CN1162246C - 一种用激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法，涉及一种用于冷轧薄钢板(带)表面加工使用的轧辊的激光加工技术。本方法较好地匹配了激光单脉冲能量和脉冲宽度，在激光加工过程中，使激光束以一定的离焦量离焦照射轧辊表面，在合适的脉冲频率和激光扫描速度下，辅以保护性气体并按一定的角度侧吹熔池，加工出了从摩擦学角度优化设计的轧辊表面球冠状微凸形貌。利用本方法加工出的轧辊表面，可以使冷轧薄钢板(带)在冲压过程中形成独特的微水坑润滑机构，有效减小了摩擦力和磨损，减少了应力集中，防止了冲压裂纹的产生，同时在冷轧薄钢板(带)表面形成的微突体表面圆滑、尖锋少，从而保证表面具有足够小的粗糙度。
Description
技术领域
一种用激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法，涉及一种用于冷轧薄钢板(带)表面加工使用的轧辊的激光加工技术，属于机械加工技术领域。
背景技术
优质冷轧薄板和薄带不仅需要优良的材质，而且对薄板表面质量特别是表面微观形貌也有严格的要求，这样才能确保薄板优良的成形性能和表面涂镀性能。使薄板(带)的表面毛化就是改善表面质量的主要方法，生产出的毛化冷轧薄板(带)是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。
为了生产出优质冷轧毛化板，首先要对轧机轧辊进行毛化处理，然后使用毛化轧辊再轧制出所需的冷轧毛化薄板。70年代初，采用将其表面打成无数小坑的喷丸方法来毛化轧辊，由于喷丸处理是靠调整砂丸的粒度和喷丸时间来调节毛化程度，因此不能精确控制辊面的形貌和粗糙度，难以适应轧制高质量钢板的轧辊毛化要求，且环境污染较重。80年代至90年代，国内外开始采用激光毛化技术，利用高能量密度、高重复频率的脉冲激光对轧辊表面进行毛化处理，并成功地轧制出具有毛化效果的薄钢板(Crahay J.Present state ofdevelopment of the lasertex process.Proc of the 3cr Inter conf on Laser in Manu.Paris 1986：245～259)。但是，现有的激光毛化技术，包括CO2激光毛化和YAG激光毛化，其基本原理是将调制后的高频脉冲激光聚焦到轧辊的工作表面，并在其表面扫描出高密度分布的斑点，形成微小熔坑，同时辅以一定成分、一定压力的辅助气体沿一定角度侧吹熔池中的熔融物，使其按指定要求堆积到熔池边缘。毛化过程中采用的激光脉宽范围一般在0.1μs～10μs左右。由于聚焦后的激光功率密度很高，因此使得轧辊表面金属在很短时间内熔化(并有部分汽化)和凝固，从而形成了众多火山口状(四周为凸肩，中间为凹坑)的微粗糙体。轧辊就靠这些微火山口状坑的凸肩部压在钢板上，使之形成环状凹陷。这种环状凹陷可以起到一定的储油、冷却和容屑的作用，因而在钢板的冲制过程中起到了一定的润滑及抗擦伤的效果，但是环状凹陷在板材的冲压过程中形成的流体膜润滑方式不能形成收敛的油楔效应，易产生干涉光纹。从摩擦学及润滑理论上分析，板材表面最理想的微观形貌应为球面或椭球凹陷，因为球面或椭球凹陷能够使钢板在冲压过程中形成独特的微水坑润滑机构，有效减小了摩擦力和磨损，减少了应力集中和防止冲压裂纹的产生，同时形成上述微坑也有利于钢板表面相应形成的微突体，表面圆滑、尖锋少以保证板面具有足够小的粗糙度。
发明内容
本发明的目的是针对一种从摩擦学角度优化设计的轧辊表面球冠状微凸新形貌，实现其三维形貌轮廓的激光加工方法。使用本方法处理的轧辊，还可以较大程度地提高轧辊表面的硬度和抗磨损性，从而实现较好的经济性。
本发明提出的一种用激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法，其特征在于该方法采用激光毛化处理，对激光脉冲波形进行改形处理，包括以下步骤：
(1)将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为5～100J，脉冲宽度为0.05～5ms，选择激光脉冲频率为1～100Hz，激光扫描速度为1～50mm/s；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为0.5～5mm；
(4)选择惰性气体为辅助气体，气体流量为10～35l/min，沿25～60°的角度侧吹熔池。
在上述方法中，采用氩气作为辅助气体。
在上述方法中，对激光脉冲波形进行施加峰值功率增益的改形处理。
在上述工艺条件下，轧辊表面金属经激光照射后快速熔凝，成功得到了所设计的球冠状微凸斑点形貌及其尺寸。
采用本方法形成的轧辊表面高密度分布的球冠状微凸斑点，辊面形貌和粗糙度能够得到精确的控制。在激光束作用时，辊面作用区材料由于熔凝速度非常快可以形成超细晶组织，其硬度可超过HV1200(传统的激光毛化方法，辊面作用区的硬度一般为HV900～HV1000左右)，远高于常规淬火所能达到的程度，高硬度的表面组织有利于提高辊面的耐磨损性能，延长了轧辊的使用寿命；由本方法生产的轧辊表面的微水坑润滑机构的形貌既有利于改善轧制时辊板间的摩擦状态，又有利于保持良好的润滑条件，防止了轧制过程中的擦伤与粘着，从而提高了轧制速度与轧制钢板(及带材)的质量；此外采用该轧辊轧制的钢板具有很好的微观映象清晰性，在喷漆(或化学处理)时具有很好的附着性及外观质量。此种轧辊表面球冠状微凸形貌，该轧辊表面平均表面粗糙度在0.1～7μm这个范围内，构成上述表面粗糙度的显微形状为：毛化质点中部为球冠状微凸起，呈圆滑状；在凸起的周边为封闭式环状微凹坑。
附图说明
图1：是传统轧辊表面激光毛化的熔融形貌示意图。
图2：是轧辊表面球冠状微凸形貌的示意图。
图3：是脉冲激光波形改形前与改形后的比较示意图。
图4：是采用实例1的轧辊试样和激光加工参数时试样表面形成的球冠状微凸形貌和尺寸图。
具体实施方式
图1是传统轧辊表面激光毛化的熔融形貌示意图，1为激光束，2为辅助气体O2，3为熔化金属，4为基体。调制后的高频脉冲激光聚焦到轧辊的工作表面，形成微小熔坑，在气体侧吹的辅助作用下，轧辊表面金属在很短时间内熔化并凝固后形成环状凹陷。
图2是利用本发明方法制造的轧辊表面球冠状微凸形貌的示意图，其断面尺寸的主要参数如下：球冠状微凸体平均直径D，相邻两个球冠状微凸体中心间平均距离Sm，球冠状微凸体至轧辊表面之间的平均高度h。
图3是脉冲激光波形施加峰值功率增益Tr改形前后的比较示意图，1)线表示改形前的激光波形形状，2)线表示改形(施加峰值功率增益Tr)后的激光波形形状。
实施例1：高碳铬轴承钢GCr15轧辊试样的激光毛化试样为圆柱形，直径17mm，厚度6mm。材料为GCr15，具体化学成份如表1所示，整体淬火后，表面硬度达到HV 935，经研磨后表面粗糙度为Ra＝0.04μm。
表1 GCr15的化学组成
化学成份组成(％)
GCr15 C：0.95～1.05，Mn：0.25～0.45，Si：0.15～0.35，P：≤
0.025，S：≤0.025，Cr：1.40～1.65
具体加工步骤如下：
(1)采用波长1.06μm的脉冲Nd:YAG激光器对轧辊进行毛化处理，将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为25J，脉冲宽度为0.5ms，对激光脉冲波形进行改形处理；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为5.0mm；
(4)选择脉冲频率5 Hz，激光扫描速度2.5mm/s
(5)选择氩气为辅助气体，气体流量20l/min，沿30°侧吹熔池。
对激光脉冲波形进行改形处理如图3所示，横、纵坐标的单位标尺分别为每一大格200μs和100mv，1)线表示改形前的激光波形形状，脉冲输入能量Ep＝52J，脉冲宽度Tp＝0.5ms，脉冲频率f＝5Hz，输出平均功率PM＝10W；2)线表示改形(施加峰值功率增益)后的激光波形形状，脉冲输入能量Ep＝64J，脉冲宽度Tp＝0.5ms，脉冲频率f＝5Hz，输出平均功率PM＝12W。
图4是在WYKO非接触式三维形貌仪下获得的轧辊表面球冠状微凸形貌图，具体外形尺寸为：球冠状微凸体x方向平均直径D为231.6μm，y方向平均直径D为245.1μm，相邻两个球冠状微凸体中心间平均距离Sm为300μm，球冠状微凸体至轧辊表面之间的平均高度h为4.15μm。
经表面硬度测量，球冠状微凸体表面硬度(深度近1/2处)比基体的表面硬度高。微凸体表面从硬度分布看应该分为上下两层。上部由于快速熔凝出现了淬火效应，使得其硬度(约为HV1292)远远大于材料基体硬度；而下部为激光熔融时的过渡层，其硬度(约为1198)比上层有所下降，但仍然高于基体。采用SRV快速磨损试验机对球冠状微凸体的耐磨性进行检测，经过磨损后的试样其微凸体的高度与磨损前相比较几乎没有区别，进一步证明了微凸体具有良好的耐磨特性。
实施例2：
高碳铬轴承钢GCr15轧辊试样的激光毛化试样为圆柱形，直径17mm，厚度6mm。材料为GCr15，具体化学成份同表1所示，整体淬火后，表面硬度达到HV 935，经研磨后表面粗糙度为Ra＝0.04μm。
具体加工步骤如下：
(1)采用波长1.06μm的脉冲Nd:YAG激光器对轧辊进行毛化处理，将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为5J，脉冲宽度为0.05ms，对激光脉冲波形进行如图3所示的改形处理；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为0.5mm；
(4)选择脉冲频率100Hz，激光扫描速度50mm/s；
(5)选择氩气为辅助气体，气体流量10l/min，沿60°侧吹熔池。
轧辊表面球冠状微凸具体外形尺寸为：球冠状微凸体x方向平均直径D为261.8μm，y方向平均直径D为275.2μm，相邻两个球冠状微凸体中心间平均距离Sm为300μm，球冠状微凸体至轧辊表面之间的平均高度h为4.35μm。
经表面硬度测量，球冠状微凸体表面硬度(深度近1/2处)比基体的表面硬度高。微凸体表面从硬度分布看应该分为上下两层。上部由于快速熔凝出现了淬火效应，使得其硬度(约为HV1285)远远大于材料基体硬度；而下部为激光熔融时的过渡层，其硬度(约为1176)比上层有所下降，但仍然高于基体。采用SRV快速磨损试验机对球冠状微凸体的耐磨性进行检测，经过磨损后的试样其微凸体的高度与磨损前相比较几乎没有区别，进一步证明了微凸体具有良好的耐磨特性。
实施例3：
高碳铬轴承钢GCr15轧辊试样的激光毛化试样为圆柱形，直径17mm，厚度6mm。材料为GCr15，具体化学成份同表1所示，整体淬火后，表面硬度达到HV 935，经研磨后表面粗糙度为Ra＝0.04μm。
具体加工步骤如下：
(1)采用波长1.06μm的脉冲Nd:YAG激光器对轧辊进行毛化处理，将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为100J，脉冲宽度为5ms，对激光脉冲波形进行如图3所示的改形处理；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为3.9mm；
(4)选择脉冲频率50Hz，激光扫描速度25mm/s；
(5)选择氩气为辅助气体，气体流量35l/min，沿25°侧吹熔池。
轧辊表面球冠状微凸具体外形尺寸为：球冠状微凸体x方向平均直径D为215.3μm，y方向平均直径D为221.4μm，相邻两个球冠状微凸体中心间平均距离Sm为300μm，球冠状微凸体至轧辊表面之间的平均高度h为3.24μm。
经表面硬度测量，球冠状微凸体表面硬度(深度近1/2处)比基体的表面硬度高。微凸体表面从硬度分布看应该分为上下两层。上部由于快速熔凝出现了淬火效应，使得其硬度(约为HV1290)远远大于材料基体硬度；而下部为激光熔融时的过渡层，其硬度(约为1187)比上层有所下降，但仍然高于基体。采用SRV快速磨损试验机对球冠状微凸体的耐磨性进行检测，经过磨损后的试样其微凸体的高度与磨损前相比较几乎没有区别，进一步证明了微凸体具有良好的耐磨特性。
实施例4：
高碳铬轴承钢GCr15轧辊试样的激光毛化试样为圆柱形，直径17mm，厚度6mm。材料为GCr15，具体化学成份同表1所示，整体淬火后，表面硬度达到HV 935，经研磨后表面粗糙度为Ra＝0.04μm。
根据本发明的球冠状微凸形貌激光加工方法，具体加工步骤如下：
(1)采用波长1.06μm的脉冲Nd:YAG激光器对轧辊进行毛化处理，将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为25J，脉冲宽度为0.5ms；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为4.1mm；
(4)选择脉冲频率5Hz，激光扫描速度2.5mm/s；
(5)选择氩气为辅助气体，气体流量20l/min，沿30°侧吹熔池。
轧辊表面球冠状微凸具体外形尺寸为：球冠状微凸体x方向平均直径D为235.3μm，y方向平均直径D为242.4μm，相邻两个球冠状微凸体中心间平均距离Sm为300μm，球冠状微凸体至轧辊表面之间的平均高度h为4.35μm。
经表面硬度测量，球冠状微凸体表面硬度(深度近1/2处)比基体的表面硬度高。微凸体表面从硬度分布看应该分为上下两层。上部由于快速熔凝出现了淬火效应，使得其硬度(约为HV1286)远远大于材料基体硬度；而下部为激光熔融时的过渡层，其硬度(约为1183)比上层有所下降，但仍然高于基体。采用SRV快速磨损试验机对球冠状微凸体的耐磨性进行检测，经过磨损后的试样其微凸体的高度与磨损前相比较几乎没有区别，进一步证明了微凸体具有良好的耐磨特性。
Claims (3)
1、一种用激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法，其特征在于该方法采用激光毛化处理，对激光脉冲波形进行改形处理，包括以下步骤：
(1)将需处理的轧辊试样安装在工作台面上；
(2)选择激光单脉冲能量为5～100J，脉冲宽度为0.05～5ms，选择激光脉冲频率为1～100Hz，激光扫描速度为1～50mm/s；
(3)将焦点位置调节到轧辊表面的上方，使激光束离焦照射轧辊表面，离焦量为0.5～5mm；
(4)选择惰性气体为辅助气体，气体流量为10～35l/min，沿25～60°的角度侧吹熔池。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用氩气作为辅助气体。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于对激光脉冲波形进行施加峰值功率增益的改形处理。
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- 2002-01-29 CN CNB021036071A patent/CN1162246C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101204755B (zh) * | 2007-12-18 | 2011-05-04 | 中国石油大学(华东) | 金属构件表面微观形貌可控制造工艺实现方法 |
| CN104588883A (zh) * | 2014-12-24 | 2015-05-06 | 武汉钢铁(集团)公司 | 一种在轧辊表面毛化和标记图案的系统 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1358603A (zh) | 2002-07-17 |
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