激光毛化技术的应用.doc

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1、YAG激光毛化轧辊技术及应用“YAG激光毛化轧辊技术及应用”是力学所杨明江研究员及其研究团队的一项技术发明，曾获1994年度中国科学院科技进步一等奖、1997年度中国专利发明创造金奖、2007年度国家技术发明二等奖。激光毛化轧辊技术已在全国十余个省市推广使用，除了应用于金属板(带)的冷轧辊外，还可以应用于印刷辊的图形刻蚀、汽缸体的激光珩磨、重载机车的轮轨处理等等。我们将分三次介绍激光毛化表面改性的力学机理、技术特点。干嘛要采用YAG激光技术？激光毛化就是采用高重频的高能激光束使辊面材料快速熔凝，形成按一定方式排列的直径为一百微米量级，深度为几十微米量级的

2、微坑。其实，人们曾使用过不同的技术途径使辊面毛化，例如喷丸、电火花等。图1，2分别是喷丸毛化板和电火花毛化板的表面形貌。显然，它们的微坑不是孤立的，其间存在有微沟道，板面在深冲时，表面润滑油容易被挤压、流失，板面大变形区易起皱开裂。　激光毛化克服了上述缺点：板面上分布着密度很高而且彼此分立的毛化坑，能有效保存润滑油，犹如在板面覆盖了一层微小的液体轴承，使板材成型时材料易于流动，不仅能减少起皱开裂现象，而且能提高板材深冲成型性能；其次，YAG激光束通过柔性的光纤导出，并可利用电子技术方便地进行调节与控制，可以按照任务需要实现各种不同的结构、形貌。图3给出一

3、些激光毛化辊表面形貌的实例，说明YAG激光毛化技术有广泛的适用性。那么，什么是YAG激光毛化技术呢？这是从激光光源的种类来划分的。YAG是掺钕钇铝石榴石晶体固体激光器的“小名”，好读又好记，人们常常忘记掉那个又长又拗口的学术“大名”。目前，世界上用于生产的激光毛化技术有两种，CO2激光毛化和YAG激光毛化。CO2激光毛化是八十年代由比利时研发的，它采用2-3千瓦的高质量基模CO2气体激光器(波长10.6微米)，经过高速转动的斩波器机械斩波产生脉冲激光对轧辊进行毛化，设备体积庞大，造价高，维修要求苛刻。力学所根据我国激光技术发展水平和工厂技术经济状况，没有

4、因循国外技术路线，决定另辟蹊径：研发YAG激光毛化技术。这是因为YAG激光波长短(1.06微米)，金属对YAG激光的吸收率高，200-400瓦的YAG激光器就能满足毛化所需的能量；同时由于波长短，聚焦光斑就小，可实现高密度毛化，从而可以满足精密板带毛化需要。YAG激光脉冲的形成采用电控的声光开关节调制，不仅重复频率高，而且可通过计算机控制，实现多种形貌和分布毛化，满足多种产品毛化要求。YAG激光毛化不仅性能先进，而且整机制造成本仅为CO2激光毛化的几分之一，便于在钢厂广泛推广，见图5所示。YAG激光毛化也是国外众多研究者想实现的愿望，但通过实验，他们认为

5、YAG激光器功率低，无法实现工业化生产应用。问题的结症在哪里呢？力学所研究者通过仔细的理论计算，证明声光调制的光脉冲能量足够的，但常规声光调制的光脉冲峰值太高(达108w/cm2)，打在辊面上产生了强烈的等离子羽，从而屏蔽了后继光能的进入，使毛化粗糙度达不到要求。在明瞭了其中的物理机制后，力学所研究出特殊的高重频声光波形式调制技术，将YAG激光脉冲的工作点从常规的气化为主的A区调整到熔化为主的B区(参见图6)，同时让光波形的功率密度变化与辊面熔池的温度升高变化相适应，大大提高了光能量耦合效率而使吸收率增加。使相同功率的YAG激光器对辊面毛化粗糙度提高3倍

6、，毛化速率(即毛化频率)提高2-3倍。1994年，世界上首台YAG激光毛化装备在天津市冷轧薄板厂实现了规模生产应用。所以，科学道理并不总是深奥莫测的，只要一经点拨往往就豁然开朗。当然，真正在技术上实现这个思路，是要花费力气的。如果你对YAG激光毛化轧辊技术的发明点感兴趣的话，不妨联系杨明江研究员具体探讨相关细节。