激光毛化技术

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激光毛化技术在冶金行业的应用
一、技术介绍●基本描述
1工艺概述
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（加工）
工艺要求的冷轧毛化钢板。

目前用以满足轧辊毛化处理的技术有：喷丸毛化（ＳＢ）技术、电火花毛化（ＥＤＴ）技术、激光毛化技术等。

这些技术按粗糙度形
貌类型来分，可分为无规则分布和可设定式分布的两种类型。

喷丸毛化（ＳＢ）
和电火花毛化（ＥＤＴ）属于无规则分布的粗糙度形貌类型，激光毛化则属于可
设定式分布的粗糙度形貌类型。

本设备采用可设定式分布的CO2激光毛化轧辊技术，为轧辊毛化的最新技术。

CO2激光毛化冷轧辊的工艺是：轧辊在毛化加工之前，需经磨床磨削加工，
去除肉眼可见的全部缺陷，使轧辊表面粗糙度值 R a＝ 0.2-0.7 μ m 范围内，且表面
的粗糙度要均匀；然后将轧辊吊至本设备上安装后，由计算机控制的脉冲激光束
经聚焦后打击到轧辊表面，形成许多小坑；每个小坑中间下凹，低于轧辊表面
约 11μ m，环绕凹坑边缘的凸起部份高于轧辊表面约 6μm，最高凸起可达 0.2mm。

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。

小坑周向间距可控，其范围是 0.2-0.3mm。

螺旋线的线距可控，其范围也是 0.2-0.3mm。

由此在轧辊表面形成可预控的粗糙度值（ Ra）和密度值（ S），其均匀性极好。

小坑的形貌亦可预控调整，从而形成各种不同的表面织构。

满足不同用户的各种工艺要求。

本设备可广泛用于以下工艺过程
1.1用于平整机的工作辊。

使钢板（带钢）表面最终形成满足用户对粗糙度值、
密度值以及其他特殊表面构造和形貌的要求。

有利于钢板（带钢）在再成
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形过程中的延伸冲压效果，减少冲压件表面划伤，保证冲压件均匀变形，
减少模具受力及损耗。

可根据用户的需要，生产出各种汽车用板、家电用
板、轻工用板、防伪板、造币板、异面织构板、特制花纹板、激光乌泽板
（ Laser Matte Steel ）等。

1.2用于带钢在各种涂层或涂层工艺之前的表面毛化处理，以增加涂（镀）层
物结合牢固度，减少涂（镀）层消耗，有效地提高涂（镀）层表面光洁度及
反光鲜映度（ DOI 值）。

可根据用户的需要，生产出光亮板，激光镜面板
（ Laser Mirror Steel ）等。

1.3用于冷轧机的工作辊。

有利于带钢咬入、纠偏、边浪控制，稳定轧制及板
型控制。

1.4用于冷连轧机组最后机架的工作辊，或单机架轧机热处理前的板面毛化处
理。

有利于防止钢卷在热处理工艺中发生粘连。

2技术特性
2.1 CO 2激光毛化技术的技术特点
CO2激光毛化技术是九十年代开发的最新技术，解决了原有的激光毛化技术
不适合于大型生产线对毛化效率、毛化粗糙度调节要求的矛盾，因此，CO2激光毛化技术主要具有更大的表面粗糙度调节范围和更高的生产效率，CO2激光毛化一根轧辊的净作业时间为25-45 分钟，其表面粗糙度可调。

其它的技术特点分述如下
2.1.1改善深冲性能的技术特点
激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通，有利于用冲压成形时储油和捕捉金属
碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整，同时减少冲压用油量。

与电火花等加工技术相比，深冲性能更为优良。

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激光毛化形貌图电火花毛化形貌图
2.1.2提高涂镀性能和鲜映度的特点
激光毛化的轧辊表面保留有较大的平坦光亮部份（最大可达60％），使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。

为用户增加了产品的竞争能力。

2.1.3板型的可开发技术特点
激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙
度调节范围大。

可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。

与
电火花等技术相比，表面没有很多无序的针状尖峰，粗糙度更为均匀。

2.1.4强化轧辊的表面强度，提高轧辊使用寿命的技术特点
激光毛化的轧辊，其轧辊表面均匀分布了密集的高强度的硬化质点，它可减
激光毛化显微结构示意图激光毛化坑阵列横截面示意图
少轧辊消耗，减少换辊量、提高轧机生产效率。

比其他方式毛化的轧辊使用寿命提高 100％。

仅此一项，每年可为钢铁厂在轧辊消耗上节约人民币上千万元。

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2.1.5无变形的技术特点
保证轧辊磨削辊型不变，有利于轧机板形控制。

2.1.6低成本的技术特点
激光毛化作业消耗少，运行费用低，作业介质安全。

2.1.7环保的技术特点
作业时无粉尘，废油等工业废料和噪声的排出。

有利于环境保护，节省三废处理投资。

2.1.8配置简洁特点
满足相同规模的轧材生产能力所需配备的设备少，电力装机容量小，成套设备所需电力为 104KW。

2.1.9 CO 2毛化设备机理图
1.工作时，斩光盘 (1) 逆时针旋转、轧辊 (2) 顺时针旋转、激光束 (3) 通过聚焦镜
(4)经 2 次反射对 O’点的轧辊表面进行预热及强化 ( 其离焦量设计是 0’的功率
密度刚刚低于轧辊熔点 ) 。

2. 当反射齿移开时：激光通过聚焦镜、透孔(5) 聚焦到轧辊的表面0 点( 在 0’
2
点内 ) 进行融化，其功率密度在100KW/mm以上，并在侧吹气 (6) 的作用下形成凸
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3 . 毛化过程：预热强化→熔化→侧吹气体形成凹坑—凸台→冷却造型。

2.2总体设计结构及特点
2.2.1总体结构
激光毛化设备的总体结构由高功率轴快流CO2激光器、偏振系统、红光准直指示、外光路系统、激光毛化装置、毛化机床、数控系统、总控制台和冷却系统
等几大部分组成。

2.2.2特点
2.2.2.1关键和主要零部件选用进口件，确保轧辊激光毛化的加工精度、速
度、均匀性、多功能性和生产运行的可靠性、安全性。

主要技术指标达到当前的
国际先进水平。

2.2.2.2拥有自主的知识产权，能生产出自己独特的冷轧新钢板。

2.3毛化成套设备的主要技术特征
2.3.1采用进口高功率轴快流CO2激光器，其特点是功率大，最大功率达 2500
瓦，且能连续可调，光束质量好（基模为主），聚焦后的光点尺寸小，约φ0.15mm，
能加工出形貌好，尺寸小的毛化点。

工作气体循环流动，并能不断补充新鲜气体，
使激光器能长时间连续运行，满足生产线工作要求。

2.3.2新型斩光技术（专利保护，拥有自己的知识产权），其特征在于：
2.3.2.1斩光频率高（ 5K－ 40KHz可调），达到国际先进水平。

2.3.2.2充分利用激光能量，提高轧辊使用寿命，齿形为多面反光体。

能利
用的激光能量大于95％。

有预热、毛化、热处理的三种功能，使毛化点形貌稳
定、粗糙度高，并提高了硬度，属国际领先水平。

2.3.2.3齿面不易被烧损，在生产过程中，齿形不变形，延长了使用寿命，
提高了加工工艺稳定性，属国际领先水平。

2.3.3毛化数控机床
重型轧辊的高速旋转和激光束的纵向、横向平移由机床来完成。

此方案占地面积小，轧辊吊装方便，有精密的定位精度、重复定位精度和主轴转速稳定度，
能确保激光毛化的加工精度和质量。

2.3.4进口六轴三联动数控系统，及其在此基础上的软件扩展，可协调控制
机床、检测仪、斩光盘、安全装置、激光器，保证了毛化点形貌的重复性、分布
均匀性、设备和操作人员的安全性。

2.3.5新型导光、准直系统采用进口元器件。

使激光束长光程移动时，聚焦
光斑保持稳定。

2.3.6激光毛化装置结构紧凑、性能优良。

采用进口器件和特殊冷却装置，
控制聚焦系统热畸变效应，使工艺稳定、操作方便。

2.3.7毛化形貌的工艺控制水平（即毛化工艺软件）达到国际先进水平。

对
不同形貌要求的钢板可调节各种加工工艺参数，如激光功率、毛化频率、毛化点密度、侧吹气种类、侧吹气角度及流量等，毛化出相应的形貌轧辊。

尤其是用
CO2作辅助气体的侧吹技术，其毛化点表面无氧化，形貌可控性好，使用寿命长，属国际领先水平。

2.3.8激光毛化工艺软件核心技术的开发研究《激光与材料快速作用中的热
物理过程的理论和实验研究》取得了国际领先水平，具体表现在：
2.3.8.1在国内外首次发表了轧辊表面毛化过程的三维理论模型，研究了激
光功率密度、移动速度、重力方向、气流及金属蒸汽压力对激光毛化过程的影响。

2.3.8.2理论计算与实验结果相吻合，对大型轧辊激光毛化的工艺参数选用
和形貌的控制有实际的指导意义。

2.3.8.3实验用与用户相结合，对家电用板、汽车板，轻工用板、造币板、
阴罩板等已取得了适用的工艺参数。

二、激光毛化技术与其它毛化技术的对比
激光毛化与电火花毛化的区别
电火花毛化是在油池中通过 20 余组电极对同在油池里的轧辊放电形成电蚀
坑和尖状毛刺（峰值数）。

激光毛化是由高能量的脉冲激光，在聚焦后的负离焦状态下，照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦的正聚焦点入射到轧辊表面形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小熔池施与设定的压力、流量方向的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到熔池边
电火花毛化形成的尖状峰值其重复性、耐磨性明显低于激光毛化形成的凸台峰值质量。

电火花毛化的轧辊轧制一卷 30 吨的钢板后，值将下降 20％左右；而用激光毛化的轧辊仅下降 5％以内
轧辊的粗糙度值反映到薄板上的粗糙度值在很大程度上取决于轧辊毛化表
面凸起部分的高度、硬度。

而激光毛化的凸台质量明显高于电火花毛化的“凸台”质量。

粗糙度值与坑形和分布密度紧密相关，而激光毛化坑形、密度可控，这也是电火花毛化可望不可及的。

激光毛化形成的凸台、凹坑同时被激光强化（寿命长），毛化形貌、密度可控、有序。

电火花毛化形成的是尖状毛刺和电蚀坑，毛化形貌、密度不可控。

二、激光毛化与电火花毛化的比较优势
占地面积小，地基制作简单且造价低；
结构简单、设备运行稳定、可靠；
毛化点有序、可控；
加工效率高，运行成本低，维护费用低；
毛化轧辊复印率高，轧辊轧制量提高 1 倍以上；
节能、环保，无污染。

详细比较见下表：
CO2激光毛化与电火毛化技术比较
序
项目电火花毛化激光毛化号
1
毛化点的排列无序，毛化坑相通，深毛化点的排列有序，毛化坑互不相深冲性
冲性较差通，深冲性明显优于电火花板由于板的平坦度差，板面涂漆后的鲜由于板的平坦度高，板面涂漆后的鲜
2光亮度
映度差映度优于电火花板
3
毛化点的排列、形貌可调，产品开发可调性毛化点的排列、形貌不可调
面广
4轧辊硬可提高轧辊表面硬度，延长轧辊使用
无提高
度寿命
5转换率毛化点易磨损、堵塞毛化点为凸台，转换效率高不宜堵塞
6加工效
45 分钟左右30-40 分钟左右率
7环保有污染环保型生产CO2激光毛化技术与YAG激光毛化技术比较：
序号技术参数CO2激光毛化YAG激光毛化
1发生介质CO2 气体固体 YAG棒2激光波长10.6um 1.06um
3功率2— 3KW0.2KW
4模式准基模多模
5脉冲形成斩波技术声—光调制
7粗糙度0.3 ～ 5um0.3 ～ 3um
8加工速度4～5 平方米 / 小时1～ 1.2 平方米 / 小时
9设备总价RMB850万元RMB200万元
结论：YAG激光毛化技术只适合于窄带钢轧辊和直径小于300mm的轧辊。

*注：日本曾试图用 4 台 YAG激光毛化设备对一支轧辊进行毛化，但由于同步性
和一致性技术未能解决，至今未投入正式生产。

三、应用情况
该设备已在昆明钢铁集团总公司冷轧厂、济南钢铁股份有限公司冷轧厂生产
线上使用，获得明显的经济效益。

以济钢生产能力为例计算：
济钢单机架平整机年轧制量为 44万吨，双机架可逆冷轧机年轧制量为84万吨。

轧机和平整机的工作辊参数如下表，表中所涉及的技术参数均为初步的。

毛化的生产能力按年毛化为平整机工作辊1200 根，冷轧机工作辊2500 根计算。

冷轧机工作辊参数：
直径φ 400~450mm
辊身长度1950mm
辊全长4225mm
辊形
plus CVC
表面粗糙度 Ra2~3μmRa
轧辊材质合金锻钢
辊身硬度93~98 ShoreC
辊颈硬度57~67 ShoreC
3410kg/ 单辊（不带轴承座等）轧辊重量
4780kg/ 单辊（带轴承座等）平整机工作辊参数：
直径φ500~560mm
辊身长度1780mm
辊全长3800mm
辊形圆柱
表面粗糙度 Ra 2.5~3.5 μmRa
轧辊材质锻钢
辊身硬度93~95 ShoreC
辊颈硬度Min 50 ShoreC
4800kg/ 单辊（不带轴承座等）轧辊重量
6800kg/ 单辊（带轴承座等）
生产能力计算
对于济钢薄板冷轧工程，其中冷轧机组工作辊需毛化次数为：2500 根 / 年，平整机组工作辊需毛化次数为：1200 根/ 年。

以一年 365 天计算 (365 ×24=8760小时 ) ，设备正常检修时间 59 小时
设备检修时间为：
设备时间
一次 / 二月， 4小时 / 次，主要为清洗镜片、检查外光路；更换镜外光路
片一次 / 半年，约 2小时 / 次。

（合计一年时间为： 1680分钟）
一次 / 季， 4小时 / 次，主要检查绝缘油、润滑油、真空泵、过滤激光器
器镜片、支承架螺栓等。

（合计一年时间为： 960分钟）
一次 / 三月，1小时 / 一次，清洗电柜、操作台的控制器件灰尘（合电气
计一年时间为： 240分钟）
顶尖探伤，一次 / 半月， 10分钟 / 次
机械清理油箱过滤器和调整夹紧装置，一次 / 月， 15分钟 / 次；
检测机床，一次 / 年， 4小时 / 次。

（床头主轴、尾座主轴、及导
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轨精度）（合计一年时间为：660分钟）
总计时间为： 3540分钟 =59小时
机电设备故障维修时间为72 小时。

年净作业时间8760-59-72=8620 小时，一年按两班工作制计算则毛化时间年工作时间为8620/24*16=5746 小时。

冷轧机工作辊
冷轧机工作辊按：毛化粗糙度Ra 2.75 μ m
长度φ 450mm x1950mm x4225mm
2
计算则：装辊时间： 4 分钟
测量时间： 30 秒（含轧辊对中、找正时间）
毛化时间： 33 分钟 30 秒
卸辊时间： 2 分钟
合计时间： 40 分钟
因一年需毛化辊数为 2500 根，则需时间为 2500× 40=100000分钟 =1667小时。

平整机工作辊
平整机工作辊按：毛化粗糙度Ra 3μ m，
长度φ 560mm x1780mm x3800mm,
密度： 2.5 x 3/mm 2
计算则：装辊时间： 4 分钟
测量时间： 30 秒（含轧辊对中、找平时间）
毛化时间： 31 分钟 30 秒
卸辊时间： 2 分钟
合计时间： 38 分钟
因一年需毛化辊数为1200 根，则需时间为 1200×40=45600分钟 =800 小时。

综上所诉，要满足买方生产需要，冷轧机辊及平整机辊年毛化时间一年最少
需要时间为 1667+800=2467小时
则机床的负荷率为： Q=2467/5746≈43%
这表明该设备在满足正常加工的同时还有足够的时间进行设备检修，以及满足因生产非均匀性所造成的轧机超正常生产能力轧制的生产需要，完全符合设备的经济运行。

四、经济效益分析
电火花毛化与激光毛化在经济上的比较：
序
项目电火花毛化激光毛化号
1设备价格1800 万元人民币左右800 万元人民币左右
2占地面积500 平方米左右（上下两层）100 平方米左右
上下两层弹性地基普通数控机床地基3地基要求
基建费用高基建费用低
绝缘油 300元/天激光气体230 元/ 天
4
电极 5000 元/ 天光学元件58元/天运行费用
电耗 250KVA/小时电耗 104KVA/小时
合计 280万元/年合计 58万元/ 年
700 吨/ 辊
5过钢量300 吨/ 辊降低轧辊消耗量，每年经济效益
可达 1 千万元左右6板的分类二类板一类板
7维修维修费用高维修费用低，服务及时1999 年武钢生产的激光毛化冷轧薄板（镜面钢板），年增加效益 1.03亿元（武钢财务处提供的数据），成为武钢名副其实的新的经济增长点，具体如下：
--- 新增产值：激光毛化汽车板20 万吨，防伪板 12 万吨，装饰板 8 万吨，共 40
万吨。

按平均价格4000 元/ 吨计算，新增产值16 亿元。

---新增利税： 1.03 亿元。

由此可见，钢铁行业高功率轧辊激光毛化技术的转移将给钢铁企业带来显著的经济效益。

武钢激光轧辊毛化设备外观图：
昆钢激光轧辊毛化设备外观图：
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