激光毛化技术

激光毛化技术（精选5篇）

激光毛化技术 篇1

自1992年8月在秦皇岛龙腾精密带钢公司首次成功应用以来,我国自行研发的YAG激光毛化轧辊技术与装备[1,2,3],已在多家冷轧钢板和钢带生产企业应用,在提升这些企业的产品质量水平方面发挥了重要作用.随着对冲压尤其是深冲压用冷轧钢板和钢带表面质量意识的逐渐深入[4],一些已经和打算引进激光毛化轧辊技术的企业和相关人士,希望了解更多关于轧辊激光毛化技术的原理和作用机制、与现有其他方法相比的优势与局限、以及其工艺设计原则等方面的信息和资料.虽然,不同方面人士关注的重点不尽相同,但所关注的基本问题是共性的和基础的.为方便更多相关人员正确理解和合理应用轧辊激光毛化技术,也为了纠正相关资料中关于激光毛化技术的一些模糊、误解、甚至错误的说法,本文就针对轧辊激光毛化技术的几个基本问题进行讨论和释疑.

1 轧辊激光毛化技术的用途

在轧钢行业,冲压用冷轧薄钢板和钢带(以下统称冷轧钢板)产品的表面,需要具备一定的粗糙度和形貌.这是因为,这种粗糙形貌不仅可以减小薄板冲压成形时的摩擦力,改善润滑条件,有利于材料的流动和塑性变形能力的充分发挥,还可以提高涂层钢板的“挂浆”能力、改善板面对涂层的附着力以及涂层表面的映像清晰度(亦称漆膜光亮度).这种粗糙形貌是这类钢板,在冷轧生产的平整轧制工序,从毛面轧辊表面复制获得的.

所谓平整轧制,就是令轧机以较小的压下量(延伸率约为1%)轧制退火板卷的工艺过程.平整也是冲压用冷轧钢板作为成品前的最后一道轧制工序.赋予冷轧钢板指定粗糙形貌,是平整轧制工序的3个主要任务之一.其另外两个任务是:消除材料的“屈服平台”(存在“屈服平台”会严重影响冲压成形零件的成品率及表面质量水平)和改善板型(如变卷板为平板等).

在20世纪70年代以前,制备毛面轧辊大多采用喷丸方法.但随着人们对轿车轻型化和高档化要求的不断提升,喷丸毛化方法(shot blast texturing,SBT)的局限性日益突出.为提高毛化轧辊的能力和精度,20世纪80年代前后诞生了电火花毛化技术(electrical discharge texturing,EDT)[5]和激光毛化技术(laser texturing,LT)[6],90年代诞生了电子束毛化技术(electron beam texturing,EBT)[7],本世纪初诞生了TOPOCROM(电镀铬离散结瘤)毛化技术[8].

除提升所轧钢板表面质量和性能水平的功能外,轧辊毛化还兼有改变轧制摩擦条件和改善轧辊使用性能的作用.激光毛化在改变轧辊表面形貌的同时,还有快速熔凝改性效果,因而带来了一些新的用途,譬如:用来延长平整机工作轧辊[9]和冷轧机工作轧辊的寿命[10]、提高轧机的轧制速度和平稳度[11]、在普通轧机上实现异步轧制[12]、改善冷轧钢板的表面质量[13]以及生产特种薄钢板[14]等其他多种场合.不过,轧辊材质和所在工序以及所轧钢板的用途不同,其采用的激光毛化工艺参数也应不同,其设计方案需要依据具体情况做相应调整.

2 激光毛化轧辊技术的优势

前面已经提到,到目前为止,可以工业应用的轧辊毛化方法有5种.为揭示激光毛化轧辊方法的优势所在,有必要对比分析这些方法的原理和加工特点:

所谓SBT,就是利用有一定粒度配比的高硬度弹丸(多为铸钢球),高速(约80 m/s)撞击以一定速度旋转的轧辊表面,使其因挤压塑性变形而粗糙化,其原理如图1所示[15].

SBT轧辊的形貌特征和粗糙程度,取决于轧辊的硬度和转速以及弹丸的硬度、脆性、大小、速度、流量等多种因素的综合作用效果.喷丸方法毛化轧辊的主要局限性在于:

(1)毛化效果受辊面硬度制约.平整轧制对轧辊的表面硬度要求很高,因此平整工作轧辊多采用9Cr2Mo,GCr15,甚至高速钢等高强度合金制造.轧辊的表层硬度越高,SBT就必须采用硬度更高但脆性也更大的钢球.这样不仅增大毛化成本,也使得辊面粗糙度的精确控制更加困难.

(2)易在所轧钢板表面出现波纹,即粗糙度中线出现波长在1～10mm之间的表面起伏.这是SBT时,钢球的粒度和脆性以及作用点、作用方向和作用力难以精确控制导致的必然结果.波纹度的存在会严重影响钢板的映像清晰度和成型件的外观.因为,粗糙度可以被涂层或镀层掩盖,而波纹度不能(见图2[16]).

(3) SBT形貌的耐磨损能力较差.这是因为由钢球撞击作用易导致轧辊表面挤压损伤,挤出的尖峰易于在轧制过程中折断或磨损.

(4)噪音和粉尘污染严重.SBT过程中,钢球与轧辊高速撞击,噪声和粉尘难以避免.

EDT的工作原理如图3所示:对浸入绝缘工作液中的轧辊和(按一定阵列分布的)电极施加一定幅值和频率的脉冲电压,通过调整轧辊表面与电极之间的间隙,使极间介质电离、击穿、形成放电通道,在电场和放电电流产生的高温作用下,轧辊表层的材料被瞬间熔化、汽化并进入工作液,形成烧蚀坑,轧辊因此获得粗糙形貌.

显然,EDT不像SBT那样强烈地受制于辊面硬度,其表面形貌和粗糙度大小主要取决于电压、电流、脉冲频率、工作介质的介电性能、极间间距及其伺服精度,以及轧辊的旋转速度.因为克服了SBT方法的不足,EDT毛化方法已在不少大型冷轧薄板厂替代SBT,成了毛化轧辊的主体方法.

EDT方法在辊面形成的粗糙形貌主要为放电烧蚀坑,熔融物的保留量不如EBT和LT,故其形貌的耐久性高于SBT,但低于EBT和LT.用这种轧辊轧制薄钢板,其复制效率相对较低,所生产钢板的毛面形貌以凸包为主.从摩擦学角度看,钢板表面有这种形貌,有利于减小冲压时钢板与模具的摩擦力,有利于材料的流动,但其映像清晰度逊于以凹坑为主的毛面钢板.

EBT的工作原理如图4所示:利用具有一定能量密度的电子束,以一定角度逐点辐照以一定转速旋转的轧辊表面,通过电子束与辊面材料相互作用,产生的热能形成熔池,产生的动能将熔融物迁移至熔池边缘,使辊面获得指定形貌和粗糙度.

电子束毛化轧辊方法的优势是:轧辊材料对于电子束能量的吸收能力高于激光,提高电子束的能量水平比提高激光束的能量水平容易且成本较低.

电子束毛化轧辊方法少有工业应用的主要障碍是:电子束加工必须在真空条件下进行,而如此大的真空设备及其运行成本一般冶金企业难以承受.

首套TOPOCROM毛化轧辊工业装备2006年12月在韩国浦项钢厂正式启用[17].该方法利用电镀铬过程中的“结瘤”特点,在轧辊(阴极)表面诱导生长离散分布的球形凸包,其工作原理如图5所示.与激光毛化和电子束毛化方法不同,该方法只有“塑”没有“雕”,而且“塑”到轧辊表面的金属铬,比轧辊材料更硬、更耐磨.

TOPOCROM方法有两大卖点:(1)显著提高轧辊的使用寿命,TOPOCROM毛化轧辊的寿命不仅大大高于喷丸辊,也明显高于EDT轧辊和EDT后再镀铬的轧辊;(2)所轧钢板表面形貌为大小和分布都随机的球形凹坑构成(见图6),其映像清晰度明显优于SBT钢板.

TOPOCROM毛化方法的局限性在于:它只能在辊面制造凸包(即只能在板面制造凹坑).但是,就提高冲压成形能力而言,钢板表面只有凹坑是不够的.因为,表面均匀分布球形微凸包和凹坑(即应该在平整工作轧辊的表面制造均匀分布的球形微坑和凸包),更利于降低钢板的摩擦系数和改善其冲压流动性,因而也更符合摩擦学原理.其次,高昂的电镀铬设备系统运行以及污染处理等费用也是一般企业难以承受的.不过,浦项钢厂提供的信息[17]认为,用TOPOCROM装备毛化轧辊,其成本比EDT还要低30%～40%.

LT方法的工作原理是:采用高能量密度和高重复频率的脉冲(CO2或YAG)激光束,按照一定的分布,逐点使轧辊表层材料熔化并形成微小熔池,与此同时,用辅助气流(一般为N2气)对熔融物进行“雕”、“塑”,轧辊因而获得既有凹坑亦有凸包的微尺度毛面结构.激光毛化轧辊的效果主要取决于激光脉冲的功率、频率和波形,辅助气体的种类、流速、方向和流量,轧辊表层材料的材质以及轧辊的转速及其控制精度(参见文献[21]).

激光毛化轧辊方法的主要优势是:可在精确制造粗糙形貌的同时使辊面得到改性强化.

激光毛化轧辊方法的主要局限在于:毛化形貌和分布过于规则,容易在所轧钢板表面出现宏观可见的布纹花样.

根据上述分析和表1所列出5种方法的基本特点,不难确定:LT和TOPOCROM方法虽然都具有毛化能力强和毛化寿命长久的优势,但因能制造多种形貌,满足更广泛的需求,且没有电镀铬污染问题、成本相对低廉,如果能设法改进其规则性局限,LT方法将会在工程上有更大的发展和应用空间.

毛化方法不仅决定了轧辊表面形貌,还可以通过平整轧制工艺影响所轧钢板的表面形貌和性能.文献[20]研究了不同毛化轧辊方法对所轧钢板映像清晰度的影响规律:在粗糙度相同(比如Ra=10μm)的情况下,激光蒸发型毛面(YAG激光毛化)钢板的DOI最高,与光面板(映像清晰度高但漆膜附着力差)相当,其次是激光熔融型(CO2激光毛化)毛面钢板,再次是电火花毛面钢板,最差的是喷丸毛面钢板.该图的实验时间是20世纪90年代前后,因此没有TOPOCROM毛面钢板的数据.

文献[20]还研究了喷丸毛面钢板和激光毛面钢板摩擦系数与冲压拉伸的速度关系,其结果表明:不同毛化轧辊对所轧钢板的摩擦系数也有明显影响,即不论有、无润滑,激光毛面钢板的摩擦系数均明显低于喷丸毛面钢板,且激光毛面钢板摩擦系数随拉伸速度提高而下降的程度也明显大于喷丸毛面钢板.这一结果显然与两种钢板的表面毛化形貌不同相关.

3激光毛化为延长轧辊寿命的原因

合适的激光毛化工艺可以提高冷轧工作轧辊寿命,这是工程实践得出的结论.这里仅举其中一例予以说明[2,21].

用同材质(9Cr2Mo)普通砂轮打磨辊(General Roll)、喷丸毛化辊(SBT Roll)和激光毛化辊(LT Roll),在400mm宽森吉米尔二十辊冷轧机上进行了轧制寿命(用所轧合格带钢的长度表征)对比试验.其结果(见图7)表明:在平整轧制(压下量1%)条件下轧制0.36mm退火薄钢带,用喷丸毛化轧辊只轧制了40 km,其粗糙度Ra便由2.5μm下降到不足1.2μm,即粗糙度减小了50%以上;但采用激光毛化轧辊轧制了100km,其粗糙度Ra仅从2.0μm下降到1.6μm,即粗糙度仅减小了20%.在冷轧(压下量50%)条件下轧制1.0mm厚带钢,采用普通辊轧制5 km,其粗糙度Ra便由2.7μm下降到不足1.4μm;而初始粗糙度相同的激光毛化辊轧制18km后,其残余粗糙度仍大于1.5μm.

关于激光毛化方法延长轧辊寿命的机制,从以下3方面予以讨论[21,22]:

3.1 离散分布的激光毛化微结构可以更有效地改善轧辊与轧材的接触条件(形貌增强机制)

由激光“雕”、“塑”形成的辊面形貌及其微结构如图8所示.其凸出原辊面的部分,即由熔融物“堆塑”成的球冠,在轧制过程中可以有效“咬”住所轧薄板,二者之间不易因发生相互滑动而导致划伤和磨损.其凹陷部分,即由熔融物被“雕除”形成的封闭型凹坑,在轧制过程中可以有效储存轧制液并形成高压液膜(见图9).这种接触条件可以有效避免轧辊与所轧薄板发生粘连.粘连现象会严重影响冷轧生产,一旦出现,轧辊必须下线修磨,所轧钢板也可能因为表面质量受损而报废.

3.2 离散分布的高硬度激光快速凝固组织及固态相变组织可以显著提高轧辊的耐磨损能力(改性强化机制)

激光毛化点的剖面结构(图8右),由表及里大致可以分为3层:即快速凝固层(即白亮带,为纳米晶甚至非晶组织,其硬度≥900HV)、固态相变层(为针状或板条马氏体组织,其硬度≈800HV)和基体(一般为马氏体和贝氏体组织,其硬度≈700 HV).离散分布且硬度明显高于基体的硬化点,当然有利于提高轧辊的耐磨损能力.

进一步的研究结果[23]表明:激光毛化轧辊的耐磨损能力还与硬化点的间距大小密切相关.由图10不难看出,在激光毛化点直径为0.65 mm的情况下,两毛化点中心间距与毛化点直径相同时样件的磨耗量最小,即两毛化点相切时样件的耐磨损能力最强;两毛化点间距小于(即毛化点相互搭接)和大于毛化点的直径,样件的耐磨损能力都呈下降趋势.

3.3 快速熔凝形成的拉应力可以有效缓解轧辊表层的残余压应力强度(应力增韧机制)

因轧制变形抗力很大,冷轧工作轧辊多采用高强度合金钢甚至高速钢制造,其表层还要进行淬火处理以进一步提高辊面硬度.淬火提高辊面硬度的机制有两个:即马氏体相变和因马氏体相变体积膨胀效应产生的残余压应力.强韧相克是一般淬火处理的一对难以协调的矛盾:即马氏体相变愈充分,残余压应力愈大,轧辊表层的硬度愈高,其耐磨损能力和使用寿命也愈高;但马氏体相变愈充分,残余压应力愈大,轧辊表层材料的脆性也愈大,愈容易出现崩裂现象,严重的甚至可能导致整个轧辊报废.因此,辊面硬度愈高,制造难度愈大,成本愈高.

在单个毛化点直径为200μm、熔凝层厚度约为10μm、毛化点间距与毛化点直径相同的情况下,我们以9Cr2Mo冷轧辊为对象,用X光应力仪测定了轧辊表层残余应力强度,分析了其与毛化点作用激光脉冲数的关系,其结果如图11所示[2,21,22].在图11(a)中可以看到:激光毛化前轧辊表层为压应力状态,其强度约为一900～-500MPa;当每个毛化点作用2个激光脉冲时,轧辊表层的压应力强度下降到-400～-200MPa范围;当每个毛化点作用4个激光脉冲时,轧辊表层的压应力强度下降到-250～-70MPa范围;当作用于每个毛化点的激光脉冲数增加到6个时,辊面开始显示拉应力状态.这一情况表明:在本试验条件下,激光毛化处理可以有效缓解轧辊表层的残余压应力状态,即有效改善辊面的韧性;但作用于每个毛化点的激光脉冲数不宜超过6个,否则,轧辊表层的残余应力状态将会由压应力转变为拉应力,轧辊的使用性能和寿命将因此受损.

图11(b)表明:在每个毛化点作用两个激光脉冲的情况下,轧辊表层残余压应力强度随毛化点间距的增大(毛化点密度减小)而减小.如果希望利用LT方法调整辊面残余应力状态、改善其韧性,应该将毛化点的间距限制在毛化点直径(200μm)的1倍至5倍(1000μm)之间,小于此范围(即毛化点相交),辊面将呈现拉应力,其性能将恶化;大于此范围,则LT的处理效果不足以影响辊面残余压应力场,其增韧作用不能充分发挥.

4 激光毛化能改善钢板的塑性变形能力的原因[24]

既然没有激光的直接作用,那激光毛化为什么能影响钢板的塑性变形能力呢?以下分3个部分来讨论这一问题:

4.1 激光毛化与钢板或钢带的关联

前面已经提到,激光毛化轧辊时,轧辊表面既有形貌改变,亦有组织和性能的改变,还可能产生残余拉应力.但是,用LT轧辊平整轧制钢板或钢带时,除表面形貌外,轧辊不可能将激光的其它作用效果传递给钢板或钢带.板与辊之间的形貌传递关系(参见图9)是:辊面的凸包对应钢板表面的凹坑(其传递效率可达80%),辊面的凹坑对应钢板表面的凸包(其传递效率一般在20%左右).需要特别指出的是,平整轧制时,激光毛化轧辊的作用,除了约1%的整体压延变形外,便是通过形成上述凸包和凹坑,在被轧钢板或钢带表面上的对应部位,形成离散分布的附加塑性变形硬化效应和残余压应力.这应该就是LT轧辊轧制的毛面钢板与砂轮磨光辊轧制的光面钢板塑性变形能力存在显著差异(见图12)的原因所在.

4.2 毛化形貌对钢板或钢带的塑性变形能力的改善

通过中途停机更换轧辊的办法,分别采用砂轮磨光轧辊和激光毛化轧辊,对同一卷0.35mm厚08F冷轧退火钢带进行平整轧制,轧速90m/min,在获得的光面板和激光毛面板上分别取样进行拉伸试验,其结果如图12所示.

从图12(b)可以清晰地看出,光面板样件(G板,表面光泽发暗者)变形区域很小,其残余塑性变形(延伸率)只有2.4%.而激光毛面板样件(L板,表面呈银灰色者)的变形区非常宽阔,其残余塑性变形高达11.4%,接近光面板的5倍;板面上的丰富滑移带表明,其塑性变形在广泛区域内得到充分发展,其变形集中和最终断裂是若干个塑性变形区域竞争的结果.从G板和L板的拉伸变形曲线上(图12(b)),我们可以更清晰地看出两者的变形差异.

4.3 激光毛化改善钢板塑性变形能力机制的讨论

我们已经知道,在激光毛面钢板的表面有大量均匀分布、以凹坑和凸包为特征的硬化点.扫描电镜下的动态拉伸试验表明:由于硬化程度较高,激光板的塑性变形首先发生在硬化点之外的其它区域,因此出现滑移线在毛化点周边富集的现象(见图13),在这些区域的变形程度达到其预变形程度时,硬化点才会参与样件整体的变形.这就是说,激光板拉伸变形时,离散分布的硬化点客观上发挥了均化变形、稳定变形和延缓变形集中的作用.硬化点的这种作用应该是激光板的延伸率明显高于同材质光面板的主要原因.

需要指出的是:这里阐述的带硬化效应的表面形貌(粗糙度)对材料塑性变形能力的影响,主要针对薄钢板和薄钢带而言,且材料愈薄其表面形貌的影响愈突出.从塑性变形损伤力学角度看,表面起伏会减小材料的有效承载厚度,因而表面粗糙度也是一种损伤,即表面损伤.材料愈薄,表面起伏在材料厚度中所占的比重越大,表面损伤对材料塑性变形能力的影响也愈严重.

此前的研究结果[2,25]表明:对于低碳冷轧钢板,其拉伸变形允许的表面损伤极限尺度不超过板厚的1%.若薄板的厚度为1 mm,其表面损伤的极限尺度应小于10μm.对于一般汽车钢板,满足其成形要求的粗糙度Ra值一般在2.0μm左右,此时表面粗糙度的最大起伏值Rtm(粗糙度曲线上相邻的最高峰值和最低谷值之和)不超过10μm.因此,这一尺度范围内的粗糙度不会影响钢板的拉伸塑性变形性能.但是,对于厚度更小的薄板,譬如厚度<0.1 mm的极薄板,就不能简单地依据上述结论推演,将其表面损伤的极限值定在<1μm的范围.因为,对于这类极薄板,表面形貌和粗糙度对其性能的影响较一般钢板更为显著.

此外,在一些关于激光毛化技术效果的宣传资料中,有关于钢板的抗拉强度因采用了激光毛化技术而提高说法.前面已经阐明,激光毛化轧辊和喷丸或砂轮打磨轧辊平整轧制的冷轧钢板,除表面形貌外并无其他不同,而与这种表面形貌差异对应的不过是板面局部(凸包和凹坑处)塑性变形程度的差异.换句话说,在常规的轧钢机上,不论采用何种方法制备的轧辊轧制钢板,也不论其压下率是多少,除了变形程度差异外,轧制过程不可能改变钢板的材质.这种变形程度差异,特别是表层局部的变形程度差异,只可能影响钢板的剩余塑性变形能力和屈服强度(钢板愈薄其影响愈显著),不可能改变钢板的抗拉强度.

5 关于LT技术改进和发展方向的思考

到目前为止,轧辊激光毛化所采用的不外CO2和YAG两种光源.要改善LT形貌的规则性问题,对于CO2激光装备,可以通过调整其断光盘的占空比和反光系统来改善;对于YAG激光装备,则可以通过采用随机程序控制光开关的办法来改善;也可以采用多个激光头(设置不同的光束和气流入射角度),在提高毛化效率的同时改善形貌的规则性.

近些年得到长足发展的半导体泵浦YAG激光器,特别是半导体激光器和光纤激光器,其使用寿命和维护成本均大大优于目前采用的CO2激光器和YAG激光器.新一代激光毛化轧辊装备应设法采用这些新型光源,以提高其工作的稳定性和可靠性,但需要解决激光束波长与脉宽的选择及调控,以确保激光对于钢的熔化效率等问题.

根据激光毛化轧辊原理,采取微区熔凝或熔覆合金化的方法提高其凸包制造能力,使之达到甚至超过TOPOCROM方法.已有工作证明了这一想法的可行性[26].眼下需要开展的工作是,选择合适的合金粉末体系和优化激光工艺条件.

毛面金属薄板在汽车、高铁、航空航天、家用电器以及食品包装等行业都有广泛用途.一般讲,薄板的材质和用途不同,其对表面形貌的要求也不尽相同,但归纳起来,有以冲压或深冲压性能为主、以映像清晰度为主、以及二者兼顾三大类.

对于以冲压性能为主要诉求的薄板,从摩擦学角度设计,其表面形貌应该为均匀分布的球形凸包和凹坑结构.这类薄板显然只能采用激光而不是TOPOCROM毛化轧辊轧制,激光毛化轧辊方法的发展方向是如何进一步提高其熔化效率和熔融物的精确“雕”“塑”水平.

如果以映像清晰度为主要诉求,则表面只有凹坑的薄板明显优于表面只有凸包的薄板.这种薄板必须采用只有凸包的毛化轧辊轧制,TOPOCROM目前就是以此作为其关键卖点之一.其实,如果解决了激光微区熔覆合金化工艺,激光毛化将比TOPOCROM更具优势,因为它不存在环境污染问题.

工程上还有一些情况,是既需要薄板具备优良的冲压性能,又要求其成形产品具有高的映像清晰度,比如汽车覆盖件钢板、镀镍电池壳带钢、罐头用镀锡薄板等.对于这类产品的生产,激光毛化轧辊技术比TOPOCROM技术更具优势,因为它的造型功能更多样化.

激光毛化技术 篇2

1.激光切割技术基本概念

激光切割是利用高能量密度的激光束作为“切割工具”对材料进行热切割的一种材料加工方式，是激光加工行业中最重要的一项应用技术。1971年用CO2激光切割包装用夹板，首次开辟了激光切割在工业领域中的应用。随着激光切割设备的不断更新和切割工艺的日益先进，激光切割技术可实现各种金属，非金属板材及众多复杂零件的切割，在汽车工业，航空航天，国防等领域获得了广泛应用。

2.激光切割技术基本原理和分类

2.1 激光切割技术基本原理

在激光束能量作用下，材料表面被迅速加热到几千至上万度而熔化或气化，随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体吹走，达到切割材料的目的。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料。

2.2激光切割技术的分类

激光切割可分为：激光气化切割，激光熔化切割，激光氧化切割和激光划片与控制断裂四类。

（1）激光气化切割：利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始气化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的气化热很大，所以激光气化切割时需要很大的功率和功率密度。激光气化切割多用于极薄金属材料和非金属材料的切割。

（2）激光熔化切割：激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴吹非氧化性气体，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全气化，所需能量只有气化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢，钛，铝及其合金等。

（3）激光氧化切割：原理类似于氧-乙炔切割。是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体与切割金属发生作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧化切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光气化切割和熔化切割。激光氧化切割主要用于碳钢，钛钢以及热处理等易氧化的金属材料。

(4)激光划片与断裂控制：激光划片是利用高能量密度的激光束在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。断裂控制是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

3.激光切割的工艺特点和应用范围

3.1 激光切割工艺特点

（1）切割质量好，精细

由于激光光斑小，激光切割切口细窄，切割表面光洁，热影响区宽度很小，变形小，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序。

（2）切割效率高

由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有数控工作台，整个切割过程可全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三位切割。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上，下料的时间。

（3）非接触式切割

激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需要改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。

（4）切割材料的种类多

激光切割材料包括金属，非金属，金属基和非金属基复合材料，皮革，木材及纤维等。对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。

（5）缺点：激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。

3.2 激光切割的应用

在材料方面受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中，小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：

第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。

第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。

第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。

4.激光切割工艺参数与质量评定

4.1激光切割工艺参数

（1）光束横模

① 基模 又称为高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于1kw的激光器。② 低阶模 与基模比较接近，主要出现在1-2kw的中功率激光器。③ 多模 是高阶模的混合，出现在功率大与3kw的激光器（2）激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。气化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。

（3）焦点位置

离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。

（4）焦点深度

切割较厚板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。

（5）切割速度

切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。对于不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。

（6）辅助气体的种类和压力

切割低碳钢较多采用氧气作辅助气体，以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程，而且切割速度快，切口质量好，可以获得无挂渣的切口。切割不锈钢时，常采用O2+N2混合气体或双层气流，单用氧气在切口底边会发生挂渣。气体压力增大，动量增加，排渣能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增加。

氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表明，氧气纯度降低2%，切割速度就会降低50%。

喷嘴形状也影响激光切割质量和效率。不同切割机采用不同形状的喷嘴。

4.2激光切割质量评定

与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。一般来说，激光切割质量可以由以下6个标准来衡量。（1）切割表面粗糙度RZ（2）切口挂渣尺寸（3）切边垂直度和斜度u（4）切割边缘圆角尺寸r（5）条纹后拖量n（6）平面度F 5.激光切割设备

激光切割设备与焊接设备基本类似，区别是焊接需要使用激光焊枪，而切割使用激光割炬。激光切割大都采用CO2激光切割设备，主要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬及抽烟系统组成。

激光器由激光电源提供高压电源，产生的激光经反射镜、导光系统把激光导向切割工件所需要的方向；数控运动系统主要用于调节割炬的移动方向，割炬与工件间的相对移动有三种情况。

① 割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件。② 工件不动割炬移动 ③ 割炬和工作台同时运动。

割炬主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。激光切割时，割炬必须满足下列要求。

④ 能够喷射出足够的气流。

⑤ 割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴。⑥ 割炬的焦距能够方便调节。

⑦ 切割时，保证金属蒸汽和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。

激光切割时，要求激光器输出的光束经聚焦后的光斑直径最小，功率密度最高。喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。喷孔的形状有圆柱形、锥形、和缩放形等。一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等经试验后确定。

6.激光切割的应用实例

6.1布料激光切割

制衣行业中使用的服装布料激光切割机打破了传统手工和电剪速度慢和难以排版,充分解决了效率达不到和浪费材料的难题.速度快，操作简单，只需把所要裁剪的图形及尺寸输入到电脑，机械就会把整张的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，利用激光实现非接触式加工，简便快速。布料激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低,消耗低.操作更方便，效果更好，并且因为激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简单等特点.可连续24小时工作。

用于皮革、箱包企业及皮鞋、鞋材生产企业的激光切割雕刻机, 集切割、雕刻和镂空于一身，适用各种皮革料的加工：高档鞋材、皮包、皮衣切割特殊形状，无毛边，尺寸标准，误差小（±0.1mm），效果柔软，无高周波或刀模切压的生硬感。另可于皮革上刻画特别效果或图案，使成品更显精细及别具创意。

6.2激光切割在饰品中的应用

饰品加工是一门对比特殊的职业，由于主要是针对一些稀有的贵金属的加工改造，所以对加工改造的设备要求十分的高。可是这对小型激光切开机来说，确是一个十分好的机会，它极好的处理了加工饰品中的一些难题，并且受到了各个厂家的热捧。

运用小型激光切割机加工饰品在不需开模的情况下，就可以直接加工出想要的商品，并且精度十分的高，加工时刻只需要短短的几分钟就可以。不仅缩短了加工时刻，还降低了成本。

6.3激光切割在眼镜行业中的应用

以往眼镜行业主要利用模具做镜框，不同样式需要做不同模具，所需成本高，效率低。直到激光切割机投入后，开发新的款式只需在软件上呈现，速度快、精度大，特别适合小量、多款式的生产模式。甚至可以做到一台光纤激光切割机能够快速加工出了不同款式的眼框，为个性定制眼镜解决后顾之忧。

除此之外，激光切割机能够在板材上任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续处理，比传统切割设备快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高眼镜厂家的新产品开发速度，能够快速收回设备投资成本。眼镜专用激光切割机能在板材上切割任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续处理，比线切割快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高贵公司的新产品开发速度，最快为您收回设备投资成本。一机多用，既能满足客户对平板的切割要求，也能满足管圆及异形材料（方钢、扁铁、槽钢、方管）的切割。

6.4激光雕刻

使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。您可以在Win98/Win2000/WinXP环境下利用多种图形处理软件，如CorelDraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种CAD文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、压克力、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

7.参考文献

激光毛化技术 篇3

激光毛化 (LBT) 亚光铝材作为一种新型材料, 具有理想的表面装饰效果, 优良的深冲性能和良好的涂漆着色性能, 近年来越来越多地被应用于建筑装饰、包装、汽车、家电和电子等行业, 市场需求飞速增长。但我国在该领域的研发起步较晚, 未形成成型技术, 材料大量依赖进口。为实现该项技术的国产化, 本课题对轧辊激光毛化参数、毛化轧制工艺对铝材表面亚光特性的影响规律进行了分析, 并对其形成机理进行了探讨。

2 实验方案

2.1 LBT参数的选定原则

轧辊经过LBT处理后, 表面呈现为密集且离散分布的微坑, 其深度 (即毛化粗糙度) 、密度和毛化点阵分布状态直接影响所轧制产品的表面亚光效果、机械性能、异向性和深冲性等关键特性, 因此LBT参数的选择是本次研制的关键所在。

在轧辊毛化的各项参数中最为重要的参数为微坑深度。微坑深度过浅, 体现不出毛化效果, 无法达到预期目标;微坑深度过深、光斑尺寸过大, 必然造成分布密度降低, 材料表面钉扎强化效果将减弱, 且制品的表面粗糙度过大, 对后续深加工也会造成诸多不利的影响。因此轧辊毛化参数的选择必须兼顾毛化效果与材料的使用要求。

2.2 第一阶段轧辊激光毛化工艺参数

第一阶段选定的两对毛化轧辊的激光毛化工艺参数见表1。

2.3 第二阶段轧辊激光毛化工艺参数

第二阶段采用了六种激光毛化工艺参数对轧辊进行了毛化处理, 参考第一阶段的试验数据, 第二轮试验进一步降低表面粗糙度和光斑尺寸, 适当提高了毛化点的分布密度。本轮试验六种毛化工艺的粗糙度相近, 均在Ra0.835~0.927之间, 主要是改变毛化点的分布形貌, 其毛化参数见表2, 其毛化点的矩阵分布形貌见图1。

(a) 3# (矩形, 随机率30%) (b) 4# (矩形, 随机率70%) (c) 5# (菱形, 随机率0%) (d) 6# (菱形, 随机率50%) (e) 7# (菱形, 随机率30%) (f) 8# (菱形, 随机率70%)

3 实验结果及讨论

3.1 轧辊毛化参数对板材表面毛化效果的影响

3.1.1 毛化参数对铝材表面亚光形貌的影响

3003合金, 采用普通辊和毛化辊经30%压下量轧制的0.2mm厚度薄板, 表面SEM形貌见图2。

由图2可见, 普通板材和亚光板材的表面都具有典型的变形形貌。普通板材表面光滑, 有明显的与轧制方向平行分布的轧制条纹, 宏观观察时具有较强的反光现象。与普通表面相比, 通过表面SEM形貌观察, 我们可以看出, 激光毛化亚光板材表面均匀分布着沿轧制方向拉长的变形微坑, 由于这些微坑的存在, 对光线产生了明显漫反射效应, 因此在宏观上呈现出良好的亚光效果。其中1#轧辊与2#轧辊相比, 由于毛化粗糙度较低, 毛化点分布密度大, 因此所轧制的板材表面微坑更为均匀、细腻。

(a) 普通辊 (b) 1#毛化辊 (c) 2#毛化辊

3.1.2 毛化点分布形态对铝材表面亚光形貌的影响

不同毛化点阵分布形态的轧辊所轧制的板材在宏观上均获得了良好的亚光效果, 但微观上不同参数亚光板材的毛化效果有一定差异。其中1#轧辊所获得的铝材表面很好地遗传了轧辊表面原有的点阵分布状态, 其它样品的表面形态与毛化点阵之间亦存在对应关系, 但由于环状凹坑之间发生了部分叠加, 因而其规律性不明显。

3.2 冷轧工艺对板材表面毛化效果的影响

3.2.1 第一阶段的试验结果

第一阶段, 成品道次轧制采用了三种不同的冷轧加工率, 分别为10%、20%、30%。经宏观观察, 三种不同道次压下量的毛化效果在宏观上无明显差异, 所轧制的板材均获得了较好的亚光效果, 其表面色泽均一, 具有良好的装饰性能。考虑到生产效率和板型控制等因素, 在获得理想亚光效果的前提下应选择较大的道次加工率。

3.2.2 第二阶段的试验结果

图3为采用4#激光毛化辊不同冷轧压下量条件下轧制的亚光薄板的表面形貌。

由图3可见, 随冷轧压下量的增加, 亚光铝材表面的环状凹坑沿轧制方向被拉长。变形量较低时, 凹坑拉长较短, 相互之间未发生明显的叠加, 且分布均匀。压下量较大时, 凹坑被明显拉长, 轧制方向相邻毛化点相互叠加, 垂直方向相邻毛化点亦发生连接。当变形量达到50%以上时, 点阵分布规律已完全消失, 亚光效果减弱, 反光度明显增强。因此, 结合第一阶段的试验结果, 采用LBT轧辊生产亚光制品, 为兼顾效率和毛化效果, 成品道次压下量应控制在25%~38%之间。

(a) 27% (b) 37.5% (c) 50%

4 结论

(1) LBT铝材表面均匀分布着沿轧制方向拉长的微坑, 对光线产生了明显漫反射效应, 因此在宏观上呈现出明显的亚光效果。

(2) 激光毛化粗糙度控制在Ra0.8~1.0, 毛化点分布密度控制在48~64点/mm2, 所得制品的表面微坑均匀细腻, 具有较理想的亚光效果。

(3) 不同毛化点阵分布形态的轧辊所轧制的板材在宏观上均获得了良好的亚光效果, 无显著差异, 但微观观察, 分布形态具有一定的遗传性。

(4) 激光毛化制品的最终道次的冷轧压下量控制在25%~38%之间, 所轧制的铝及铝合金板、带、箔材, 可获得理想的亚光表面, 材料表面均一, 光泽度好, 具有良好的装饰效果;当冷轧变形量达到50%以上时, 制品表面的微坑被拉长, 并发生相互叠加, 毛化点阵基本消失, 亚光效果减弱。 (编辑黄荻)

摘要：通过对激光光斑尺寸、点距和毛化点分部密度等相互关联的毛化工艺参数的研究和分析, 总结了激光毛化点密度、蚀坑深度及蚀坑的点阵分布形态等参数对轧辊表面毛化效果的影响规律, 并深入分析了其影响机理。

激光强化、修复技术2 篇4

模具工作面金属医生/激光强化处理技术及装备

可对金属工件出现磨损、划伤、针孔、裂纹、缺损变形、硬度降低、沙眼、损伤等缺陷进行沉积、封孔、补平等修复功能。还可在金属表面形成耐磨层、耐蚀层、耐热层、耐氧化层、耐冲击层、防滑层、高粘合层、可焊层、导电层等强化作用。这样就决定了本设备应用的广泛性和先进性。成为各行各业必备的设备。

1、模具制造行业

塑料模表面的打毛，增加美感和使用寿命；头盔塑料模具分型面堆焊修复；铝合金压铸模具分流锥表面强化；模具腔超差、磨损、划伤等修复与强化。

2、塑料橡胶工业

橡塑机械零部件修复，橡胶、塑料件用的模具超差、磨损与修补。

3、航空、航天业

飞机发动机零部件、涡轮、涡轮轴修复或修补，火箭喷嘴表面强化修理，飞机外板部件修复，人造卫星外壳强化或修复，钛合金件的局部渗碳强化，铁基高温合金件的局部渗碳强化，镁合金的表面渗A1等防腐蚀涂层，镁合金件局部缺陷堆焊修补，镍基/钴基高温合金叶片工件局部堆焊修复，如：叶片叶冠阻尼面与叶尖的磨损和导叶的烧蚀等。

4、汽车与机车的制造与维修行业

汽车制造和维修工业中，用于凸轮、曲轴、活塞、汽缸、离合器、摩擦片、排气阀等补差和修复，汽车体的表面焊道缺陷补平修正。

5、船舶、电力行业

电曲轴、轴套、轴瓦、电气元件、电阻器等修复，电气铁路机车轮与底线轨道连接片的焊接，电镀厂导.电辊、金属氧化处理铜铝电极的制作焊接。

6、机械工业

修正超差工件和修复机床导轨、各种轴、凸轮、水压机、油压机柱塞、气缸壁、轴颈、轧辊、齿轮、皮带轮、弹簧成形用的芯轴、塞规、环规、各类辊、杆、柱、锁、轴承等。

7、铸造工业

铁、铜、铝铸件砂眼气孔等缺陷的修补，铝模型磨损修复。

8、化学工业

反应器搅拌轴及浆可焊上耐磨耐蚀层。用此方法可加工泵柱塞、泵叶轮、泵壳体、密封环、轴套、阀门密封面、阀杆、阀芯、风机叶片、压缩机十字头、耐酸泵柱塞叶轮、套筒及环状零件等。

9、金属、动力、冶金、煤炭工业

送风机零件、翻斗车零件、分粒过滤网、各种冲磨及冲头、煤炭运输丝杆、传送零件、蒸汽阀、重载荷轴承以及轧辊的表面强化、管材生产线V形传辊的表面强化、线材生产线导卫锟的表面强化、轧辊的表面毛化处理、轧辊表压挤伤沟（坑）的在线修复、轧辊颈轴磨损的修复、钼顶头的表面强化、燃烧机、加热机、退火罐、排气管道、冶金炉风嘴、铸磨等修复。

10、水泥工业

水泥干燥设备、鼓风机叶片、传送零部件、齿轮轴、滚炉拖轮、各类轴承、轴套等强化或修复。

11、建筑业

建筑机械零部件、水泥搅拌浆、砖成型机的桥与心轴强化等修复

12、造纸工业

造纸烘缸、压辊、轴颈、齿轮轴、皮带轮等修复。

13、印刷工业

印刷机油墨滚筒、印刷辊轮表面强化与修复

14、食品工业

食品机械零部件的维修，食品模具修补是最佳的方法。若用其他焊接修补会烧伤模具。

15、印染工业

印染机械零部件的修复，特别是对印染设备修复与防腐，更有它的特色。

16、其它行业 兵器工业

在电力、石油、冶金、汽车等许多工业部门及兵器工业中，材料表面的耐烧蚀涂层的研究越来越受到人们的重视。如大口径火炮的内膛表面，在射击时遭受火药爆炸产生的高温气体的强烈烧蚀，是影响炮管使用寿命的一个重要因素，通常比磨损或疲劳破坏严重得多。

长期以来，炮管镀铬作为一种防烧蚀的方法在国内外广泛应用，但镀铬层往往存在许多固有裂纹，而且很脆，加之镀铬层的显微组织为沿镀铬层厚度方向生长的柱状晶，其耐蚀性能较差，容易脱落。采用电火花表面合金化的方法获得的耐烧蚀涂层与镀铬涂层和未处理的基材相比，基材３次烧蚀循环就严重氧化脱落一层氧化皮；镀铬层处理后烧蚀２次循环时产生明显宏观裂纹并开始剥落，至２７次循环时，镀铬层几乎全部脱落；而电火花强化层至３０次烧蚀循环后，仅表面颜色变暗，涂层厚度无明显减薄，更无裂纹和剥落现象。这表明电火花表面合金化是获得耐烧蚀涂层的好办法。航空工业中的应用

•如今我们采用金属医生技术对多种航空航天、汽车、电机等上使用的铝合金部件的疏松、气孔和表面裂纹等缺陷进行了修复。经过装机使用，效果非常好。

•铝合金表面修复

铝及其合金表面自然形成一层强韧性的氧化膜，由此造成在实际焊接过程中很难防止暴露区域的氧化行为。电阻点焊焊接铝合金也是非常困难的，尽管该技术可以实现铝合金的焊接，因为表面氧化膜的存在导致表面电阻发生变化[12]。与铁不同，铝只有一种同素异形体，这样在冷却时就无相转变发生而造成显微结构的变化。铝合金强化的方式主要有变形强化、固溶强化和析出强化。常规焊接方法一般会在焊接时由于热输入的热量会恶化变形强化或析出强化的铝合金。

•弧焊和点焊是铝合金焊接中较常采用的焊接技术。最近由于激光技术的迅速发展，激光焊接技术得到迅猛的发展并在铝合金的焊接上的应用越来越广泛。然后，由于铝合金种类的不同而存在不同的问题。如，有研究表明在焊接AA6xxx系列铝合金由于存在较大的凝固温度区间而极易形成诸如裂纹等缺陷，在焊接AA5083时由于Mg含量在3~6%之间极易形成疏松缺陷。以上缺点的存在，导致铝合金的激光焊接比较于钢铁材料的焊接而言要复杂得多。

•而且，氧与铝之间的高活性会导致铝合金产品在铸造过程中极易发生疏松和气孔等缺陷，如图1为某型号发动机铸造件表面上形成的缩孔，图2为ZL104铝合金中形成的疏松缺陷。疏松和气孔的存在会严重降低制件的服役性能，甚至造成事故。但由于这些铝合金制件多为薄壁件且一般已经加工成成品，常规的焊补手段很难做到对基材不产生热损伤。而金属医生技术却可以很好的解决这一问题。?如今我们采用金属医生技术对多种航空航天、汽车、电机等上使用的铝合金部件的疏松、气孔和表面裂纹等缺陷进行了修复。经过装机使用，效果非常好。图3为我们在某航空发动机部件上使用金属医生技术进行修复后的截面图。

图1 航空发动机上铸造Al合金表面的气孔缺陷

图2 ZL104合金上形成的疏松

图3 Al-Si合金表面的HEMAA涂层

钛合金的表面渗碳和修复

•钛及其合金由于其突出的综合性能而广泛应用于航空航天、化学、汽车制造以及核工业领域。但钛合金由于不耐磨，因此需要进行表面渗碳处理以提高其表面耐磨性。

常规渗碳方法有电镀、渗碳炉渗碳、放电加工、ＰＶＤ、ＣＶＤ等方法，但这些方法均没有易加工、处理温度低、可高速以及大面积处理等优点。采用电火花渗碳形成渗碳层，其渗层深约５μｍ，经电子探针和Ｘ射线分析确认是碳向钛基体梯度渗入生成的ＴｉＣ层。该方法属于扩散处理的一种，得到的硬化层与涂层处理得到的硬质层不同，具有与一般的梯度膜同样良好的致密性，硬度为Ｈｖ２２００ 基材约为Ｈｖ２００。经摩擦实验发现，电火花加工处理可降低钛的摩擦系数，提高耐磨性。另外，经处理的表面耐盐水和硫酸的腐蚀性能也优于纯钛。•另外，我们还对飞机的钛合金防冰壳体、铁基高温合金以及镁合金零部件进行了电火花强化处理。•表面渗碳

•钛合金在制作成转动部件后进行应用非常具有吸引力，如汽车的阀门、化工用的泵阀以及飞机使用的部件。然而钛合金的耐磨性非常差，因为它在运动过程中极易发生粘着磨损。

钛及钛合金的渗碳可以在非氧化性气氛的环境下实现。根据Ti-C相图可以发现，Ti-C相图有别于Ti-O相图与Ti-N相图，C在Ti中的固溶度非常小。TiC化合物的厚度一般在1～10μm。但一旦TiC形成后，再形成更深的渗碳层就非常不容易。渗碳温度一般在1050℃的温度下进行，同时需要有渗碳介质存在才能完成渗碳过程。

图4为Ti-C相图。其中γ相为TiC1-x，此处x在一定范围内变化。

传统的渗碳处理工艺是不能完成对指定区域的渗碳。而金属医生恰好可以实现在常温下对指定区域的渗碳。

•钛合金表面的渗碳实验采用碳棒作电极，钛合金作为基体材料。图5为渗碳结束后得到的硬度分布曲线，表层的显微硬度可以到达Hv1500，由表及里存在梯度逐渐降低到基材的位置。在合金化过程中将发生如下化学反应过程：

C+α―Ti→αTi(C)(1)C+Ti→TiC(2)

如今该工艺已经成功的应用到化工厂阀门表面的渗碳和某型号飞机用钛合金部件的表面强化处理上。图6即为我们对某化工厂阀门表面进行渗碳处理的实物图，图7中黑色区域即为渗碳强化处理区域。

图4Ti-C相图图5 TC4钛合金表面渗碳层的显微硬度

图6 采用金属医生进行合金化渗碳处理的阀门（黑色区域为处理部位）

钛合金的修复

航空航天部件上使用的钛合金基本上是采用热处理强化的高强度钛合金进行制造的。这些部件由于在操作运转、腐蚀、磨擦等工况的作用发生磨损和损伤。然而，每年均有大量昂贵的鱼雷、药筒以及刮伤的钛合金部件由于摩擦而表面形成缺陷需要修复。同时有一部分钛合金存在铸造缺陷需要进行修复。一部分钛合金部件可以采用传统的焊接技术进行修复。由于传统的焊接方法会对基材产生大量的热损伤，而且这种热损伤常常是有害的，会造成部件的变形、腐蚀敏感性增强、热影响区的强度下降、吸氢/氮/氧等后果。而且，一些高强钛合金如武器或飞机发动机上使用的Ti-6A-2Sn-4Zr-6Mo合金、被认为是不可焊合金。基于以上原因，这些部件的修复一般不考虑采用常规的焊接技术进行修复的办法。图7为由于磨损和龟裂造成的缺陷。图8为在Ti6Al4V基材上进行金属医生后得金相照片。

图7磨损与减尺后的Ti6Al4V-涡轮销轴

图8在Ti6Al4V表面上制备出的金属医生涂层

电厂中的应用

•金属医生是一种微脉冲焊接技术，它利用电路短路产生的高脉冲电流，瞬间将电极材料的尖端熔化，从而在微小的局部区域进行小面积的增厚。由于放电局限于电极的尖端和工件表面上的微小区域，使得该工艺的热输入量非常小，不会造成对基材组织的影响，或者对基材的组织影响非常小。金属医生在难修复或难于制备涂层的材料上，尤其是在热影响区的影响不得不考虑的场合，显示出无可比拟 的优越性。金属医生不需要进行前/后热处理。因此，该技术在修复大型、高附加值、难拆卸的设备部件上的应用价值越来越明显。由于不见在尺寸恢复/强化时处于环境温度，从而避免产生热变形和热应力等问题。本文主要介绍使用金属医生技术在电站汽轮机、核电站、水利部门、航空航天上由于腐蚀而造成的部件的损伤失效的性能恢复与强化上的典型应用。

•山东某电厂蒸汽轮机壳体密封面采用电火花修复技术进行了修复，取得了良好的经济效益。该厂１０万千瓦发电机组蒸汽机转速为 10000r/min，工作压力为 1.47MPa。由于铸铁壳体密封面因高压蒸汽冲蚀泄露，末级排气部位高压蒸汽（686 ～ 784kPa）串入压力为-89.6kPa 的真空密封带。采用电火花设备成功修复了严重冲蚀的铸铁密封面，保证了设备的正常运行。

汽轮机类部件激光/金属医生修复

激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

•钢铁冶金行业是国家的基础行业，同时属于国家的重工业，且其设备繁杂、种类多、吨位重。由于摩擦、磨损等各种原因的存在，要维持设备的正常运转，每年

将消耗大量的备品备件。据统计，2003年济南钢铁股份公司达到年产量334万t钢的规模，而公司每年用于设备修理的备品备件制造费用就高达1.2亿元，备品备件修旧利废数量达150t以上，创经济效益2000万元左右。因此，减少备品备件的消耗和对已使用设备的再制造修复对降低生产成本，提高企业的经济效益具有积极的促进作用，且降低成本的空间很大。其中激光再制造技术对做好备品备件的修理、修复工作，对企业节能降耗具有非常现实的意义。激光再制造技术的主要种类 1.激光淬火

激光淬火技术是利用聚焦后的激光束入射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到2毫米以上。② 激光熔覆与合金化

激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工艺。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，激光熔覆与合金化技术的最大好处是将轧辊的整体合金化变成表面合金化或者熔覆，使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高的同时，生产成本增加有限。显然，合金粉末的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功的关键。③激光焊接

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。其原理是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。如目前我国钢铁行业处于主导地位的典型冷轧工艺路线是：转炉冶炼－炉外精炼－初轧开坯－热连轧－酸洗－冷轧－退火－平整－镀锌（锡）－成产品。在此典型的冷轧工艺中，带材焊接设备必不可少。在运行过程中，先行钢带与后行钢带必需进行焊接，才能保证生产线的连续作业。硅钢板带在线运行时，需经多次“S”型弯曲变形和承受一定的运行张力，从而对焊缝的性能和质量有很高要求。激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

1、轧辊的修复与强化

冶金行业生产设备大部分是在高(交变)应力、高热应力的恶劣环境下工作，如连铸辊、校直辊、槽型辊、半钢辊、铸管模、热(冷)轧工作辊、高炉溜槽、料钟等。在这些设备中，各种轧辊无疑是其中最关键的设备零件，其消耗量大，价格昂贵，寿命长短不仅与产品成本密切相关，而且直接决定钢铁制品的质量，尤其是表面质量和板型。采用激光堆焊修复各种轧辊，其中以小型轧辊和局部修复更为擅长。性能如能新件。

激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。

激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，它是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。

2、各种轴类零件磨损、抱瓦、裂纹的修复

各种轴类零件经激光堆焊处理后堆焊层无粗大的铸造组织，堆焊层及界面组织细

密，晶粒细化，无孔、砂眼、夹杂、裂纹等缺陷，性能如同新件。

3、冶金行业中的各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件的修复与强化

激光堆焊技术可使各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件性能得到恢复。验收指标仍按原制造标准进行。

4、高压高速风机叶片的修复

叶片因其工作环境较为恶劣，叶轮叶片进风口部位易严重腐蚀与磨损，一般使用3 000～4 000 h即因叶轮叶片腐蚀与磨损失去平衡而报废。采用激光堆焊技术可以使修复层与原基材为冶金结合，硬度达到HRC55左右。服役性能如同新件。激光再制造技术的成本分析

激光加工最大的成本在于设备的一次性投资比较昂贵，一旦设备投入之后，在不考虑设备投入成本的前提下，运行成本比较低。由于钢铁冶金设备中的轧辊、轴类零件、叶片以及齿轮等都是高附加值的零件，激光加工的费用均在原值的25%以下。而且激光加工的周期短，可以大大节约维修的时间，从而保证了及时生产，并且性能如同新件。

高附加值铸件、特种零件、泵阀等部件表面缺陷的无损修复。关键件的失效分析与诊断。

轴头的激光堆焊修复

冷轧厂轧辊毛化技术的发展 篇5

1 喷丸毛化技术

喷丸毛化 (Shot Blast Texturing, 简称SBT) 是最传统的毛化方法。喷丸毛化技术利用高速旋转的离心轮将具有尖锐边缘、高硬度的冲击材料 (一般为钢丸) 加速喷向欲毛化的轧辊表面 (速度约80m/s) 。当冲击粒子撞击到轧辊表面时, 其产生塑性变形, 并在轧辊表面“切割”下细小的金属微粒。轧辊表面的毛化形貌主要取决于离心轮的速度、喷丸材料的性质和尺寸、轧辊表面区域的硬度、单位时间内的喷丸数量、轧辊的旋转速度等。

喷丸毛化技术的优点为工艺简单、效率高、设备成本低, 但按照现在冷轧厂冷轧板技术水平的要求, 其缺陷十分明显。

(1) 由于喷丸砂是用钢丸破碎成形且通过一定规格筛网为规格, 因此, 每一个毛化点所产生的坑点或凸起都因喷丸砂重量的不同和着落点的不同而不同, 使粗糙度不能保持均匀。

(2) 目前冷轧辊喷丸砂的金相组织为回火马氏体, 其硬度高 (800~990HV) , 韧性差, 在喷打与其硬度接近的冷轧辊 (700~810HV) 时, 破碎剧烈, 造成不同喷丸时间抛丸效果不一致。

(3) 由于喷丸过程产生的凸起在轧制过程中很快磨掉, 使粗糙度在轧制初期下降迅速。

2 电火花毛化技术

电火花毛化技术 (Electrical Discharge Texturing, 简称EDT) 是电火花加工技术在轧辊毛化加工中的实际应用。将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中, 并在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压。当轧辊和电极两者之间的间隙小到一定值时, 脉冲电压使极间介质电离、击穿, 形成放电通道, 这时通道间的电子高速奔向正极, 正离子奔向负极。电能变成动能, 动能通过碰撞又转变为热能, 于是在通道内, 正极和负极表面分别成为瞬时热源, 瞬时高温 (约20 000℃) 使工作液汽化和金属材料熔化、汽化。汽化的气体体积不断向外膨胀, 使大部分熔融金属液体和蒸气被排挤、抛出而进入工作液中, 这样在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。随着放电的持续进行, 轧辊沿一系列电极旋转, 同时沿轴向运动, 在轧辊上就可加工出有特定表面粗糙度Ra和峰值数Pc的毛化表面。

电火花毛化工艺的Ra均匀, 再现性好, 可通过调节放电间距、脉冲电压、电流及脉冲特性实现选定Ra, 其选定范围比喷丸毛化工艺宽, 可达0.5~10μm, 给定Ra时的PPI值可比喷丸毛化工艺高40%~60%, 且轧制过程中PPI不显著下降, 尤其是毛化不受轧辊硬度限制, 明显优于喷丸毛化工艺。

但电火花毛化工艺所得轧辊的表面形貌构造仍呈统计分布;提高DOI的努力往往导致钢板冲压时润滑变差;Ra仍受限制 (Ra过小, 加工时间长、过大, 则放电电流大, 烧伤轧辊表面) ;和喷丸毛化工艺一样得到的Ra和PPI之间关系不能任意调节。

3 激光毛化技术

激光毛化 (Laser Beam Texturing, 简称LBT或LT) 是采用高能量脉冲激光束 (通常用高功率CO2激光器产生激光束, 可达1 200~4 000 W) 聚焦照射于轧辊表面, 利用激光束的高亮度在轧辊表面获得非常高的能量密度, 使激光聚焦处的轧辊表面加热、熔化并部分汽化, 形成毛化点。

3.1 激光毛化的主要特点

(1) 凸台毛化点, 强化轧辊的表面强度, 提高轧辊使用寿命的技术特点。激光毛化的最大特点是可以在熔化坑边缘形成凸起点, 这是因为轧辊表面激光束能量密度相当大, 以致熔池内部挥发的气体等离子化并形成等离子体, 等离子体膨胀形成的压力作用于熔池内的熔化金属, 使熔池金属向四周堆起, 同时在中间产生凹坑, 当脉冲停止时凹坑周围堆起的熔化物快速冷却凝固形成凸缘。该凸缘在随后的轧制过程中翻印在钢带表面形成凹坑。通过调节激光毛化工艺参数, 如激光功率、脉冲频率、脉冲波形、辅助气体种类、方向和流量以及轧辊旋转速度等, 可精确控制轧辊表面的毛化坑型及分布。

(2) 改善深冲性能的技术特点。激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通, 有利于冲压成形时储油和捕捉金属碎屑, 防止冲压划伤, 保证冲压零件表面光整, 同时减少冲压用油量。与电火花等加工技术相比, 深冲性能更为优良。

(3) 提高涂镀性能和鲜映度的特点。激光毛化的轧辊表面保留有较大的平坦光亮部分 (最大可达60%) , 使轧制出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。由于激光毛化加工的精确造型作用, 激光毛化板表面粗糙度均匀, 消除了波度, 更利于均匀附着涂覆材料, 因此其漆面光亮度明显高于电火花毛化板。

另外, 激光毛化后的轧辊还可根据用户需要做特殊设计, 开发新品种, 如印花板面等, 以及无变形、低成本、环保等的技术特点。

4 激光毛化设备的发展

4.1 单头激光毛化设备

(1) 单头激光毛化设备工作原理如图1所示。

工作时, 斩光盘1逆时针旋转、轧辊2顺时针旋转、激光束3通过聚焦镜4经2次反射对O'点的轧辊表面进行预热及强化 (其离焦量设计是0'的功率密度刚刚低于轧辊熔点) 。

当反射齿移开时:激光通过聚焦镜、透孔5聚焦到轧辊的表面0点 (在0'点内) 进行融化, 其功率密度在100 k W/mm2以上, 并在侧吹气6的作用下形成凸凹有序、硬度极高的毛化形貌。

(2) 单头激光毛化设备特点。单头CO2激光毛化技术推广中遇到的最大问题是加工效率低, 特别是在高峰值数 (PC值) 要求下加工效率无法满足生产要求, 研究表明高PC值低粗糙度恰恰是高质量冷轧薄板的发展方向。以目前单头轧辊激光毛化设备为例, 长度为1 800 mm的轧辊, 单头毛化设备在180 r/min转速下30 min内只能完成点密度3×3/mm2的毛化, 而最新的多头轧辊激光毛化设备可以完成点密度6×6/mm2的毛化。同时单头轧辊激光毛化设备是通过斩光盘的旋转, 阻挡一部分激光, 从而形成点阵, 能量是有损耗的。

4.2 多头激光毛化设备

(1) 多头激光毛化设备工作原理如图2所示。激光器输出的连续激光束进入安装在工作平台上的多棱镜分光机构, 多棱镜的工作表面在旋转过程中将激光束依次扫过2个分光头, 每个分光头在激光扫过时接受到一部分激光, 这样多棱镜分光机构将进入的连续激光束分成2路脉冲激光输出;输出的2路脉冲激光束分别经2个聚焦头聚焦, 焦点垂直落在旋转的轧辊工件表面, 2个聚焦头对轧辊工件同时进行双头毛化加工, 形成2条螺旋扫描线点阵毛化坑分布, 毛化加工头的横向移动螺距是单头加工的2倍, 因此毛化所需时间是单头加工的一半。

(2) 多头激光毛化设备特点。多头激光毛化设备很好的解决了在高峰值数 (PC值) 要求下轧辊毛化加工效率低的问题, 与单头激光毛化设备比较, 工作效率明显提高;同时多头激光毛化设备采用多棱镜分光机构, 从而形成毛化点阵, 激光束不存在损耗。

但是多头激光毛化设备也存在明显的劣势。激光毛化设备对激光束要求很严格, 周围环境特别是震动有可能影响激光束的传播, 从而影响激光束的聚焦。现代冷轧工厂里, 轧辊毛化车间都靠近主轧机旁, 多头激光毛化设备受震动的影响很大, 所以在安装和调试多头毛化设备时, 机床基础都要经过特别的处理。

5 结语