一、 前言： 我國政府于80年代中、90年代初在武漢華中科技大學(xué)成立了國家激光技術(shù)重點實驗室（研究激光與物質(zhì)作用的理論）和國家激光加工工程中心（研究激光加工的應(yīng)用），并在這兩個源頭的牽引下，催生了“中國光谷”，“中國光谷”在市場經(jīng)濟的導(dǎo)向下，短短的數(shù)年創(chuàng)造了幾十項激光技術(shù)領(lǐng)域的第一乃至世界第一。 大功率CO2激光毛化技術(shù)與設(shè)備屬于有自主知識產(chǎn)權(quán)的國際領(lǐng)先技術(shù)，該技術(shù)不僅能完成高質(zhì)量的激光毛化形貌，還具備激光淬火的特殊功能，能使軋輥的壽命提高一倍以上，其綜合經(jīng)濟效益能給使用者年內(nèi)收回投資及帶來長期、穩(wěn)定、明顯的經(jīng)濟效益。 二、 CO2激光毛化機理 激光毛化技術(shù)與設(shè)備是我國“八五”國家科技（攻關(guān)）計劃項目，91年啟動，96年在武鋼投產(chǎn)，取得了一定的成效。限于80年代末、90年代初各項單元技術(shù)條件的限制，作為國內(nèi)重點科研課題研制的第一臺CO2激光毛化機床存在一些問題在所難免，現(xiàn)在雖暫時停產(chǎn)，但應(yīng)該看到該項技術(shù)在國際毛化領(lǐng)域中所具有的前瞻性和市場前景。目前在華中科技大學(xué)華工激光公司的實施下,已有昆明鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、唐山建龍鋼鐵公司、重慶鋼鐵公司采用了該項技術(shù)與裝備，并獲得了新的知識產(chǎn)權(quán)專利。 1） CO2激光毛化機理（具有毛化、硬化功能） 如圖1所示：毛化加工時斬光盤2逆時針旋轉(zhuǎn)，軋輥1順時針旋轉(zhuǎn)，激光束3通過聚焦鏡4照射到前齒的后齒面，反射到后齒的前齒面，再入射到軋輥表面Q點，其入射面積小于0.5mm2,其功率密度為104～105W/cm2,使輥面金屬材料組織迅速發(fā)生相變(溫度在溶點以下)。 圖1如圖2所示：在相變硬化區(qū)內(nèi)形成馬氏體、碳化物、殘余奧氏體等，并由于其加工升溫速度和冷卻速度極快10-5秒，致使相變硬化區(qū)內(nèi)所獲得各種組成項都極為細小并產(chǎn)生大量的錯位，這些對提高輥面硬度、耐磨性都是十分有利的，使得激光相變后的輥面組織具有比常規(guī)淬火更為優(yōu)異的耐磨性，同時為下一步的激光溶凝造型的毛化做了預(yù)熱。如圖3所示：當(dāng)斬光盤2的前齒和后齒移動到圖示位置，激光束3通過前、后齒間的透孔直接聚焦入射到軋輥1的輥表面Q’點，其入射面積為0.02mm2,其功率密度在107W/cm2以上,使輥面金屬材料迅速溶化成溶池，溶池內(nèi)的溶解物在側(cè)吹氣體5及離心力作用下按一定的方向堆積到溶池邊沿并通過極速冷凝形成有序的硬度極高的凹坑與凸臺，完成毛化加工。給定方向、流量、壓力的側(cè)吹氣體5除了完成造型任務(wù)，還有三種功能：1.避免軋輥表面在熱加工過程中與空氣中的氧發(fā)生作用，產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象影響凸臺強度。2）CO2激光毛化工藝 根據(jù)冷軋板軋制工藝要求及后續(xù)加工工藝要求：如普板、家電板、汽車板、防偽板、退火、深沖、超深沖、鍍鋅、彩涂等選定輥面粗糙度值、密度值、平坦度值的工藝指標，以及粗糙度復(fù)印率、衰減率的工藝指標（在實際生產(chǎn)中，這兩項指標對使用者十分重要），決定工藝指標的主要工藝參數(shù)是激光器使用功率、激光脈沖頻率、掃描速度、光斑直徑、聚焦距離。其中使用功率越大，粗糙度值（Ra）越大，功率值連續(xù)自動可調(diào)控；脈沖頻率由斬光盤轉(zhuǎn)速與斬光盤齒數(shù)確定，一般為20KHZ左右，即每秒可造2萬個點的毛化形貌；即脈沖頻率越高，密度值（峰值數(shù)PC）越高。掃描速度由軋輥轉(zhuǎn)速，輥面直徑及毛化裝置移動速度確定，一般為6.5米/秒，降低掃描速度可提高Ra與PC值；光斑直徑與焦距由外光路確定。這些變量均可由840D數(shù)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及專用工藝軟件來精確執(zhí)行，操作人員只需負責(zé)吊裝、輸入選定的粗糙度值、密度值、平坦度值即可，十分方便。由于所有工藝參數(shù)均能精確控制，所以CO2激光毛化能再現(xiàn)所需的加工過程和結(jié)果，這一點對總結(jié)毛化效果、開發(fā)新產(chǎn)品十分有利（第一代的噴丸、第二代的電火花均有不能明顯硬化和再現(xiàn)功能的缺陷）。三、電火花毛化機理 電火化毛化技術(shù)的專用設(shè)備，目前在國內(nèi)還沒有專業(yè)的生產(chǎn)廠家，多數(shù)鋼企只是認為其形貌的均勻性、保持性比噴丸毛化好,并且由于從眾、從外的心理誘導(dǎo)，所以大多引進了國外的電火花毛化設(shè)備。應(yīng)該說電火花毛化技術(shù)是在40年代的電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)上誕生的，這比激光加工技術(shù)要落后幾十年。我們不應(yīng)該走引進落后再引進的老路，更何況性價比相差兩倍以上。 我國是在50年代初開始研究和應(yīng)用電火花加工技術(shù)的，主要用于模具成型和線切割加工。我國政府在冶金行業(yè)毛化設(shè)備的問題上敢為人先，高端進入，拋開電火花毛化設(shè)備的跟進研制，直接在武鋼投入“大型CO2激光毛化設(shè)備與工藝”國家重點科研項目無疑是正確的導(dǎo)向。 1）電火花毛化機理 電火花是一種自激放電，其特點是放電前兩個電極間具有較高的電壓，當(dāng)兩電極接通時，其間隙中的電解液被擊穿后，即發(fā)生瞬間的火花放電，伴隨擊穿過程，兩電極之間的電阻迅速變小，電壓迅速降低。 如圖5所示:軋輥1被毛化的部分與電極3均浸泡在電解液2內(nèi)，其間的間隙距離為0.1mm左右，軋輥為零線接地作低速旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速通常為8rpm左右，電極3裝在毛化頭4上作水平直線運動。電回路包括一個高電壓回路5和一個低電壓回路6。當(dāng)電解液2被擊穿時，高電壓回路的低電流提供初始脈沖。凹坑與針狀尖峰的毛化是低電壓脈沖通過電極對軋輥表面金屬材料產(chǎn)生的電火花放電產(chǎn)生的。電流的大小是通過選擇一個或者多個電阻組合完成，其脈沖頻率是通過調(diào)節(jié)振蕩器的輸出來設(shè)定。電流的大小和電火花持續(xù)的時間決定了軋輥表面凹坑、尖峰的大? ⑹亢托巫矗ǖ比輝讜醣幻耐保緙不岜桓斕拿粢姿鵂? 1. 軋輥 2. 電解液 3. 電極 4. 毛化頭 5. 高壓電火 6. 低壓電火 7. 選擇電流 8. 機械脈沖 圖5由于受電火花加工技術(shù)本身的限制，不能形成抗擠壓能力很強的丘狀凸臺。由于針狀尖峰衰減很快，軋輥表面毛化的形貌保持性較差，初期磨損階段磨損速度很快，正常期磨損階段耐磨性一般。為了延長軋輥的使用壽命許多鋼企采用了電火花毛化加鍍硬鉻工藝，即在電火花毛化的輥面上機械結(jié)合硬度更高的鍍鉻層。但由于鍍鉻會產(chǎn)生波谷填充影響毛化效果，更重要的是由于機械結(jié)合在復(fù)雜的軋制中易出現(xiàn)鍍鉻層局部脫落，所以舉步維艱。圖5所示毛化頭4由一個伺服軸和十幾個獨立電極3組成，一臺電火花毛化機床一般有幾個毛化頭。 2）電火花毛化工藝 決定電火花毛化工藝指標的重要參數(shù)是脈沖電源的各種電參數(shù)、放電間隙、電解質(zhì)。其中電流越大電火花溶坑越深，粗糙度值（Ra）增大，相應(yīng)的峰值數(shù)（PC）減? ５緦鞒中氖奔湓匠ぃ緇鴰ㄈ蕓釉嬌恚嚶Φ姆逯凳≒C）減小，反之PC值增大。間隙越小，效率越高，但間隙過小不利用絕緣油流動時帶走電火花過程中產(chǎn)生的廢棄物。通常間隙在0.1mm左右。電解液由絕緣油和添加劑組成，其中添加劑在間隙中形成導(dǎo)電橋。添加劑介電系數(shù)越高，間隙越小，添加劑的顆粒大小，分布的均勻性在間隙中的流量均對電火化毛化效果有很大影響。另外電極的放電端面與輥面的圓弧面，兩面之間的對應(yīng)各點保持等距也是不可能的。 電火花毛化輥面 激光毛化輥面四、結(jié)束語 綜上所述，通過對兩種技術(shù)的機理與工藝比較，我們不難看出：電火花毛化技術(shù)源于40年代的電火花技術(shù)，其影響毛化效果的工藝參數(shù)、因素很多，并且極為復(fù)雜，隨機性很強。受其技術(shù)水平本身的限制，其毛化形貌的再現(xiàn)性、保持性、耐磨性均落后于建立在20世紀四大發(fā)明之一的激光技術(shù)上的激光毛化，特別表現(xiàn)在硬化效果和工藝的穩(wěn)定性上面，且電火花毛化需使用大量的電解液，有污染、耗能大。另外進口的電火花毛化設(shè)備比國產(chǎn)CO2激光毛化設(shè)備貴2-5倍。由此，我們不難得知：新型大功率CO2激光毛化設(shè)備將成為國內(nèi)外冶金行業(yè)第三代主導(dǎo)產(chǎn)品。 參考資料： 1.激光加工工藝手冊 中國計量出版社 2.電火花加工工藝學(xué) 國防工業(yè)出版社