提出一种基于随机分布偏移相位的轧辊表面峰值密度（PPI）和粗糙度范围可控的无序激光毛化技术。利用多光束干涉原理，分析轧制带钢表面反射光之间形成明暗相间条纹的机制。基于光线追迹方法，研究凸台微结构在等间距分布基础上的偏移产生的随机分布相位，对轧制带钢表面单一波长反射光形成的干涉条纹的影响，以使带钢表面多种波长反射光干涉条纹叠加形成的莫尔条纹近乎消失。轧辊表面凹坑微结构中心间距随机偏移与衰减性“拷贝”获得的轧制带钢表面凸台相同，采用理论与模拟分析得到的均匀分布中心间距随机偏移，利用激光雕刻方法对轧辊材料样件进行无序激光冲击毛化，毛化样件表面粗糙度为，PPI为179。所提出的基于均匀分布偏移相位的无序激光可控轧辊毛化技术，实现了PPI和粗糙度范围可控的轧辊毛化，并且可灵活控制轧制带钢表面质量。
表面光学 多光束干涉 激光毛化 冷轧轧辊 均匀随机分布 偏移相位
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 华北理工大学冶金与能源学院, 河北 唐山 063210
3 阳江市五金刀剪产业技术研究院, 广东 阳江 529533
4 阳江市高功率激光应用实验室有限公司, 广东 阳江 529533
为了解决不锈钢冷轧辊表层经常出现的疲劳剥落或磨损, 提升不锈钢冷轧辊表层硬度及耐磨性, 在大量实验基础上研究了工艺参数对不锈钢冷轧辊表面激光熔覆层力学性能的影响。采用激光熔覆正交实验对304不锈钢表面进行熔覆, 重点研究了激光功率、扫描速度、送粉速度和搭接率对熔覆层的影响, 取得了304不锈钢表层搭接理想熔覆层的工艺参数, 并对熔覆层的硬度和耐磨性能进行检测。结果表明, 激光功率为1 300 W、扫描速度为11 mm/s、送粉速度为1.4 r/min、搭接率为30%时熔覆层最高硬度高出基材硬度约500.00 HV0.2, 摩擦磨损实验表明熔覆层耐磨性能明显提高, 磨损104次熔覆层失重率仅为0.016 5%。激光熔覆技术在一定范围内可以大幅度提升基材的硬度及耐磨性能, 此实验结果可以为修复不锈钢冷轧辊提供工艺参考。
激光技术 冷轧辊 显微硬度 耐磨 镍基合金 laser technology cold roll microhardnes wear resistance nickel base alloy
中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室, 北京 100190
以Nd∶YAG连续激光为热源，激光扫描加热铸轧辊套材料32Cr3Mo1V表面，接触冷却样品背面，进行了热疲劳性能测试。用集**数法测量了不同表面粗糙度和氧化状态下材料的激光吸收率，并数值计算模拟了样品表面的温度循环和压应力状态。结果显示，热循环1000周次后，在样品表面烧蚀坑和粗大磨痕处均出现裂纹。1000~2000周次热循环范围内，裂纹长度与热循环次数呈线性关系。由于测试中忽略了铝铸轧过程中辊套承受的机械应力和铝液对辊套的作用，测得的辊套裂纹扩展速率为实际值的一半。
激光技术 激光热疲劳 铸轧辊套 激光与光电子学进展
2017, 54(4): 041412
1 苏州大学机电工程学院激光加工中心，江苏 苏州 215021
2 苏州大学沙钢钢铁学院，江苏 苏州 215021
3 苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州 100024
4 武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081
采用横流CO2激光器并利用50%Cr3C2和50%的Ni-Cr合金粉末对高铬铸铁轧辊表面进行激光熔覆实验。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度计(HV)、磨损试验机分别研究了不同工艺参数下熔覆层组织形貌，相结构和成分、硬度分布和磨损性能。实验结果表明，适宜的工艺参数有利于得到理想的熔覆形貌和提高熔覆效率并避免裂纹的形成，熔覆层的表面组织为Cr3C2和M7C3型碳化物，表层硬度显著提高，可达1 100 HV为基体的2倍，同时熔覆层耐磨性能得到有效提高。
轧辊 激光熔敷 高铬铸铁 耐磨性 roller laser surface melting high-Cr cast iron abrasive resistance
华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074
轧辊激光毛化技术作为一种最新的轧辊毛化方法，具有广泛的应用前景。但由于加工方法的限制，目前的激光毛化技术产生的轧辊表面毛化点分布成一个周期性各向异性的分布，导致最后轧制的毛化冷轧薄钢板效果不理想。提出了一种可以产生随机频率随机能量激光的光纤激光控制方法，此方法通过一个高效的随机数算法产生一个随机频率和随机占空比的脉冲宽度调制信号控制激光器输出特定波形的激光进行毛化加工，能够使得毛化轧辊表面产生随机无序分布的毛化花纹，最终轧制的毛化冷轧薄钢板能够满足表面各向同性亚光的要求，并且还能够提高加工效率，基于该方法的毛化加工设备已在实际生产中得到应用并且取得良好效果。
激光技术 无序激光毛化 光纤激光 伪随机数算法 脉冲宽度调制 轧辊
燕山大学 机械工程学院 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心, 秦皇岛 066004
为了提高轧辊表面涂层的抗热冲击性能、延长其高温条件下的使用寿命, 采用5kW CO2激光器, 对轧辊表面等离子喷涂热障涂层进行了重熔处理。利用扫描电镜和能量色散谱仪, 观察激光重熔涂层的涂层形貌和微观结构, 对分界面元素进行了微区成分分析。将试样在1000℃下保温10min后,放入常温(25℃)水中激冷, 探究其抗热冲击性能, 并与等离子喷涂涂层进行了对比。结果表明, 经激光重熔后, 涂层孔隙、裂纹明显减少, 涂层质量明显提高; 涂层与基体之间在一定程度上实现了冶金结合, 结合强度明显提高; 开始出现裂纹以及最终失效时的冲击循环次数由原来的14次和32次分别提高到43次和94次。该激光重熔工艺有助于提高涂层的热冲击性能, 可延长轧辊的使用寿命。
激光技术 抗热冲击性能 激光重熔 轧辊 热障涂层 laser technique thermal shock resistance laser remelting roll thermal barrier coating
武汉钢铁集团公司研究院, 湖北 武汉 430080
从对比各种轧辊毛化技术入手, 重点分析了现有激光毛化技术的优缺点, 对影响轧辊激光毛化技术发展的瓶颈提出改进方案, 并分析现有激光毛化技术, 探讨轧辊激光毛化技术的发展趋势。
轧辊 激光毛化 应用 roll laser texturing apply
1 武汉钢铁(集团)公司研究院, 湖北 武汉 430080
2 武汉华工激光工程有限责任公司, 湖北 武汉 430223
研制开发了轧辊表面激光毛化/强化组合系统, 此系统由IPG 5000光纤激光器、毛化系统、强化系统、加工机床和控制系统组成, 采用了斩光盘、棱镜组合以及振镜技术, 解决了激光强化和激光毛化功能的集成以及无序毛化等难点问题。结果表明: 此系统精度高, 性能稳定、可靠; 适用于直径小于800 mm, 长度小于5 500 mm轧辊或长度小于5 500 mm平面工件的激光毛化和激光强化。
轧辊表面 激光毛化 激光强化 无序毛化 装备 roller surface laser texturing laser strength equipment disorder
兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
针对CO2激光器和YAG激光器的种种不足, 采用光纤激光毛化柔性工作站, 对轧辊表面进行了不同尺寸和分布的毛化点形貌加工。分析了光纤激光功率、脉冲频率、脉冲宽度、扫描速度、离焦量等工艺参数对毛化点形貌的影响。结果表明: 通过合理匹配毛化工艺参数, 能够得到精确可控的轧辊毛化形貌和满足生产要求的粗糙度, 也可以实现相对无序的毛化点排列。
光纤激光 毛化 轧辊 fiber laser texturing roll
1 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
2 新冶高科技集团有限公司, 北京 100086
为了提高轧辊表面强度, 减小应力集中, 延长轧辊寿命, 利用光纤激光毛化设备对轧辊表面进行无序毛化。研究了激光功率、轧辊转速、激光头平移速度以及脉冲频率对无序毛化点分布的影响, 提出了四种无序毛化的方法, 即: 速度调试法、频率调试法、外部调试法和综合调试法。实验结果表明, 四种方法都可以实现无序毛化, 其中综合调试法无序化程度更大, 毛化质量最佳。研究结果已应用于实际生产。
无序毛化 光纤激光 轧辊 表面强度 disorder texturing fiber laser roller surface strength
