CN109661290A - 用于运动钢带的液体辅助激光纹理化的方法和装置 - Google Patents

用于运动钢带的液体辅助激光纹理化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运动钢带(3)的纹理化的方法和装置，其中，纹理通过指向运动钢带(3)表面的单个激光束或多个激光束经烧蚀而施加至运动钢带(3)的表面上，且液体(2)在运动钢带(3)的、覆盖单个激光束或多个激光束在该运动钢带(3)上的工作区域的表面区域上面供给至运动钢带(3)上。

Description

用于运动钢带的液体辅助激光纹理化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于运动钢带的激光纹理化的方法以及一种用于激光纹理化运动钢带的装置。
背景技术
在(涂敷)钢带的精加工中，对钢带进行平整和/或回火轧制。通过平整，控制带材的形状和形式，且通过回火轧制，钢带的机械性能通过延长带材和通过使得钢中的晶粒沿轧制方向定向而提高。还有，它涉及外观、表面纹理和表面功能(功能性)，带材的表面质量提高。通过回火轧制步骤，纹理可以从工作辊转移到带材的表面上，以便获得钢带的特定功能，例如但不局限于外观、更好的涂料粘附性、摩擦性能和改进的成形特性。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，至少一个与钢带接触的回火工作辊提供有在辊表面上的特定纹理，这样，当通过回火轧机时，在该辊表面上的印模转移至钢带表面上。由于在纹理转印辊上的纹理磨损和/或阻塞，因此所需的纹理必须经常更新或再次施加。为了使得纹理转移辊表面纹理化，可以使用多种技术，但是即使通过施加更耐久的纹理，主要缺点是它们都有特定但有限的维持时间。随着高强度钢在广泛产品范围内的应用越来越多，这成为甚至更大的缺点。
另一缺点是，为了施加不同的纹理，必须改变纹理转移辊，从而导致时间损失以及因此的生产损失。另外，当在带材上在不同位置需要不同的纹理时(不管是在辊宽度内、在辊周长的外部还是在钢带的顶部或底部)，这都不能通过传统的单机架轧机来实现。
作为替代方案，纹理能够通过激光纹理化来施加，其中，纹理优选是当钢带沿着处理线运动时施加在钢带中。通过激光纹理化，纹理通过从钢带上烧蚀材料来施加，而不是在钢带中压印纹理。随着材料从钢带上烧蚀，需要从带材上除去烧蚀的材料，以便保持带材清洁，并因此防止由于在钢带表面上存在烧蚀材料而引起的、对施加纹理的干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于激光纹理化高速运动钢带的表面的方法。
本发明的目的是提供一种用于激光纹理化运动钢带表面的方法，其中，纹理化碎屑从表面除去。
本发明的另一目的是提供一种用于激光纹理化运动钢带表面的方法，该方法提供清洁的纹理表面。
本发明的另一目的是提供一种用于激光纹理化运动钢带表面的方法，用于高生产率的激光纹理化。
本发明的另一目的是提供一种用于激光纹理化运动钢带表面的方法，该方法能够很容易地应用，且成本低。
本发明的另一目的是提供一种适用于工业用途的装置，以便应用用于激光纹理化运动钢带表面的方法。
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纹理化运动钢带的方法来实现，其中，纹理通过指向运动钢带表面的单个激光束或多个激光束经烧蚀而施加至运动钢带的表面上，其中，液体在运动钢带的、覆盖单个激光束或多个激光束在该运动钢带上的工作区域的表面区域上面供给至运动钢带上。
该激光束或多个激光束的“工作区域”的意思是运动钢带的这种区域，该激光束或多个激光束通过该激光束或多个激光束的控制装置而控制成在该区域上工作。
为了能够将纹理图案施加在运动的钢上，将使用一个激光束或多个激光束，该激光束或多个激光束能够是脉冲激光束或连续波激光束，该脉冲激光束或连续波激光束改变带钢表面。在使用脉冲激光源的情况下，优选是使用纳秒、微微秒或毫微微秒时段的脉冲持续时间，以便获得在微米范围内的良好确定的纹理，而不会使得带材或涂层的其余部分受到热影响，或者至少没有明显的热影响。
术语“钢带”应当意思是“钢带”和“涂敷钢带”。
带材表面使用非接触方法来纹理化，在本例中，该非接触方法是通过电磁辐射，更特别是通过激光。除了激光纹理化之外，其它能量束也可以用于纹理化，特别是通过电子束或离子束。在通过电子束或离子束来纹理化的情况下，需要真空来施加纹理，这与根据本发明的方法相比需要附加的措施。
单个激光束足以在运动钢带上施加纹理图案，不过当不同纹理图案彼此并排时或当必须向较宽钢带提供纹理图案时，优选是有多于一个可用的激光束。为此，将多个激光束分成多组，各组有单个激光束或多个激光束，分别控制这些组。通过多个激光束，将能够和/或更容易地控制激光束，以便提供具有纹理图案的较宽带材，或者当不同的纹理图案必须彼此相邻地施加在运动钢带上时。
通过在运动钢带上在该激光束或多个激光束的至少工作区域上面提供液体，通过纹理化而从运动钢带上烧蚀的材料将悬浮在液体中。优点是烧蚀的材料几乎直接从纹理化的点上除去，从而形成清洁的纹理表面，而没有烧蚀的残留物在纹理化的点附近粘附在钢带上。还发现，由于除去了烧蚀材料，因此与没有首先在运动钢带表面上施加液体的情况相比能够更快地施加纹理。
为了在应该提供纹理的整个钢带表面上面有相同的条件，液体在运动钢带的宽度上提供为至少等于要施加纹理的钢带表面区域的宽度。
已经发现烧蚀速率取决于液体施加在运动钢带上的厚度。为了获得足够的效果，液体层的厚度不低于0.1毫米。可加工的最大厚度为大约10mm。为此，该方法提供为使得液体形成预定厚度的液体膜。还发现，在液体膜厚度为1-5mm的范围内时，烧蚀速率恒定或几乎恒定。这提供了还一优点，即只要这些厚度变化小于4mm，就不需要对于厚度变化的不同钢带调节液体膜的厚度。这将覆盖较大范围的不同厚度的钢带。
根据本发明方法的还一方面，供给液体的厚度通过在运动钢带和引导装置之间引导液体来控制，该引导装置相对于运动钢带表面提供在一定距离处。这些引导装置有在该激光束或多个激光束的工作区域上延伸的平表面区域，并由对于使用的激光透明的材料来制成。硬化玻璃或透明塑料材料是合适的引导装置。
根据本发明的还一方面，在引导装置和运动钢带表面之间的距离进行控制。
通过控制液体膜的厚度，引导装置还防止在液体膜表面上形成任何涟漪。这很重要，因为即使具有纹波的液体膜的厚度在1-5mm的范围内，也将由于折射变化(由于相对于液体膜表面的入射角变化)而导致激光束的偏离。
根据本发明的另一实施例，液体通过喷射来供给，且层厚度通过根据运动钢带的速度来控制喷射量而进行控制。其中，在前面的实施例中，需要提供至少足够量的液体来填充在运动钢带和用于液体的引导装置之间的空间，而在该实施例中，重要的是不提供太多的液体。
为此，液体通过足够数量的喷嘴而喷射在运动钢带上，以便均匀地覆盖运动钢带的、必须纹理化的区域。需要时，液体以两个或更多的堆叠层而供给至运动钢带上。通过由沿下游方向的两个或更多系列的喷嘴来施加液体膜，多个薄液体膜层进行堆垛，以便获得足够用于该目的的厚度。通过喷射一个或多个薄层，液体将均匀地分布在运动钢带的表面区域上，并将产生在该激光束或多个激光束的工作区域上面足够恒定的厚度。
通过喷射而施加的液体膜的厚度小于1-5mm的液体膜厚度(如优选是在前面实施例的运动钢带和引导装置之间施加)。已经发现，液体膜的可加工厚度范围在0.1mm的临界最小厚度和如前面实施例中使用的范围的开始厚度的范围内。已经发现，用于喷射液体膜的优选厚度范围为大约0.5-1mm。
根据本发明的还一实施例，运动钢带引导通过具有液体的容器，其中，单个激光束或多个激光束的聚焦光学器件浸没在液体中并在离运动钢带的表面预定距离处。在该实施例中使用的容器例如是具有用于运动钢带的进口和出口狭槽的密闭容器，其中，狭槽设计成防止液体或过多液体从容器中损失。替代方案是使用具有开口顶侧的容器，其中，钢带通过引导辊而引导通过容器。
使用具有液体的容器的优点是，该激光束或多个激光束的聚焦光学器件浸没在液体中，从而避免了折射，否则使用中间透明板等将发生折射，如上面所述。
根据本发明的方法适用于高生产率的线速度。在根据本发明的方法中，运动钢带的线速度在0.5m/s至15m/s(包括15m/s)的范围内，优选是在1至5m/s的范围内。
根据本发明的还一方面，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具有在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至10J/cm2的范围内。
根据本发明的还一方面，提供了一种装置，用于通过烧蚀而将纹理施加至运动钢带的表面上，它包括：单个激光束或多个激光束，该单个激光束或多个激光束指向运动钢带的表面；控制装置，用于控制单个激光束或多个激光束，以便将纹理施加至运动钢带上；以及液体供给装置，用于将液体供给至运动钢带的、要施加纹理的表面上。
在该装置中，液体供给装置包括一个或多个喷嘴，以便在运动钢带的、要施加纹理的表面区域的宽度上供给液体。
根据本发明的还一方面，引导装置提供为平行于运动钢带的通路和在液体供给装置的下游，以便将液体引导至运动钢带的表面上。
喷嘴的数量或喷嘴的供给速率还由所需液体膜的厚度和运动钢带的线速度来确定。由于液体不由引导装置封闭，因此液体将至少在它的下游侧通过引导装置，且必须连续地供给超过在引导装置和运动钢带之间所需的液体体积。
优选是，液体通过喷嘴沿运动钢带的运动方向来供给，以使得液体很容易在钢带和引导装置之间引导。为此，引导装置在上游侧有朝向上的边缘，通过该边缘，较大厚度的初始液体层通过钢带的运动而被迫进入在引导装置和运动钢带之间的空间中(该空间确定较小的容积)。朝向上的边缘具有的优点是，在引导装置和运动钢带之间获得足够量和均匀分布的液体。
根据本发明的还一方面，提供了一种装置，用于通过烧蚀而将纹理施加至运动钢带的表面上，它包括：单个激光束或多个激光束，该单个激光束或多个激光束指向运动钢带的表面；控制装置，用于控制单个激光束或多个激光束，以便将纹理施加至运动钢带上；以及有液体的容器，其中，单个激光束或多个激光束的聚焦光学器件浸没在液体中并在相对于运动钢带的通路的预定距离处。
附图说明
下面将通过附图中所示的实例来进一步介绍本发明，附图中：
图1表示液体膜厚度相对于烧蚀速率的曲线图；
图2示意表示了装置，该装置有用于将液体供给至运动钢带上的供给喷嘴、激光装置以及用于在钢带上面引导液体的引导装置；
图3示意表示了装置，该装置有用于将液体膜喷射至运动钢带上的射流喷嘴、激光装置以及清洁喷嘴，以及
图4示意表示了装置，该装置有：容器，该容器充装有液体，钢带通过该液体运动；以及激光装置，该激光装置投射至容器中。
具体实施方式
在图1中，曲线图表示了烧蚀速率作为液体层或液体膜厚度的函数。液体膜必须具有高于临界值t临界值和低于t2的厚度，以便保证最佳的材料去除。实际上，值t1和t2在0.5mm和10mm之间。优选是，液体膜的厚度保持在1mm至5mm(包括5mm)的更有限范围内，这产生了用于该激光束或多个激光束的更稳定聚焦状态。
在图2、3和4的示意图中，带材从左至右进行处理。
图2示意表示了具有一个或多个供给喷嘴1的装置，该供给喷嘴1将液体2供给至运动钢带3上，其中，引导装置4提供为引导和/或迫使供给的液体2成为在带材3和引导装置4之间的、预定厚度的液体膜。激光装置5直接安装在引导装置上面，提供一个或多个激光束，以便将纹理施加至运动钢带3上。
引导装置包括透明材料的平坦部分6，该透明材料对于入射激光的折射低到可忽略。对于透明材料，可以使用玻璃或硬化玻璃，该玻璃或硬化玻璃应当优选是高质量，没有内部缺陷。玻璃自身也能够纹理化，以便减小在水/玻璃界面处的湍流。玻璃表面的接触侧可以是疏水性特征，以便防止通过液体粘附在接触表面上而引起的湍流。需要时，玻璃表面能够以多种方式来形成疏水性，包括通过激光、蚀刻、光刻、选择沉积或通过表面活性剂的化学改性而进行表面纹理化。
在引导装置的平坦部分和运动钢带的表面之间的距离在几十毫米内，优选是在1和5毫米之间。
控制装置(图中未示出)提供为用于调节在引导装置和运动钢带之间的距离，并将引导装置保持在运动钢带上面的预定距离范围内。该预定距离能够例如通过千斤顶、马达或带轮系统来控制。
还一装置提供为测量在引导装置和运动钢带(在图中也未示出)之间的距离，该距离用于引导装置的距离控制。该装置可以例如基于超声波距离测量，但是当然存在可以用于测量所述距离的多个替代方案。
引导装置提供有朝向上的边缘7，该边缘7与引导装置的平坦部分6连接。边缘7的下降斜面引导供给的液体至引导装置的平坦部分6下面，并保证液体从该喷嘴或多个喷嘴1至在平坦部分6下面的激光装置5工作区域的锥形流。
重要的是要防止液体膜以任何方式影响钢带表面。在许多情况下能够使用水，而不会以任何方式影响钢带(例如镀锌钢带)。需要时能够使用半水(demi-water)或其它液体，或者有添加剂的液体，例如有酒精、氨(直到5％)等的水或半水。一个重要的要求是液体或有添加剂的液体对入射激光的折射影响可忽略。
支承辊8提供为用于钢带，从而沿向下方向引导钢带3。通过这种结构，能够很容易地在引导装置4的下游收集用过的液体。清洁喷嘴10提供为用清洁液体从钢带上除去纹理化碎屑。收集容器9提供为收集用过的液体和纹理化碎屑。
如图2所示的结构也能够以一定角度来使用，直到和包括竖直位置。
作为替代方案，如上所述的引导装置可以由刀装置来代替，该刀装置确定了相对于运动钢带的通道，其中，该通道的宽度是在刀装置下游的液体膜厚度的关键因素。通过这种刀装置，不需要透明板等，但是液体膜的厚度不能与根据图2的实施例一样良好地控制，且不能防止在液体表面上的涟漪和/或波。这种刀装置也能够以一定角度来使用，直到和包括竖直位置。
在图3所示的结构中，喷嘴11用于将液体膜喷射至运动钢带3上。该液体膜的厚度由喷射系统的压力和该喷嘴或多个喷嘴11的尺寸(与钢带的线速度组合)来控制。产生的层厚度在亚毫米的范围内，优选是在t临界值至t1范围内，见图1，这在大约0.1-0.5mm的范围内。
在图3中表示了多个连续的射流喷嘴，其中，各所示喷嘴11实际上可以是分布在钢带的宽度或一部分宽度上的一系列射流喷嘴。通过连续的射流喷嘴11，喷射液体的多个薄层进行堆垛，以便获得在大约0.1-0.5mm范围内的厚度。在该实施例中，在钢带和有限厚度的液体膜之间的粘附是提供大致恒定厚度液体膜的基本因素。
在液体膜的该厚度范围内，烧蚀速率不像更厚的液体膜那样恒定，但是仍然在特定范围内，见图1，这将导致钢带的纹理化，它足够用于很多用途。
施加的液体膜将在激光装置5的工作区域内至少局部蒸发和/或减少。热空气装置12安装在激光装置5的工作区域的下游，热空气通过该热空气装置12而吹至运动钢带上。通过该热空气，液体膜的剩余部分将干透，由该激光束或多个激光束烧蚀而产生的灰尘吹离钢带的精加工表面。
在水膜下的激光处理过程中，带材的烧蚀伴随着气泡的形成以及空穴化。空穴化气泡在时间tx内衰减，在此期间不希望在相同位置中进行激光处理。另外，气泡可能粘在窗口、平坦部分6上，并对激光束产生负面影响。为了保证由该处理产生的气泡高效地从激光材料相互作用区域逸出和不粘在窗口6上，如图2和图4中所示的装置可以绕支承辊的轴线旋转至任何角度。优选是，选择的角度是在装置中绕支承辊的轴线逆时针旋转的任何角度，如图2和图3中所示。
在图4所示的实施例中，容器13提供为充装有液体，其中，容器提供有水密封进口狭槽和出口狭槽，用于运动钢带3穿过在容器中的液体2。激光束聚焦光学器件14浸没在容器13内的液体2中。聚焦光学器件14和钢带表面之间的距离确定了激光束的焦距。由于激光束光学器件14和钢带3在相同的介质中，因此液体表面的波状特性对钢带的纹理化不会产生任何影响。
具有浸没在液体中的聚焦光学器件14的该实施例使得纹理化处理从两介质处理系统(在分别根据图2和图3的实施例中)简化成单介质处理系统，因此不需要液体层表面变化控制。
容器还提供有进口孔和出口孔，以便改变和/或补充容器13中的液体2，这可以连续地或间歇地进行。包括加热器和/或冷却器装置的温度控制装置提供为使得液体保持在预定温度范围内。
代替具有用于运动钢带3的水密封进口狭槽和出口狭槽的容器13，能够使用具有至少局部敞开顶侧的容器。在这种结构中，需要多个引导辊，以便将钢带引导至容器中，穿过容器中的液体，从容器中出来，并再次返回至处理线的总体方向。
液体是所有装置中的关键组成部分。液体可以包括具有添加剂的溶剂，从而导致在0.01-1000mPa.s范围内的合适动态粘度，优选是在5-500mPa.s范围内，更优选是在50-250mPa.s范围内，甚至更优选是在75-125mPa.s范围内，且在5-50℃的温度范围内对(200nm-11μm)波长的使用激光在射束通路中的折射率影响可忽略。

Claims (17)

1.一种用于运动钢带的纹理化的方法，其中，纹理通过指向运动钢带表面的单个激光束或多个激光束经烧蚀而施加至运动钢带的表面上，其特征在于，液体在运动钢带的、覆盖单个激光束或多个激光束在该运动钢带上的工作区域的表面区域上面供给至运动钢带上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：供给的液体形成预定厚度的液体膜。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：通过在运动钢带和引导装置之间引导液体来控制供给的液体的厚度，该引导装置相对于运动钢带的表面提供在一定距离处。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：控制在引导装置和运动钢带的表面之间的距离。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中：液体通过喷射来供给，且层厚度通过根据运动钢带的速度来控制喷射量而进行控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：液体供给至运动钢带上成两个或更多的堆叠层。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中：引导运动钢带通过具有液体的容器，单个激光束或多个激光束的聚焦光学器件浸没在液体中并在离运动钢带的表面预定距离处。
8.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：液体膜的厚度在0.1-10mm的范围内。
9.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：运动钢带的线速度在0.5m/s至15m/s并包括15m/s的范围内，优选是在1m/s至5m/s的范围内。
10.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其中：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具有在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至10J/cm2的范围内。
11.通过烧蚀而将纹理施加至运动钢带的表面上的装置，包括：单个激光束或多个激光束，该单个激光束或多个激光束指向运动钢带的表面；控制装置，用于控制单个激光束或多个激光束，以便将纹理施加至运动钢带上；以及液体供给装置，用于将液体供给至运动钢带的、要施加纹理的表面上。
12.根据权利要求11所述的装置，其中：液体供给装置包括一个或多个喷嘴，以便在运动钢带的、要施加纹理的表面区域的宽度上供给液体。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中：引导装置提供为平行于运动钢带的通路并在液体供给装置的下游，以便将液体引导至运动钢带的表面上。
14.根据权利要求13所述的装置，其中：在引导装置和运动钢带的通路之间的距离在1-5mm的范围内。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其中：引导装置包括透明板。
16.根据权利要求15所述的装置，其中：透明板在上游侧有朝向上的边缘。
17.通过烧蚀而将纹理施加至运动钢带的表面上的装置，包括：单个激光束或多个激光束，该单个激光束或多个激光束指向运动钢带的表面；控制装置，用于控制单个激光束或多个激光束，以便将纹理施加至运动钢带上；以及有液体的容器，其中，单个激光束或多个激光束的聚焦光学器件浸没在液体中并在相对于运动钢带的通路的预定距离处。
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