CN108495732B - 钢带的激光纹理化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于钢带的精加工的方法和装置，包括钢带的纹理化，其中，纹理通过导向运动钢带的表面的单个激光束或多个激光束而施加至运动钢带的表面上，其中，单个激光束或多个激光束的位置控制成将预定的纹理图案施加在运动钢带的表面上。

Description

钢带的激光纹理化
技术领域
本发明涉及钢带的激光纹理化以及用于使得钢带激光纹理化的设备和结构。
背景技术
在(涂覆)钢带的精加工中，钢带进行平整和/或硬化轧制。通过平整，将控制带材的形状和形式，而通过硬化轧制，钢带的机械特性通过延长带材和通过沿轧制方向定向钢中的晶粒而提高。还有，对于它的外观、表面纹理和表面功能性，带材的表面质量提高。通过硬化轧制步骤，纹理可以从工作辊转印至带材的表面上，以便获得特定功能，例如但不局限于钢带的外观、更好的涂料粘接性、摩擦性能和提高的成形特性。钢带的纹理化是根据最终用户的需要来完成，例如在汽车工业中的最终用户。
为了将纹理施加至钢带上，与钢带接触的至少一个硬化工作辊提供有在辊表面上的特定纹理，这样，当钢带通过硬化磨时，该特定纹理压印转印至钢带表面上。因为在纹理转印辊上的纹理磨损和/或阻塞，所以必须频繁地更新或再次施加所需的纹理。对于纹理转印辊表面的纹理化，可以使用多种技术，但即使对于更耐久的施加纹理，主要缺点是它们都有特定但有限的维持时间。随着高强度钢越来越多地应用在较广的产品范围内，这成为甚至更大的缺点。
另一缺点是，为了施加不同纹理，必须改变纹理转印辊，从而导致时间损失，并因此导致生产损失。另外，当在带材上在不同位置处需要不同的纹理时，无论在辊宽度内、在辊周边长度的外部还是在钢带的顶部或底部，这都不能通过普通的直立轧机来实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，纹理化与钢带的硬化轧制分开地进行。
本发明的另一目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，纹理化在没有与钢带直接机械接触的情况下进行。
本发明的另一目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，施加的纹理能够在不中断轧制处理的情况下变化。
本发明的另一目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，纹理能够在带材的宽度和长度上变化。
本发明的另一目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，纹理化能够在宽范围的轧制速度下进行。
本发明的另一目的是提供一种用于使得钢带纹理化的方法和装置，其中，与根据现有技术的纹理化相比，能够以更低的净成本来完成纹理化。
本发明的说明
根据本发明的第一方面，本发明的一个或多个目的通过提供一种用于钢带的精加工的方法来实现，该方法包括使得钢带纹理化，其中，纹理施加在运动的钢带的表面上，且其中，
-单个激光束或多个激光束导向运动的钢带的表面，以及
-控制该单个激光束或多个激光束，以便在运动的钢带的表面上施加预定的纹理图案。
为了能够将纹理图案施加在运动的钢上，使用一个或多个激光束，该激光束能够是改变带钢表面的脉冲激光束或连续波激光束。在使用脉冲激光源的情况下，优选是使用纳秒、微微秒或毫微微秒范围内的脉冲持续时间，以便获得在微米范围内的良好确定纹理，而带材或涂层的其余部分不会受到热影响或至少不会受到明显的热影响。
术语“钢带”的意思应当是“钢带”以及“涂覆的钢带”。
带材表面使用非接触方法来进行纹理化，在这种情况下，该方法通过电磁辐射，更特别是通过激光。除了激光纹理化之外，其它能量束也能够用于纹理化，特别是通过电子束或离子束。对于通过电子束或离子束的纹理化，需要真空来施加纹理，这与根据本发明的激光纹理化方法相比需要附加的措施。
单个激光束足以将纹理图案施加在运动的钢带上，不过，当不同的纹理图案彼此并排或者当必须向较宽钢带提供纹理图案时，优选是有多个激光束可用。为此，使得激光束分成多组，各组有单个激光束或多个激光束，这些组分别控制。通过多个激光束，能够和/或更容易控制激光束，以便向宽带材提供纹理图案，或者不同的纹理图案必须彼此相邻地施加在运动的钢带上。
根据本发明的另一方面，提供了多组激光束，这些激光束彼此相对地定位在钢带的宽度和/或运动方向上。通过将多组激光束定位在运动钢带的通路的宽度上，能够更容易地控制横过宽度来施加一个纹理图案或多个图案。通过将多组激光束定位在运动钢带的运动方向上，能够更容易地控制在连续步骤中施加纹理图案。这样的纹理图案例如能够包括彼此对齐的连续纹理类型。当施加纹理图案局部提高了钢带的温度时，优选是稍后施加纹理的相邻部分，以便使得在钢带上的纹理施加部分的一部分的周围区域首先冷却。通过这种设置，多组单个或多个激光束可以相对于钢带的运动方向定位成彼此对齐。
这并不绝对必须，根据本发明的还一方面，对多组激光束进行控制，以使得纹理的相邻部分由不同组的激光束来施加，其中这些组有彼此相对不同的位置。能够通过多组激光束在并不困难的情况下将纹理图案施加成与另一位置成一定角度。
根据本发明的还一方面，通过控制两组或更多组激光束来施加纹理图案，以便形成干涉图案，该干涉图案表示适用于运动钢带的纹理化的功率密度分布。通过使用激光束的干涉来施加纹理图案，可使用较大范围的不同图案。例如，能够使用沿一个特殊方向固定的激光束，例如垂直于运动钢带，该激光束在需要时只沿Z方向控制，与也沿X-和/或Y方向引导的激光束组合。另一设置是组合沿所有方向都可控制的激光束。而且，连续波激光束能够与脉冲激光束组合地使用，或者能够只使用连续波激光束。而且，可以使用保护和/或覆盖气体来避免处理后的带材的氧化，和/或除去和/或防止碎屑材料干扰处理后的带材的激光材料相互作用区域。也可选择，可以将覆盖气体施加至激光材料相互作用区域，以便化学改变处理后的表面。
根据本发明的还一方面，控制包括控制在一个或多个不同组的激光束内的一个或多个激光束以及它们的位置。通过这种控制，进一步增加了施加纹理图案的可能性。
为了控制单个激光束或多个激光束，控制包括将激光束聚焦至在运动钢带的表面上或附近的图像点中，和/或调制一个或多个激光束的功率，和/或形成或重新形成一个或多个激光束的功率密度。
该控制还包括对运动钢带沿Z方向的变化的校正。因为运动的钢带将不可避免地偏离假想的平通路(通过轧机的至少一部分)，因此可能需要沿Z方向校正激光束。这能够通过例如机械改变聚焦装置与运动钢带的相对位置和/或光学改变进入聚焦装置的激光束的直径来实现，例如通过使用透镜或可变扩束器。
优选是，在钢带的硬化轧制和/或平整之后进行纹理化。
根据本发明的方法适用于在直到15m/s(包括15m/s)的范围内的钢带线速度。通过使用快速和高峰值功率的激光束，该方法能够用于在行业中使用的任何轧制速度。不过，在该方法中的一个或多个激光束的设置和控制使得纹理图案也能够在较低速度下施加，或者在钢带完全不运动时施加。
在该方法中，使用脉冲单激光束或多个脉冲激光束，只要：
-脉冲持续时间在1fs到100ms的范围内，
-各激光束的电磁辐射有在200nm-11μm之间的波长，以及
-各激光束的能量密度在1nJ/cm2-100J/cm2的范围内，优选是在0.1J/cm2-10J/cm2的范围内。
各激光束的能量密度在带材表面的激光点中测量。
优选使用小于1ns的脉冲持续时间，甚至更优选是小于100ps。
这些范围包括超快和高峰值功率脉冲激光器，即该激光器快速和功率强大，足以在运动钢带上施加纹理图案，该运动钢带处于在钢行业中在钢带处理中使用的任何速度。
根据本发明的另一方面，在该方法中使用的一个或多个脉冲激光束具有在1Hz至5GHz范围内的脉冲频率，其中，频率取决于纹理的密度、带材的尺寸和带材的速度，激光束在带材表面上的直径在10nm至1mm的范围内。
根据必须施加的纹理的类型，激光束在带材表面上的直径也可以在该范围之外。
本发明还提供了一种用于钢带的精加工的装置，该装置包括：至少一个激光束源，以便产生单个激光束或多个激光束，从而将纹理施加至运动钢带的表面上；以及控制装置，用于控制单个激光束或多个激光束，以便将纹理施加在运动的钢带上。
根据本发明的还一方面，控制装置设计成组合两个或更多激光束，以便形成干涉图案，该干涉图案具有适用于使得运动钢带纹理化的功率密度分布。通过这种设置，激光束或一部分激光束可以是连续波激光束，而不是脉冲激光束。
该装置还包括用于一个或多个激光束源的激光分束器，以便将来自激光束源的激光束分成多个激光束。这样，可以由单个激光束源获得多个激光束或不同组的单个激光束和/或具有多个激光束的不同组。
根据还一方面，该装置包括用于各激光束或多个激光束的聚焦元件，以便将一个或多个激光束聚焦至一个或多个预定点。用于激光束的聚焦元件的控制是连续控制，因为运动钢带不可避免地沿Z方向变化。
根据还一方面，该装置包括在激光束源和相关的激光分束器或聚焦元件之间或在其它光学元件之间的扩束器和激光束成形器。该装置还包括至少一个位置控制激光束偏转器，该位置控制激光束偏转器提供在激光束通路中，以便使得激光束沿一个或多个方向偏转。这种激光束偏转器可以包括检流计-扫描仪、压电扫描仪、微机电系统(MEMS)扫描仪、旋转多边形轮扫描仪、光学固态偏转器，它们依赖于电光或声光效应等，或者这些技术的组合。
根据本发明的还一方面，该装置包括多个激光束装置，这些激光束装置位于通过该装置的钢带通路的宽度和长度上。这种激光束装置可以是激光束源或者源自一个或多个公共激光束源的激光束。
该装置的控制装置设计成控制在激光束的通路中的激光束源和/或扩束器、分束器、聚焦元件、激光束成形器和偏转器，该激光束来自激光束源。控制装置大致为软件调节控制系统，以便控制在装置的激光纹理化部分中的装置，并有必须的传感器，以便监视处理变化，并使得控制适应这些变化和适应用于纹理图案的控制程序。
还提供为，装置包括硬化辊轧机，其中硬化辊轧机提供有辊，该辊的粗糙度Ra(λc＝2.5mm)小于6μm，优选是小于2μm。因为纹理通过激光纹理化来施加，因此不再需要使用纹理化的辊。不过，为了在钢带上有足够的抓紧力，至少一个辊需要有特定的粗糙度。
附图说明
本发明将通过现有的附图中所示的实例来进一步解释，附图中：
图1示意表示了硬化轧制、拉伸平整、涂覆和激光纹理化的处理顺序；
图2a-2d更详细地表示了将激光纹理施加于钢带上的不同装置；
图3a-3e更详细地表示了可使用运动钢带的激光纹理化来获得的典型表面结果。
具体实施方式
在图1中非常示意地提供了处理顺序。处理开始于提供钢带，该钢带在大多数情况下将提供有涂层，例如Zn基涂层，如方框1中所示。之后，钢带进行表面光轧(方框2)，并在通过激光纹理化(方框4)而施加纹理图案之前进行拉伸平整(方框3)。之后，可选地，还一金属或有机涂层可以施加至纹理化的钢带上(方框5)。当然，激光纹理化也可以在有或没有包围前面的处理步骤的情况下进行。
图2a表示了一种具有激光源6、扩束器8、激光束成形器9和聚焦元件10的装置，该激光源6产生一个或多个激光束7，该聚焦元件10用于将激光束聚焦在钢带11上。
图2b表示了一种装置，该装置还包括分束器12，用于将激光束分成多个激光束。
在图2c所示的装置中，包括激光束偏转器13，该激光束偏转器用于使得激光束偏转成一维、两维或者甚至三维。
在图2d中示意表示了用于该装置的控制系统14、15。其中，控制系统用于分别控制激光源6、扩束器8、激光束成形器9、分束器12和激光束偏转器13。控制系统15专门用于控制聚焦元件11。
最后，图3a-3e表示了在钢样品上的激光施加纹理的实例，其中有各凹坑和/或槽的图案，具有相互成大致直角的相应槽、一排凹坑、等距离的凹坑网格、规则线图案和交叉阴影线图案。

Claims (18)

1.一种用于钢带的精加工的方法，包括钢带的纹理化，其中，在运动钢带的表面上施加纹理，其特征在于，
-使单个激光束或多个激光束导向运动钢带的表面，以及
-对所述单个激光束或多个激光束进行位置控制，以便在运动钢带的表面上施加在微米范围内的预定的纹理图案，
-其中，纹理化在钢带的硬化轧制之后进行，
-硬化辊轧机设置有粗糙度Ra小于6μm的辊。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：将激光束分成多组激光束，各组激光束有单个激光束或多个激光束，这些组被分开控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：所述多组激光束彼此相对定位在所述钢带的宽度上和/或沿所述钢带的运动方向定位。
4.根据权利要求2所述的方法，其中：将所述多组激光束控制成使得纹理的相邻部分由不同组的激光束来施加，该不同组的激光束有彼此相对不同的位置。
5.根据权利要求2所述的方法，其中：将两组或更多组激光束控制为形成干涉图案，该干涉图案具有适用于运动钢带的纹理化的功率密度分布。
6.根据权利要求2所述的方法，其中：控制包括控制在一个或多个不同组激光束内的一个或多个激光束以及它们的位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其中：控制包括将激光束聚焦至在运动钢带的表面上的图像点中、和/或一个或多个激光束的功率调制、和/或一个或多个激光束的功率密度的成形。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：控制包括对运动钢带沿z方向的变化的校正。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：纹理化在钢带的平整之后进行。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：钢带的线速度在直到和包括15m/s的范围内。
11.根据权利要求1所述的方法，其中：一个或多个激光束或一部分激光束是连续波的激光束。
12.根据权利要求1所述的方法，其中：所述单个激光束或多个激光束是脉冲激光束，其中
-脉冲持续时间在1fs至100ms的范围内，
-各激光束的电磁辐射的波长在200nm-11μm之间，以及
-各激光束的能量密度在1nJ/cm2-100 J/cm2的范围内。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：所述各激光束的能量密度在0.1J/cm2至10J/cm2的范围内。
14.用于钢带的精加工的精加工装置，其特征在于，该精加工装置包括：至少一个激光束源，以便产生单个激光束或多个激光束，从而将在微米范围内的纹理施加在运动钢带的表面上；以及控制装置，用于控制所述单个激光束或多个激光束，以便将在微米范围内的纹理施加在运动钢带上，其中，该精加工装置包括硬化辊轧机，该硬化辊轧机设置有粗糙度Ra小于6μm的辊，其中，纹理化在钢带的硬化轧制之后进行。
15.根据权利要求14所述的精加工装置，其中：控制装置组合两个或更多激光束，以便形成干涉图案，该干涉图案具有适用于运动钢带的纹理化的功率密度分布。
16.根据权利要求14所述的精加工装置，其中：激光分束器提供为用于一个或多个激光束源，以便将来自激光束源的激光束分成多个激光束。
17.根据权利要求14所述的精加工装置，其中：至少一个位置控制激光束偏转器提供在激光束通路中，以便使得激光束沿一个或多个方向偏转。
18.根据权利要求14所述的精加工装置，其中：多个激光束装置定位在通过该精加工装置的钢带通路的宽度和长度上。
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