单头毛化，毛化波峰排列构织绝对的有序，，激光能量通过斩光方式利用率<60%，同时无用功消耗的能源介质约为50%。由于斩光盘的速率很高，产生很大气流与风阻，因此对激光打在轧辊表面形成形貌很难控制，侧吹、同轴吹等很难达到预期效果，其结果生产效率低，生产出的产品应用范围受到制约，其原理见（图1）。
多棱镜分光是将一束连续激光转换成两束或多束（一般不多于四束）脉冲激光，优点：这种方式激光能量利用率高于斩光盘斩光，波峰构织形貌排列可做到相对无序。不足是难易保证每束激光能量一样，往往是中间光束强，边上光束弱，调试困难，维护难度大。其原理见图2
反光盘斩分光这种方式激光利用率最高，它克服了斩光盘档齿部分耗费的约50%能源,激光器功率得到充分利用,相对使得各种能源成本也大幅度降低,分光后光束质量好，形貌排列相对无序，调试容易。其原理见（图3），（图5）单头毛化机床结构实物，（图7）相对无序排列的毛化轧辊表面模拟形貌结构图.
              
图5 双头毛化机床结构实物        图7 相对无序排列的毛化轧辊表面模拟形貌结构图
4.现有激光毛化方案与结构
由于当初激光毛化技术的现状，现有的激光毛化机床均为采用80年代后期德国厂家的斩光盘斩光式单头毛化技术，其原理是单一的将CO2激光器输出的连续激光聚焦后经过高速旋转的斩光盘在齿和隙的作用下转换为频率可控的脉冲激光，其原理见（图4）斩光盘式单头毛化示意图，图5 单头毛化结构实物，图6单头毛化轧辊表面有序形貌结构图。
                 
图4斩光盘式单头毛化示意图     图5 单头毛化结构实物     图6单头毛化有序形貌结构图
由于单头技术的局限性，且机床各旋转轴在数控状态下运行所以轧辊上的毛化点阵排列为绝对的有序排列，使得产品的拓展受到一定的局限，在部分产品特定的要求下是一大缺撼。其形貌构织见（图6）单头毛化有序形貌结构图
5．四种技术方案性能比较
目前激光毛化采用的四种技术方案性能比较见表1：1）Q-YAG激光器方案；2）大功率CO2激光器与斩光盘斩光方案；3）大功率CO2激光器与多棱镜分光组合方案；4）大功率CO2激光器与反光盘斩分光组合方案。通过前面分析各种方案特点比较如表
激光毛化方案
激光能量利用率
毛化质量
生产效率
适用范围
激光器类型
分光方式
Q-YAG激光器
—
高
一般
低
小型加工
大功率
CO2激光器
斩光盘斩光
低
较好
低
中小型
多棱镜分光
较高
较好
高
大中型
反光盘分光
高
好
高
大中型
表1  四种技术方案性能比较
由于反光盘分光斩光技术利用了激光器加载于反光盘上齿于隙的全部能量,所以可做成两路毛化光路,即齿反射光和隙通光各一路至聚焦刻花头,且为聚焦刻花镜之前的预斩光，所以还消除了老式斩光盘产生的强气流对外观形貌不可控的缺陷,辅助侧吹气充分发挥对毛化堆积形貌的干预作用，在效率上较80年代早期的斩光盘单一的通过斩光变脉冲方式效率提高约一倍,使得轧辊加工设备运行费用大幅度降低,间接的经济效益可观。
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6．激光毛化机床改进建议
综上各种方案的对比我们认为分光盘双头毛化技术结构简单，运行成本低，生产效率高，聚焦镜采取位置可相对精调结构，其作用可使第二刻花头在轧辊上加工的毛化点与第一刻花头加工形成的有序镙旋线性排列之间进行插补而形成大为改善的相对无序形貌。见下图双头模拟毛化形貌效果结构图。（备注：使用该技术请参考,武汉富乐瑞激光工程有限公司专利技术，专利号为2007-2008，7504.7）我厂原有激光毛化机床只需作局部更新式改造:更换刻花头斩光盘斩光方式为分光斩光盘装置,需改进部分见（图8）激光毛化机床需改进部位示意图，对控制程序作相应修改与编写.
图8激光毛化机床改进部位示意图
6．双头毛化效益分析
采用反光盘斩分光刻花头结构，可提高毛化效率90%上。在同样毛化时间内，达到同样粗糙度，毛化时间可缩短一半。降低毛化成本40%以上。不改变毛化需要的电能及各种气体，按原设计每根轧辊激光毛化成本2600元，年毛化轧辊2000根，改造后毛化成本可降低1000元/根计算，年节约成本200万元。
改善激光毛化形貌各向同性缺陷后，可有效提高设备使用率，使激光毛化辊在单机、双机等成品机组使用。