激光毛化技术在冷轧轧辊上的应用

激光毛化技术在冷轧轧辊上的应用

赵耿燕（昆钢线材厂）

摘　要 阐述了激光毛化技术的原理、在冷轧板中的应用，以及对激光毛化设备、工艺改进后对产品质量的提高。

关键词 激光毛化 功率 粗糙度 条纹

1 前言

通过对冷轧板进行毛化，能有效改善冷轧板的成型性、表面涂镀性能以及表面光感等，因此冷轧商品板卷一般采用毛化生产交货。而生产毛化板的轧辊毛化方式主要有抛丸毛化、电火花毛化、激光毛化等，由于激光毛化具有毛化参数可控、毛化均匀、对钢板的复制率高、复制衰减小使用周期长和光感较好等优点，激光毛化在冷轧板的生产中得到了广泛的使用。

生产中主要用于轧制退火卷和平整卷的轧辊的毛化，这种表面结构的优点主要表现在以下五个方面：

1）改善轧辊与轧件之间的摩擦与润滑条件，有效地减少轧制打滑现象，提高了轧制的稳定性。其次由于激光毛化表面改性与细晶强化作用的特性，延长了轧辊使用寿命，一付轧辊一次可轧制500吨。

2）在轧制过程中，增加轧辊与板面的摩擦力，改善接触条件，有利于轧机压下量充分使用，减少擦伤和粘连，防止轧制跑偏，减少边浪，改善板型，提高板面质量，成材率得到提高。

3）解决冷轧板表面乳化液残留问题：由于毛化后的钢卷层间间隙增加，有利于退火时钢卷表面残留乳化液的挥发，防止产生黑斑、黑带质量问题。

4）解决退火板面粘接问题：激光毛化辊轧制的冷轧带卷层与层的接触由原来的面接触变成了点与点之间的接触，层与层的接触面积小，改善了钢卷退火时轴向上的传热，减小钢卷的退火应力，避免了退火粘接缺陷。

5）改善冷轧板的冲压成型性能和提高板面对涂层的附着力：冷轧板卷一般从热轧到冷轧过程均处于纵向轧制，导致纵向和横向上存在着性能的各向异性，通过改变毛化点阵的分布，可改

2 激光毛化技术基本原理及应用

基本原理：昆钢冷轧板所用的轧辊毛化使用激光毛化，其作用是采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光通过斩光盘的转动进行有规律的间断阻拦，从而在冷轧辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造型，同时由侧吹装置对微小熔池施以设定压力、流量、方向的辅助气体（CO2），使熔池中的融溶物按指定要求尽量堆积到熔池边缘，形成具有一定形貌的表面硬化的微坑和坑边凸台结构，然后在冷轧板轧制或平整过程中，轧辊表面上的凸台在冷轧板上形成微坑，以形成毛化板。CO2激光毛化形貌的板形转换状态下凸台的复印率为80 %，所以激光毛化转换率高，不易堵塞，毛化效果好，过钢量高。CO2激光毛化在冷轧

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善冲压成型的各项异性性能。同时，由于涂油卷毛化凹坑的贮油能力增强和毛化板表面与模具的接触为点接触，冲压时改善了冲压件与模具的摩擦，有利于提高其成型性。另外，由于毛化板的表面积增加，从而增加了钢板表面对涂层的附着力。

6）改善冷轧板的光感：毛化后的钢板表面形成细小密集的圆形凹面，改善了钢板表面反光效果，光感较柔和。

3 激光毛化基本参数及对板材性能影响

表面粗糙度Ra：毛化轧辊的Ra一般在1～10 μm之间。Ra较大，有利于改善钢材的冲压性能和涂层牢固度，而Ra较小时，有利于提高板材涂层后的光亮度。由于激光毛化板的表面形貌成有序分布，Ra与坑形和分布密度密切相关，在辊—板粗糙度转换中，一般辊上的凹坑转换率大致为20 %,辊凸台的转换率可高达80 %。因此，为增加激光板的Ra，常需要在辊面毛化时尽量增加凸台部分的高度，以提高辊—板Ra转换率。当0.6 μm≤Ra≤1.3 μm时，激光毛化板既具有良好的成型性能，又保持高的涂漆光亮度。

4 激光毛化在昆钢冷轧板中的应用

昆钢板带工程是国家技改项目工程之一，是云南省“九五”期间的重点项目。昆钢冷轧车间属昆钢板带工程项目，于2000年12月26日奠基开工，于2002年9月26日试轧成功。全车间主要设备由在同类工序中具有世界先进水平的奥地利、美国引进。冷轧所用的原料是热轧带卷，轧制的品种主要有Q195、 ST12、ST13、SPCC，另外还有不锈钢板，钛板等。所轧制带钢的厚度通常在0.2～2.0 mm，宽度通常在857～1 550 mm。产品主要用于镀锌板、家电产品外板、黄磷桶板、汽车外板部件等。

昆钢大型轧辊激光毛化设备主要用于对四

辊可逆式冷轧机和四辊可逆式平整机的轧辊辊身表面进行毛化。该激光毛化机床有一个支承轧辊的机床，由一台日本NRL-1 000轧辊车床改造而成，激光功率范围为100～3 000 KW，激光器型号则为美国PRC公司生产的3 000 W CO2直流的轴流高性能结构器。在可以进行毛化之前轧辊外表面经过磨削，先去除表面缺陷并磨至需要的辊型，毛化前辊面粗糙度Ra=0.1-0.45 μm。昆钢轧辊的毛化主要用于以下几方面：

(1)改善冷轧卷退火的表面质量和防止钢卷粘结昆钢冷轧卷生产初期，四辊可逆式冷轧机采用光辊进行轧制，虽然轧机出口采用空气对乳化液进行吹扫，但仍有少部份乳化液和残油留在带钢表面和钢卷层间。因昆钢的冷轧原料采用的是炉卷轧机生产的原料，原料的初轧、终轧均在两个机架上进行，原料断面难以全按中凸度进行控制。受原料板凸度对冷轧遗传的影响，部份冷轧带卷为中凹断面形状，导致钢卷边部卷取应力大于中部，在后继全氢罩式退火时，边部应力过大发生粘结和钢卷中部的乳化液无法挥发分解产生黑斑、黑带等质量问题。为此，四辊可逆式冷轧机均改为上辊单辊毛化轧制，有效改善了带钢的表面质量和退火粘结等质量问题。

(2)对轧机工作辊进行强化，提高轧辊利用率昆钢冷轧车间四辊可逆式冷轧机轧辊采用的是含Cr合金钢轧辊，当直径小于490 mm时轧辊的淬硬层硬度已达不到工艺的要求，为充分提高轧辊利用率，降低生产成本，利用激光毛化可提高轧辊表面硬度的特点，对直径小于490 mm的工作辊全部进行毛化使用，取得了较好效果。

(3)用于毛化商品卷的平整

昆钢冷轧商品板卷主要按毛化板交货。平整时采用上下工作辊毛化生产毛化商品板，相比光辊平整光面板，单次整平产量提高一倍多。

5 应用中存在的问题及原因

冷轧带钢表面粗糙度一般通过平整轧制的轧

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辊进行控制，平整轧制时，毛化辊的表面特征会压印到带钢上。轧辊毛化的主要作用是对材料表面实行高密度（点阵3～6 点/㎜）、小尺寸（强化点径80～200 μm）点状钉扎强化,能把钉扎点的强化作用与基体原有任性有机结合起来。根据生产经验，为了保证激光毛化板的成型性能，昆钢冷轧平整辊在激光毛化时只有辊面粗糙度Ra为2.0 μm时才能达到生产要求。但一直以来，辊面过高的粗糙度和过密点阵引起的问题就是毛化后辊面坑边凸台相连，导致平整生产后在带钢板面出现划伤，形成亮条纹。

通过对各种要因进行确认，找出主要原因有三条：一是毛化前轧辊的磨削粗糙度值高；二是由于毛化点阵和激光功率决定着轧辊身上凹坑和凸台的数量、深度、尺寸和分布。为保证激光毛化的速度和辊面粗糙度和硬度达到工艺要求，一直以来，毛化轧辊时激光功率都是在1 200 KW左右，使用的结果是轧制后钢板表面形成亮条纹，导致冷轧产品等级率不高，平整辊返辊率增大。

图 1 板面亮条纹缺陷宏观效果图

在型号为WYSX-40X放大镜下显示的毛化辊面和板面图如图2、图3所示：1 200 KW的毛化功率和3.0×3.5点/㎜点阵引起的粗糙度过高和毛化凸台过密导致毛化坑边凸台相连，摩擦系数增大，带钢板面出现划伤，形成亮条纹。

图 2 激光功率为1 200 KW毛化辊面（放大40倍）

图 3 激光功率为1 200 KW薄板表面（放大40倍）

6 解决的措施

为了解决这个问题，通过不断的摸索，在确保冷轧毛化板成型性能和表面涂镀性能的情况下，做了如下的改进措施：

1）为了控制轧辊毛化前本身的粗糙度，2015年3月份在轧辊磨削的过程中逐渐调整辊面粗糙度，4月份把原来的平整用辊表面粗糙度Ra从0.4 μm降低到0.24 μm后，辊面亮条纹数量明显减少，见表1。

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表 1 2015年2～5月份平整辊使用情况表

月份使用轧辊数（付）平均粗糙度值（μm）辊面亮条纹数（付）

2月份150.407

3月份230.2812

4月份110.244

5月份180.244

2）通过对程序的不断优化，把毛化点阵的密度由原来的3.0×3.5点/㎜改为3.0×3.0点/㎜，增强

激光点阵值3.0×3.5点/mm3.0×3.5点/mm

了辊面的毛化精度，辊面情况得到了改善，见表2。

辊面亮条纹数（付）

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表 2 不同激光点阵时辊面色差值

3）通过从1 200～1 000～850 KW激光功率的不断调整，以及对调整后钢板表面的观察，在保证轧制质量和板面质量的情况下，发现激光功率在850～900 KW范围时，辊面粗糙度由原来的2.0 μm

激光功率（KW)

1 2001 1501 1001 0501 000950900850

（功率1 200 KW）降低到1.2 μm时辊面摩擦系数得到有效降低,毛化形成的坑形均匀性得到提高，辊面毛化点相连的情况得到消除，轧辊返辊率减少，见表3、图4。

板面粗糙度Ra（μm）

1.020.940.830.750.680.610.560.5

表 3 毛化激光功率对应的辊面粗糙度表

辊面粗糙度Ra（μm）

2.031.921.851.671.551.441.351.24

图 4 不同毛化激光功率对应的辊面粗糙度

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通过对激光功率和点阵的改进后，毛化辊面均匀性得到提高，辊面毛化凸台相连的情况基本消除，平整轧制后的板面亮条纹得到明显改善，改进后毛化辊面和板面放大图如图5、图6。

图 5 激光功率为850 KW毛化辊面（放大40倍）

图 6 激光功率为850 KW薄板表面（放大40倍）

7 取得的成果

通过一系列的改进，解决了冷轧平整板因亮条纹引起的等级率降低的问题，由毛化轧辊辊面造成的平整板面条纹得到了有效控制。由此缺陷误判的擦伤缺陷整体比例有了大幅下降，2015年

擦伤比例2.8 ％，比2014年5.08 ％下降了2.28 ％，大幅提升产品外观形象。同时也解决了2014年下半年以来由板面亮条纹引起的平整辊大量返辊的问题。特别是6月份，因亮条纹引起返辊6付，占整月用辊的43.5 %，从7月份通过技术改进后，这一问题得到了明显改善，见图7。

图 7 改进后板面效果图

8 结束语

平整板是冷轧所有工序的最后一步，平整辊辊面质量将直接影响到产品等级率的高低。通过对毛化机床设备、工艺的改进，冷轧平整辊毛化辊面条纹缺陷大幅度减少，由辊面造成的平整板质量得到了有效控制，冷轧产品等级率提高，改善了昆钢冷轧产品外观质量，提高了品牌形象，得到用户的好评。

参考文献：

[1]激光加工工艺手册/关振中主编.—北京：中国计量出版社.1998 ISBN 7-5026-1060-X

[2]昆钢激光毛化项目操作人员培训教材/华中科技大学激光院.昆钢项目组编.—2002

[3]昆钢板带厂冷轧激光毛化机床操作规程/武钢集团昆钢股份板带厂作业文件