CN101642849A - 轧辊表面激光毛化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧辊表面激光毛化处理方法，包括使轧辊沿自身轴线匀速旋转，同时使激光毛化头沿轧辊的轴向匀速运动，并定时向轧辊的表面发射激光束在轧辊的表面形成毛化点；其特征在于：使聚焦光点在预设形成的螺旋线左右随机小幅度摆动，从而在轧辊表面产生无规则分布的毛化点。通过本发明方法制作的轧辊，由于其表面圆周上相邻两排毛化点之间不再有平滑的直线，故在轧制钢板时，能够避免轧辊与钢板在这些部位贴合，使产生的铁屑颗粒能被轧辊圆周方向上交错排列的毛化凹坑吸收，不会再在钢板的长度方向上造成划痕，也不会使铁屑颗粒对毛化点造成磨损和破坏，从而既大大提高了钢板轧制质量，又大大提高了轧辊自身的耐磨性，延长了轧辊使用寿命。

Description

轧辊表面激光毛化处理方法

技术领域

本发明涉及一种轧辊表面激光毛化处理方法。

背景技术

具有特殊表面形貌的冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车和家电产业中。毛化冷轧薄钢板是由表面经毛化处理的轧辊轧制而成的，其毛化的表面形貌特征对钢板的深冲、涂装等工艺性能影响极大。

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工艺要求的冷轧毛化钢板。

激光毛化是采用高能量脉冲激光束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。激光毛化工作原理是，高能量密度(104～106W/cm2)、高重复频率(103～104次/秒)脉冲激光束，聚焦照射到作旋转运动的轧辊表面，形成若干微小的小熔池，同时吹以一定角度的辅助气体对熔池溶融金属挤压造型。光脉冲作用停止后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相变硬化点。与此同时，聚焦激光束与轧辊作轴向相对运动，完成整个轧辊毛化。

现有的激光毛化设备如图1所示，基本组成为激光器和数控机床12；数控机床12的基本形式与普通车床或磨床相似，其床身上分别相对安装床头箱和尾座，床头箱上设置有用于支撑并驱动轧辊11旋转的旋转轴13，而尾座上则设置有用于顶紧轧辊11的顶尖14。同时床身上设置有同旋转轴13平行的平移导轨15，平移导轨15上固定有托板(代替车床的车刀架)，托板上安置有光学机构，该光学机构通常被称作激光毛化头10，其上设有单个或多个聚焦头10-1、10-2，每个聚焦头内均设有若干反射镜，激光束的聚焦通过这些反射镜的反射依次完成。所述激光毛化头10能够将连续激光束变换成单路或分成多路脉冲激光束，并聚焦成单个或多个聚焦点垂直落在轧辊11表面，从而在轧辊11表面形成单路或多路毛化点。

要完成整个轧辊11的毛化，其工艺过程如下：

将直径为Φ的轧辊11安装于数控机床12的旋转轴13和顶尖14之间；

启动数控机床12，使轧辊11按照设定的转速ω匀速旋转；

通过平移导轨15驱动激光毛化头10沿轧辊11的轴向按照设定的速度v(通常为10～100mm/min)移动；同时启动激光器和激光毛化头10，调整脉冲频率ω1＝(2πΦω/60)n，其中n为毛化点密度(即单位长度中的毛化点个数)，ω1一般为数千至数万Hz。轧辊11的高速旋转和激光毛化头10的横向移动相叠加，使得激光毛化头10上的聚焦头相对轧辊11表面产生螺旋线相对运动，并定时向轧辊11表面发射激光，高重复频率的激光在螺旋线上形成密集小坑，这些小坑的几何分布是沿着辊身周向一条升角恒定的螺旋线而密集分布的。

控制激光毛化头10的横向移动速度v、轧辊11旋转速度ω和斩光盘旋转速度，使小坑周向间距可控，其范围是0.1-0.4mm；螺旋线的螺距Δ＝v/ω可控，其范围也是0.1-0.4mm。由此在轧辊表面形成可预控的粗糙度值(Ra)和密度值(PPI)，其均匀性好。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。

为了在整个轧辊11上打满毛化点，一组螺旋线不可能布满整个轧辊11，则要求毛化完一组螺旋线后必须再从头开始一组新的螺旋线，直至布满真个轧辊11，因此数控机床12必须不断地精确定位每一组螺旋线，这对于一个较先进的数控系统来说不是困难的事。

上述激光毛化工艺的基本特征是：毛化点a沿一个螺距(0.1-0.4mm)非常小的螺旋线分布，由于螺距Δ相对于轧辊11的直径Φ(200-700mm)非常小，因此可以将毛化点分布看作是沿圆周线分布的。整个轧辊11面上的毛化点分布可以看作是很多条平行的圆周线毛化点分布，但一般不对轧辊11轴线上的毛化点位置进行控制，所以毛化点a在横向上的分布一般是杂乱的，如图2所示。

上述毛化点分布形式带来下述明显的缺点：

在钢板的长度方向容易形成拉伤，形成沿钢板长度方向的很细的直线划痕。仔细观察这些划痕，发现绝大部分划痕出现在两排毛化点之间的一条直线上。分析这些直线划痕形成的原因，是因为在毛化点之间的这条直线上，轧辊是平滑的，轧辊与钢板之间紧密接触，如果轧制时形成铁屑，这个铁屑不能够被毛化点凹坑吸收，始终存在于钢板和轧辊之间，连续划出可见的直线痕迹。

发明内容

本发明目的是：提供一种轧辊表面激光毛化处理方法，由该方法处理出来的轧辊在轧钢时，不会在钢板的长度方向上形成划痕，不仅能够确保钢板的轧制质量，而且能够大大提高轧辊自身的耐磨性，延长其使用寿命。

本发明的技术方案是：一种轧辊表面激光毛化处理方法，包括使轧辊沿自身轴线匀速旋转，同时使激光毛化头沿轧辊的轴向匀速运动，并定时向轧辊的表面发射激光束在轧辊的表面形成毛化点；其特征在于：使聚焦光点在预设形成的螺旋线左右随机小幅度摆动，从而在轧辊表面产生无规则分布的毛化点。

本发明的上述轧辊表面激光毛化处理方法中，进一步使激光毛化头相对轧辊表面沿螺距Δ＝0.1～0.8mm的小倾角螺旋线运动，而将聚焦光点在螺旋线左右的随机摆动幅度限定为1个螺距以下。

本发明的上述轧辊表面激光毛化处理方法中，具体使用振镜代替激光毛化头上位于聚焦头内的反射镜，通过驱动振镜的角度摆动，使得入射到聚焦头内的光束的入射角摆动，从而实现聚焦光点的摆动。

当然本发明的上述轧辊表面激光毛化处理方法中，也可以通过激光毛化头自身的机械运动来实现聚焦光点的摆动，具体可以是通过在托板上增加一个蜗轮机构对激光毛化头进行驱动，从而实现其沿轧辊轴向的横向摆动。

本发明的优点是：

通过本发明方法制作出来的轧辊，由于其表面圆周上相邻两排毛化点之间不再有平滑的直线，故在轧制钢板的时候，能够避免轧辊与钢板在这些部位的贴合，使产生的铁屑颗粒能够很容易的被轧辊圆周方向上交错排列的毛化凹坑所吸收，不会再在钢板的长度方向上造成划痕，也不会使得铁屑颗粒对毛化点造成磨损和破坏，从而既大大提高了钢板轧制质量，又大大提高了轧辊自身的耐磨性，延长了轧辊的使用寿命。

另外通过本发明方法制作出来的轧辊由于在长度方向不再出现隐约的“直线”毛化形貌，故在轧制钢板的时候能够避免在钢板横向轧出有规律的直线纹路，从而大大改善钢板的外观质量。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有激光毛化设备示意图；

图2为现有的轧辊表面毛化点分布示意图；

图3为采用本发明方法制作出来的轧辊表面毛化点分布示意图。

10、激光毛化头；10-1/10-2、聚焦头；11、轧辊；12、数控机床；13、旋转轴；14、顶尖；15、平移导轨；a、毛化头。

具体实施方式

实施例1：本实施例所提供的这种轧辊表面激光毛化处理方法依旧采用如图1所示的现有激光毛化设备完成，这种激光毛化设备同现有技术一样由激光器和数控机床12组成，数控机床12的床身上分别相对安装床头箱和尾座，床头箱上设置有用于支撑并驱动轧辊11旋转的旋转轴13，而尾座上则设置有用于顶紧轧辊11的顶尖14。同时床身上设置有同旋转轴13平行的平移导轨15，平移导轨15上固定有托板，托板上安置有激光毛化头10；本实施例中该激光毛化头10上设有第一和第二两个聚焦头10-1、10-2。同现有技术所不同的是，本实施例进一步对激光毛化设备进行了改进，具体是分别采用一个振镜来代替第一聚焦头10-1和第二聚焦头10-2内位于后部的一个反射镜。

在具体的毛化处理过程中，之前的步骤同现有技术一样，包括将轧辊11置于数控机床12的旋转轴13上，通过尾座上的顶尖14顶紧；启动数控机床12使轧辊11按设定的转速匀速旋转，与此同时数控机床12通过平移导轨15驱动托板及固定其上的激光毛化头10沿轧辊11轴向匀速运动，并由激光毛化头10上的聚焦头10-1和10-2进行聚焦，发出两束脉冲激光束照射轧辊11，两个聚焦光点垂直落在旋转的轧辊11表面，从而能够同时在轧辊11的表面形成预设的两条由毛化点a分布排列而成的螺旋线；但与现有技术所不同的是，本实施方案中通过驱动振镜的角度摆动使入射到第一和第二聚焦头10-1、10-2内的激光束的入射角均产生摆动(振镜的角度摆动幅度和速度都是随机的，通过数控系统控制程序内的随机值来决定振镜的摆动动作)，导致两个聚焦光点分别在预设形成的两条螺旋线左右随机小幅度摆动，从而在轧辊11表面产生无规则分布的毛化点a。

本实施方案中，通过精密数控系统引导旋转轴13和平移导轨15联动，使得激光毛化头10相对轧辊11表面沿螺距Δ＝0.1～0.8mm的小倾角螺旋线运动(本实施例中该螺距Δ具体被设定为0.4mm)；而将聚焦光点在螺旋线左右的随机摆动幅度最高限制为1个螺距即可。当激光毛化头10从轧辊11一端移动至另一端后，最终的毛化点分布是在轧辊11表面分别沿两个小倾角螺旋线(近似圆周线)周围摆动的两条“曲线”，无规律的毛化点分布的结果使得轧辊11表面圆周上的相邻两排毛化点a间的平行“直线”分布消失，如图3所示。

本实施方案中，当激光毛化头10运动到轧辊11的另一端后立即移动一个螺距，反向沿另两条螺旋线返回起始端；在起始端再移动一个螺距，沿下两条螺旋线继续运动到末端，直至毛化点a无规则的布满整个轧辊11。

结合图3所示，由于通过本实施例方法制得的轧辊11表面圆周上相邻两排毛化点a之间不再有平滑的直线，故在轧制钢板的时候，能够避免轧辊与钢板在这些部位的贴合，使产生的铁屑颗粒能够很容易的被轧辊圆周方向上交错排列的毛化凹坑所吸收，不会再在钢板的长度方向上造成划痕，也不会使得铁屑颗粒对毛化点造成磨损和破坏，从而既大大提高了钢板轧制质量，又大大提高了轧辊自身的耐磨性，延长了轧辊的使用寿命。

另外通过本发明方法制作出来的轧辊由于在长度方向不再出现隐约的“直线”毛化形貌，故在轧制钢板的时候能够避免在钢板横向轧出有规律的直线纹路，从而大大改善钢板的外观质量。

当然值得一提的是，上述实施例中聚焦光点的横向摆动也可以通过激光毛化头10的机械运动来实现，例如可以通过在托板上增加一个蜗轮机构对激光毛化头10进行驱动，以实现其在轧辊11轴向上的横向摆动，而横向摆动的幅度及速度依旧是随机的，通过精密数控装置控制程序内的随机值来决定摆动的动作。

Claims (4)

1.一种轧辊表面激光毛化处理方法，包括使轧辊(11)沿自身轴线匀速旋转，同时使激光毛化头(10)沿轧辊(11)的轴向匀速运动，并定时向轧辊(11)的表面发射激光束在轧辊(11)的表面形成毛化点(a)；其特征在于：使聚焦光点在预设形成的螺旋线左右随机小幅度摆动，从而在轧辊(11)表面产生无规则分布的毛化点(a)。

2.根据权利要求1所述的轧辊表面激光毛化处理方法，其特征在于：使激光毛化头(10)相对轧辊(11)表面沿螺距Δ＝0.1～0.8mm的小倾角螺旋线运动，而将聚焦光点在螺旋线左右的随机摆动幅度限定为1个螺距以下。

3.根据权利要求1或2所述的轧辊表面激光毛化处理方法，其特征在于：使用振镜代替激光毛化头(10)上位于聚焦头内的反射镜，通过驱动振镜的角度摆动，使得入射到聚焦头内的光束的入射角摆动，从而实现聚焦光点的摆动。

4.根据权利要求1或2所述的轧辊表面激光毛化处理方法，其特征在于：通过激光毛化头(10)自身的机械运动实现聚焦光点的摆动。

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