專利名稱：一種用激光加工軋輥表面球冠狀微凸形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用激光加工軋輥表面球冠狀微凸形貌的方法，涉及一種用于冷軋薄鋼板(帶)表面加工使用的軋輥的激光加工技術(shù)，屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。
為了生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)冷軋毛化板，首先要對(duì)軋機(jī)軋輥進(jìn)行毛化處理，然后使用毛化軋輥再軋制出所需的冷軋毛化薄板。70年代初，采用將其表面打成無(wú)數(shù)小坑的噴丸方法來(lái)毛化軋輥，由于噴丸處理是靠調(diào)整砂丸的粒度和噴丸時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)毛化程度，因此不能精確控制輥面的形貌和粗糙度，難以適應(yīng)軋制高質(zhì)量鋼板的軋輥毛化要求，且環(huán)境污染較重。80年代至90年代，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始采用激光毛化技術(shù)，利用高能量密度、高重復(fù)頻率的脈沖激光對(duì)軋輥表面進(jìn)行毛化處理，并成功地軋制出具有毛化效果的薄鋼板(Crahay J.Present state ofdevelopment of the lasertex process.Proc of the 3cr Inter conf on Laser in Manu.Paris 1986245～259)。但是，現(xiàn)有的激光毛化技術(shù)，包括CO2激光毛化和YAG激光毛化，其基本原理是將調(diào)制后的高頻脈沖激光聚焦到軋輥的工作表面，并在其表面掃描出高密度分布的斑點(diǎn)，形成微小熔坑，同時(shí)輔以一定成分、一定壓力的輔助氣體沿一定角度側(cè)吹熔池中的熔融物，使其按指定要求堆積到熔池邊緣。毛化過(guò)程中采用的激光脈寬范圍一般在0.1μs～10μs左右。由于聚焦后的激光功率密度很高，因此使得軋輥表面金屬在很短時(shí)間內(nèi)熔化(并有部分汽化)和凝固，從而形成了眾多火山口狀(四周為凸肩，中間為凹坑)的微粗糙體。軋輥就靠這些微火山口狀坑的凸肩部壓在鋼板上，使之形成環(huán)狀凹陷。這種環(huán)狀凹陷可以起到一定的儲(chǔ)油、冷卻和容屑的作用，因而在鋼板的沖制過(guò)程中起到了一定的潤(rùn)滑及抗擦傷的效果，但是環(huán)狀凹陷在板材的沖壓過(guò)程中形成的流體膜潤(rùn)滑方式不能形成收斂的油楔效應(yīng)，易產(chǎn)生干涉光紋。從摩擦學(xué)及潤(rùn)滑理論上分析，板材表面最理想的微觀形貌應(yīng)為球面或橢球凹陷，因?yàn)榍蛎婊驒E球凹陷能夠使鋼板在沖壓過(guò)程中形成獨(dú)特的微水坑潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，有效減小了摩擦力和磨損，減少了應(yīng)力集中和防止沖壓裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)形成上述微坑也有利于鋼板表面相應(yīng)形成的微突體，表面圓滑、尖鋒少以保證板面具有足夠小的粗糙度。
本發(fā)明提出的一種用激光加工軋輥表面球冠狀微凸形貌的方法，包括以下步驟(1)將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為5～100J，脈沖寬度為0.05～5ms；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為0.1～10mm；(4)選擇惰性氣體為輔助氣體，氣體流量為10～35l/min，沿25～60°的角度側(cè)吹熔池。
在上述加工方法中，可以選擇激光脈沖頻率為1～1000Hz，激光掃描速度為1～500m/s；所使用的惰性氣體可以是氬氣；同時(shí)，可以對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行改形處理，例如施加峰值功率增益Tr的改形處理等。
在上述工藝條件下，軋輥表面金屬經(jīng)激光照射后快速熔凝，成功得到了所設(shè)計(jì)的球冠狀微凸斑點(diǎn)形貌及其尺寸。
采用本方法形成的軋輥表面高密度分布的球冠狀微凸斑點(diǎn)，輥面形貌和粗糙度能夠得到精確的控制。在激光束作用時(shí)，輥面作用區(qū)材料由于熔凝速度非?？炜梢孕纬沙?xì)晶組織，其硬度可超過(guò)HV1200(傳統(tǒng)的激光毛化方法，輥面作用區(qū)的硬度一般為HV900～HV1000左右)，遠(yuǎn)高于常規(guī)淬火所能達(dá)到的程度，高硬度的表面組織有利于提高輥面的耐磨損性能，延長(zhǎng)了軋輥的使用壽命；由本方法生產(chǎn)的軋輥表面的微水坑潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)的形貌既有利于改善軋制時(shí)輥板間的摩擦狀態(tài)，又有利于保持良好的潤(rùn)滑條件，防止了軋制過(guò)程中的擦傷與粘著，從而提高了軋制速度與軋制鋼板(及帶材)的質(zhì)量；此外采用該軋輥軋制的鋼板具有很好的微觀映象清晰性，在噴漆(或化學(xué)處理)時(shí)具有很好的附著性及外觀質(zhì)量。此種軋輥表面球冠狀微凸形貌，該軋輥表面平均表面粗糙度在0.1～7μm這個(gè)范圍內(nèi)，構(gòu)成上述表面粗糙度的顯微形狀為毛化質(zhì)點(diǎn)中部為球冠狀微凸起，呈圓滑狀；在凸起的周邊為封閉式環(huán)狀微凹坑。
圖2是軋輥表面球冠狀微凸形貌的示意圖。
圖3是脈沖激光波形改形前與改形后的比較示意圖。
圖4是采用實(shí)例1的軋輥試樣和激光加工參數(shù)時(shí)試樣表面形成的球冠狀微凸形貌和尺寸圖。
圖2是利用本發(fā)明方法制造的軋輥表面球冠狀微凸形貌的示意圖，其斷面尺寸的主要參數(shù)如下球冠狀微凸體平均直徑D，相鄰兩個(gè)球冠狀微凸體中心間平均距離Sm，球冠狀微凸體至軋輥表面之間的平均高度h。
圖3是脈沖激光波形施加峰值功率增益Tr改形前后的比較示意圖，1)線表示改形前的激光波形形狀，2)線表示改形(施加峰值功率增益Tr)后的激光波形形狀。
實(shí)施例1高碳鉻軸承鋼GCr15軋輥試樣的激光毛化試樣為圓柱形，直徑17mm，厚度6mm。材料為GCr15，具體化學(xué)成份如表1所示，整體淬火后，表面硬度達(dá)到HV 935，經(jīng)研磨后表面粗糙度為Ra＝0.04μm。
表1 GCr15的化學(xué)組成化學(xué)成份組成(％)GCr15C0.95～1.05，Mn0.25～0.45，Si0.15～0.35，P≤0.025，S≤0.025，Cr1.40～1.65具體加工步驟如下(1)采用波長(zhǎng)1.06μm的脈沖NdYAG激光器對(duì)軋輥進(jìn)行毛化處理，將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為25J，脈沖寬度為0.5ms，對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行改形處理；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為5.0mm；(4)選擇脈沖頻率5Hz，激光掃描速度2.5mm/s；(5)選擇氬氣為輔助氣體，氣體流量20l/min，沿30°側(cè)吹熔池。
對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行改形處理如圖3所示，橫、縱坐標(biāo)的單位標(biāo)尺分別為每一大格200μs和100mv，l)線表示改形前的激光波形形狀，脈沖輸入能量Ep＝52J，脈沖寬度Tp＝0.5ms，脈沖頻率f＝5Hz，輸出平均功率Pw＝10W；2)線表示改形(施加峰值功率增益)后的激光波形形狀，脈沖輸入能量Ep＝64J，脈沖寬度Tp＝0.5ms，脈沖頻率f＝5Hz，輸出平均功率PM＝12W。
圖4是在WYKO非接觸式三維形貌儀下獲得的軋輥表面球冠狀微凸形貌圖，具體外形尺寸為球冠狀微凸體x方向平均直徑D為231.6μm，y方向平均直徑D為245.1μm，相鄰兩個(gè)球冠狀微凸體中心間平均距離Sm為300μm，球冠狀微凸體至軋輥表面之間的平均高度h為4.15μm。
經(jīng)表面硬度測(cè)量，球冠狀微凸體表面硬度(深度近1/2處)比基體的表面硬度高。微凸體表面從硬度分布看應(yīng)該分為上下兩層。上部由于快速熔凝出現(xiàn)了淬火效應(yīng)，使得其硬度(約為HV1292)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料基體硬度；而下部為激光熔融時(shí)的過(guò)渡層，其硬度(約為1198)比上層有所下降，但仍然高于基體。采用SRV快速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)球冠狀微凸體的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)磨損后的試樣其微凸體的高度與磨損前相比較幾乎沒(méi)有區(qū)別，進(jìn)一步證明了微凸體具有良好的耐磨特性。
實(shí)施例2
高碳鉻軸承鋼GCr15軋輥試樣的激光毛化試樣為圓柱形，直徑17mm，厚度6mm。材料為GCr15，具體化學(xué)成份同表1所示，整體淬火后，表面硬度達(dá)到HV 935，經(jīng)研磨后表面粗糙度為Ra＝0.04μm。
具體加工步驟如下(1)采用波長(zhǎng)1.06μm的脈沖NdYAG激光器對(duì)軋輥進(jìn)行毛化處理，將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為5J，脈沖寬度為0.05ms，對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行如圖3所示的改形處理；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為0.5mm；(4)選擇脈沖頻率100Hz，激光掃描速度50mm/s；(5)選擇氬氣為輔助氣體，氣體流量10l/min，沿60°側(cè)吹熔池。
軋輥表面球冠狀微凸具體外形尺寸為球冠狀微凸體x方向平均直徑D為261.8μm，y方向平均直徑D為275.2μm，相鄰兩個(gè)球冠狀微凸體中心間平均距離Sm為300μm，球冠狀微凸體至軋輥表面之間的平均高度h為4.35μm。
經(jīng)表面硬度測(cè)量，球冠狀微凸體表面硬度(深度近1/2處)比基體的表面硬度高。微凸體表面從硬度分布看應(yīng)該分為上下兩層。上部由于快速熔凝出現(xiàn)了淬火效應(yīng)，使得其硬度(約為HV1285)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料基體硬度；而下部為激光熔融時(shí)的過(guò)渡層，其硬度(約為1176)比上層有所下降，但仍然高于基體。采用SRV快速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)球冠狀微凸體的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)磨損后的試樣其微凸體的高度與磨損前相比較幾乎沒(méi)有區(qū)別，進(jìn)一步證明了微凸體具有良好的耐磨特性。
實(shí)施例3高碳鉻軸承鋼GCr15軋輥試樣的激光毛化試樣為圓柱形，直徑17mm，厚度6mm。材料為GCr15，具體化學(xué)成份同表1所示，整體淬火后，表面硬度達(dá)到HV 935，經(jīng)研磨后表面粗糙度為Ra＝0.04μm。
具體加工步驟如下(1)采用波長(zhǎng)1.06μm的脈沖NdYAG激光器對(duì)軋輥進(jìn)行毛化處理，將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為100J，脈沖寬度為5ms，對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行如圖3所示的改形處理；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為3.9mm；(4)選擇脈沖頻率50Hz，激光掃描速度25mm/s；(5)選擇氬氣為輔助氣體，氣體流量35l/min，沿25°側(cè)吹熔池。
軋輥表面球冠狀微凸具體外形尺寸為球冠狀微凸體x方向平均直徑D為215.3μm，y方向平均直徑D為221.4μm，相鄰兩個(gè)球冠狀微凸體中心間平均距離Sm為300μm，球冠狀微凸體至軋輥表面之間的平均高度h為3.24μm。
經(jīng)表面硬度測(cè)量，球冠狀微凸體表面硬度(深度近1/2處)比基體的表面硬度高。微凸體表面從硬度分布看應(yīng)該分為上下兩層。上部由于快速熔凝出現(xiàn)了淬火效應(yīng)，使得其硬度(約為HV1290)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料基體硬度；而下部為激光熔融時(shí)的過(guò)渡層，其硬度(約為1187)比上層有所下降，但仍然高于基體。采用SRV快速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)球冠狀微凸體的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)磨損后的試樣其微凸體的高度與磨損前相比較幾乎沒(méi)有區(qū)別，進(jìn)一步證明了微凸體具有良好的耐磨特性。
實(shí)施例4高碳鉻軸承鋼GCr15軋輥試樣的激光毛化試樣為圓柱形，直徑17mm，厚度6mm。材料為GCr15，具體化學(xué)成份同表1所示，整體淬火后，表面硬度達(dá)到HV 935，經(jīng)研磨后表面粗糙度為Ra＝0.04μm。
根據(jù)本發(fā)明的球冠狀微凸形貌激光加工方法，具體加工步驟如下(1)采用波長(zhǎng)1.06μm的脈沖NdYAG激光器對(duì)軋輥進(jìn)行毛化處理，將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為25J，脈沖寬度為0.5ms；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為4.1mm；(4)選擇脈沖頻率5Hz，激光掃描速度2.5mm/s；(5)選擇氬氣為輔助氣體，氣體流量20l/min，沿30°側(cè)吹熔池。
軋輥表面球冠狀微凸具體外形尺寸為球冠狀微凸體x方向平均直徑D為235.3μm，y方向平均直徑D為242.4μm，相鄰兩個(gè)球冠狀微凸體中心間平均距離Sm為300μm，球冠狀微凸體至軋輥表面之間的平均高度h為4.35μm。
經(jīng)表面硬度測(cè)量，球冠狀微凸體表面硬度(深度近1/2處)比基體的表面硬度高。微凸體表面從硬度分布看應(yīng)該分為上下兩層。上部由于快速熔凝出現(xiàn)了淬火效應(yīng)，使得其硬度(約為HV1286)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料基體硬度；而下部為激光熔融時(shí)的過(guò)渡層，其硬度(約為1183)比上層有所下降，但仍然高于基體。采用SRV快速磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)球冠狀微凸體的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)磨損后的試樣其微凸體的高度與磨損前相比較幾乎沒(méi)有區(qū)別，進(jìn)一步證明了微凸體具有良好的耐磨特性。
權(quán)利要求
1.一種用激光加工軋輥表面球冠狀微凸形貌的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將需處理的軋輥試樣安裝在工作臺(tái)面上；(2)選擇激光單脈沖能量為5～100J，脈沖寬度為0.05～5ms；(3)將焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到軋輥表面的上方，使激光束離焦照射軋輥表面，離焦量為0.1～10mm；(4)選擇惰性氣體為輔助氣體，氣體流量為10～35l/min，沿25～60°的角度側(cè)吹熔池。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于選擇激光脈沖頻率為1～1000Hz，激光掃描速度為1～500mm/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于采用氬氣作為輔助氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可以對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行改形處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于可以對(duì)激光脈沖波形進(jìn)行施加峰值功率增益Tr的改形處理。
全文摘要
一種用激光加工軋輥表面球冠狀微凸形貌的方法,涉及一種用于冷軋薄鋼板(帶)表面加工使用的軋輥的激光加工技術(shù)。本方法較好地匹配了激光單脈沖能量和脈沖寬度,在激光加工過(guò)程中,使激光束以一定的離焦量離焦照射軋輥表面,在合適的脈沖頻率和激光掃描速度下,輔以保護(hù)性氣體并按一定的角度側(cè)吹熔池,加工出了從摩擦學(xué)角度優(yōu)化設(shè)計(jì)的軋輥表面球冠狀微凸形貌。利用本方法加工出的軋輥表面,可以使冷軋薄鋼板(帶)在沖壓過(guò)程中形成獨(dú)特的微水坑潤(rùn)滑機(jī)構(gòu),有效減小了摩擦力和磨損,減少了應(yīng)力集中,防止了沖壓裂紋的產(chǎn)生,同時(shí)在冷軋薄鋼板(帶)表面形成的微突體表面圓滑、尖鋒少,從而保證表面具有足夠小的粗糙度。
文檔編號(hào)B23K26/14GK1358603SQ0210360
公開(kāi)日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者都東, 何云峰, 歲波, 熊麗娟, 張驊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)