基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法

摘要

本发明公开了一种基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，包括如下步骤：1）驱动被加工轧辊绕其轴心线旋转，并使其旋转速度ω按设定的周期t随机变化；2）将激光聚焦头对准被加工轧辊表面，并使其沿被加工轧辊的轴向往返横移；3）耦合控制激光聚焦头的横移速度v，使激光聚焦头相对于被加工轧辊的运动轨迹形成交错排列的变螺距变倾角短程螺旋线δ；4）采用光纤激光器定时向激光聚焦头发射脉冲激光束，聚焦后的脉冲激光束即可在被加工轧辊表面加工出与所述短程螺旋线δ相对应的高密度均匀小微坑毛化点阵。采用本发明方法制作的被加工轧辊，在其表面形成分布均匀的交错排列的短程螺旋形高密度点阵，大大提高了被加工轧辊的耐磨性和使用寿命。

权利要求

1.一种基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)驱动被加工轧辊(3)绕其轴心线旋转，并使其旋转速度ω按设定的周期t随机变化；

2)将激光聚焦头(8)对准被加工轧辊(3)表面，并使其沿被加工轧辊(3)的轴向往返横移；

3)耦合控制激光聚焦头(8)的横移速度v，使激光聚焦头(8)相对于被加工轧辊(3)的运动轨迹形成交错排列的变螺距变倾角短程螺旋线δ，耦合控制的原则是使所有短程螺旋线δ的长度均为一定值；

4)采用光纤激光器(1)定时向激光聚焦头(8)发射脉冲激光束，聚焦后的脉冲激光束即可在被加工轧辊(3)表面加工出与所述短程螺旋线δ相对应的高密度均匀小微坑毛化点阵。

2.根据权利要求1所述基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：所述步骤3)中，短程螺旋线δ、横移速度v、旋转速度ω、旋转速度ω的变换周期t、以及被加

2 2 2

工轧辊(3)的直径d之间满足如下数学关系：δ＝(π·ω/60·t·d) +(v·t)；其中，短程螺旋线δ和直径d的单位为mm，横移速度v的单位为mm/s，旋转速度ω的单位为rpm，变换周期t的单位为s。

3.根据权利要求1或2所述基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：所述步骤1)中，被加工轧辊(3)的旋转速度ω＝10～30rpm，变换周期t＝5～10s。

4.根据权利要求1或2所述基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：所述步骤2)中，激光聚焦头(8)的横移速度v＝10～100mm/s。

5.根据权利要求1或2所述基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：所述步骤4)中，光纤激光器(1)所发射脉冲激光束的波长为1.46～1.61μm，发射频率为

2000～3000Hz。

6.根据权利要求1或2所述基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，其特征在于：所述步骤2)中，激光聚焦头(8)在沿被加工轧辊(3)的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至激光聚焦头(8)扫描到整个被加工轧辊(3)表面。

说明书

基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轧辊表面激光毛化加工处理技术，具体地指一种基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法。

背景技术

[0002] 冷轧薄板钢的表面形貌对板型、深冲性、延伸率和涂镀性能有重要影响，而冷轧薄板钢的表面形貌在很大程度上取决于冷轧生产过程中工作辊及平整辊的表面形貌。因此在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊、平整辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊工艺要求的冷轧毛化钢板。

[0003] 到目前为止，轧辊毛化技术和设备的发展经历了三个阶段：喷丸毛化、电火花毛化和20世纪90年代开始研发的激光毛化。喷丸毛化技术噪音高、粉尘大、功耗高、处理成本高，且轧辊表面区域硬度、喷丸尺寸和冲击速率及冲击角具有随机性、不均匀性、难以控制和重复性不好等缺点。电火花毛化技术形貌均匀性、保持性比喷丸毛化好，但存在轧辊使用寿命短、设备维修率高、耗电量大、维修不方便和油污染严重等问题。激光毛化技术能明显改善毛化板深冲性能和涂镀性能，且毛化过程中无噪声、无污染。随着激光毛化市场的成熟，越来越多的企业采用激光毛化这一新工艺。

[0004] 传统的激光毛化一般采用CO2和YAG激光器，存在种种不足。YAG激光毛化设备泵浦光的转换效率低、晶体热效应严重、闪光灯需经常更换；设备稳定性差，不能适应规模化生产的要求。CO2激光毛化设备体积庞大，自动定位系统复杂，价格也十分昂贵，对机床的精度要求较高；气体消耗量大，毛化设备的斩光盘需经常更换。相比CO2和YAG激光器，光纤激光器具有光电转换效率高、更好的保证小微坑直径和高毛化速度、维护成本低等优点。光纤激光作为第三代激光技术的代表，具有其他激光技术无可比拟的技术优越性和广阔的应用发展空间，将可能会逐步取代全球大部分高功率CO2激光器和绝大部分YAG激光器。

[0005] 目前大部分激光毛化设备的加工工艺特点是，在加工过程中，激光加工头（一头或多头）的横向匀速移动配合轧辊的匀速旋转运动，在轧辊表面形成等螺距等倾角的螺旋扫描线点阵毛化坑分布（螺距较小，毛化点分布可以看作很多条平行的圆周线毛化点分布）。这样毛化出的轧辊在圆周方向上是有序的，其毛化点的大小、形貌、排列基本一致，如图1所示。当轧辊轧制板带时，通过转印，板面在沿长度方向存在均匀分布的直线。因此，板在光的照射下，有几个角度反射强烈，最后导致在不同的角度观察板面有不同的反射效果，影响了钢板表面的外观。此外，冷轧钢板在长度方向容易形成拉伤，是因为轧辊在这些直线的部位与钢板紧密贴合，使产生的铁屑不能被轧辊表面的毛化坑吸收，始终存在于钢板与轧辊之间，连续划出可见的直线痕迹。

[0006] 为了解决激光毛化设备的有序毛化问题，中国专利“一种轧辊表面激光毛化处理方法”（公开号：CN101642778A）提出加快激光毛化头沿轧辊轴向的运动速率，增大螺旋倾角，形成如图2所示的螺旋形均匀点阵，但这种毛化坑分布方式虽然在轧辊圆周方向和长度方向都呈非直线规律，沿螺纹倾角方向却是有序的，当轧辊轧制板带时，也会影响板面在不同角度的反射效果。中国专利“一种多头激光无序毛化轧辊表面的加工方法”（公开号CN102699524A）提出用随机信号发生器控制脉冲激光器，改变激光脉冲束的频率和占空比，使毛化点的形貌和分布密度不一致以实现无序化，如图3所示，缺点是导致无法得到粗糙度均匀的冷轧钢板，还会对钢板深冲性能造成影响。此外，中国专利“光纤激光毛化系统”（公开号CN102380706A）所述的使激光头作旋转运动和左右偏转运动也会使毛化点形貌不规则，且控制设备较复杂。

[0007] 因此，在不影响钢板粗糙度均匀性和深冲性能的条件下，实现轧辊无序毛化的关键在于改变传统的规则螺旋形扫描线分布，而不改变毛化点的形貌和尺寸。

发明内容

[0008] 本发明的目的就是要提供一种基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，采用该方法处理出来的轧辊能够大大改善板面的表面外观质量，且能提高轧辊的耐磨性，延长使用寿命。

[0009] 为实现上述目的，本发明所设计的基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，包括如下步骤：

[0010] 1）驱动被加工轧辊绕其轴心线旋转，并使其旋转速度ω按设定的周期t随机变化；

[0011] 2）将激光聚焦头对准被加工轧辊表面，并使其沿被加工轧辊的轴向往返横移；

[0012] 3）耦合控制激光聚焦头的横移速度v，使激光聚焦头相对于被加工轧辊的运动轨迹形成交错排列的变螺距变倾角短程螺旋线δ；

[0013] 4）采用光纤激光器定时向激光聚焦头发射脉冲激光束，聚焦后的脉冲激光束即可在被加工轧辊表面加工出与所述短程螺旋线δ相对应的高密度均匀小微坑毛化点阵。

[0014] 优选地，所述步骤3）中，耦合控制的原则是使所有短程螺旋线δ的长度均为一定值。将短程螺旋线δ的长度设计为一定值，可使无序毛化点分布均匀。

[0015] 优选地，所述步骤3）中，短程螺旋线δ、横移速度v、旋转速度ω、旋转速度ω的变换周期t、以及被加工轧辊的直径d之间满足如下数学关系：2 2 2
δ=(π·ω/60·t·d)+(v·t)；其中，短程螺旋线δ和直径d的单位为mm，横移速度v的单位为mm/s，旋转速度ω的单位为rpm，变换周期t的单位为s。根据短程螺旋线δ、横移速度v、旋转速度ω、旋转速度ω的变换周期t、以及被加工轧辊的直径d之间的数学关系可准确计算短程螺旋线δ的长度。

[0016] 优选地，所述步骤1）中，被加工轧辊的旋转速度ω=10～30rpm，变换周期t=5～10s。这样，可在被加工轧辊表面产生符合板型、深冲性、延伸率、涂镀性能要求的毛化点阵。

[0017] 优选地，所述步骤2）中，激光聚焦头的横移速度v=10～100mm/s。这样，可在被加工轧辊表面产生形貌和尺寸统一、均匀无序的毛化点阵。

[0018] 优选地，所述步骤4）中，光纤激光器所发射脉冲激光束的波长为1.46～1.61μm，发射频率为2000～3000Hz。在此范围内的脉冲激光束可使毛化处理效率更高。

[0019] 优选地，所述步骤2）中，激光聚焦头在沿被加工轧辊的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至激光聚焦头扫描到整个被加工轧辊表面。在毛化处理过程中使毛化平台移动微小的距离，使无序化毛化点阵布满整个被加工轧辊。

[0020] 本发明的工作原理为：使被加工轧辊的旋转速度随机改变，同时耦合控制激光头沿被加工轧辊轴向的横移速度，并定时向轧辊表面发射激光束在被加工轧辊表面形成毛化点；所形成的毛化点为变螺距变倾角的短程螺旋形交错排列的高密度均匀小微坑点阵。本发明方法在变换周期t内加工出的短程螺旋线由毛化点排列而成。在光纤激光器的脉冲激光频率一定时，毛化点在被加工轧辊上的密度随短程螺旋线的长度变化而变化，短程螺旋线越长，毛化点在被加工轧辊上的密度越低；反之，短程螺旋线越短，毛化点在被加工轧辊上的密度则越高。由于被加工轧辊的旋转速度和激光头沿被加工轧辊轴向的横移速度发生变化，短程螺旋线的螺距和倾角也会随之变化，从而形成短程螺旋线交错排列的小微坑点阵。使用本发明方法加工出的毛化点在被加工轧辊表面均匀分布，因变换周期t内加工出的短程螺旋线的长度一定，使得毛化点在被加工轧辊上的间距不变。同时，短程螺旋线交错排列使毛化坑在被加工轧辊任何方向都呈非直线型无规律分布，可制作出真正符合均匀无序化要求的被加工轧辊。

[0021] 本发明的优点在于：采用无序毛化方法处理被加工轧辊，其毛化点均为规则圆形小微坑，且毛化点密度分布均匀，被加工轧辊各部位粗糙度一致；被加工轧辊处理后形成交错排列的由高密度点阵组成的短程螺旋线，大大提高了被加工轧辊的耐磨性和使用寿命；短程螺旋线的螺距和倾角不相等，因此毛化坑在轧辊长度方向上和圆周方向上都呈非直线型无规律分布，避免了由此带来的冷轧板拉伤问题；使用本发明方法处理后的轧辊轧制钢板时，板面纹理结构无序排列，提高了钢板的表面外观质量和使用寿命。

附图说明

[0022] 图1为常规激光毛化处理方法所得轧辊的毛化效果示意图；

[0023] 图2为加快激光毛化头沿轧辊横向运动速率时所得轧辊的毛化效果示意图；

[0024] 图3为改变激光束脉冲的频率和占空比时所得轧辊的毛化效果示意图；

[0025] 图4为为实现本发明方法所采用设备的结构示意图；

[0026] 图5为采用本发明方法所得轧辊的毛化效果示意图。

[0027] 图中：激光器1，数控机床2，被加工轧辊3，旋转轴4，顶尖5，平移导轨6，驱动托板7，激光聚焦头8。

具体实施方式

[0028] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

[0029] 如图1～3所示，采用现有技术加工所得轧辊的毛化效果已在背景技术中作了详细介绍，于此不再赘述。

[0030] 本发明基于光纤激光器的轧辊无序毛化处理方法，采用如图4所示的轧辊表面激光毛化加工装置实现，其基本过程如下：

[0031] 1）驱动被加工轧辊3绕其轴心线旋转，并使其旋转速度ω按设定的周期t随机变化。优化设计被加工轧辊3的旋转速度ω=10～30rpm，变换周期t=5～10s。

[0032] 2）将激光聚焦头8对准被加工轧辊3表面，并使其沿被加工轧辊3的轴向往返横移。一般而言，激光聚焦头8的横移速度控制在v=10～100mm/s。激光聚焦头8在沿被加工轧辊3的轴线从首端滑动到末端后，立即错位移动一个螺距，反向返回至首端；在首端再错位移动一个螺距，继续滑动至末端，直至激光聚焦头8扫描到整个被加工轧辊3表面。

[0033] 3）耦合控制激光聚焦头8的横移速度v，使激光聚焦头8相对于被加工轧辊3的运动轨迹形成交错排列的变螺距变倾角短程螺旋线δ。作为优选方案，耦合控制的原则是使所有短程螺旋线δ的长度均为一定值。具体地，短程螺旋线δ、横移速度v、旋转速度ω、旋转速度ω的变换周期t、以及被加工轧辊3的直径d之间应满足如下数学关系：2 2 2
δ=(π·ω/60·t·d)+(v·t)；其中，短程螺旋线δ和直径d的单位为mm，横移速度v的单位为mm/s，旋转速度ω的单位为rpm，变换周期t的单位为s。

[0034] 4）采用光纤激光器1定时向激光聚焦头8发射脉冲激光束，聚焦后的脉冲激光束即可在被加工轧辊3表面加工出与所述短程螺旋线δ相对应的高密度均匀小微坑毛化点阵。其中，光纤激光器1所发射脉冲激光束的波长为1.46～1.61μm，发射频率为2000～3000Hz。

[0035] 以下为两个具体的实施方案：

[0036] 实施例1：

[0037] 将被加工轧辊3置于数控机床2的轧辊转轴4上，通过顶尖5顶紧；启动数控机床2，使被加工轧辊3绕其轴心线旋转；与此同时，数控机床2中的驱动机构控制平移导轨6上的毛化平台7平行于被加工轧辊3的轴向运动；带动位于毛化平台上的激光聚焦头8沿被加工轧辊3的轴向往返横移。激光聚焦头8接收激光器1发出的脉冲激光，并定时向被加工轧辊3发出脉冲激光束，激光束的聚焦点垂直落在旋转的被加工轧辊3表面，在被加工3表面产生由变螺距变倾角的短程螺旋线δ形成的交错排列的高密度均匀小微坑点阵，从而对被加工轧辊3进行毛化加工。

[0038] 本实施例中被加工轧辊3材质为9Cr3Mo，其直径d=60mm，全长为3500mm；激光器1为光纤脉冲激光器，其波长为1.5μm，频率为2000Hz，变换周期t为5s，螺旋线δ长度为
350mm。部分轧辊旋转速度ω和激光聚焦头8沿被加工轧辊3轴向的横移速度v如表1所示。

[0039] 表1

[0040]ω（rpm） 11.00 12.00 13.00 15.00 16.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00v(mm/s) 60.89 58.99 56.87 51.78 48.74 41.30 36.62 30.92 23.49 11.31[0041] 经过实施例1的处理，被加工轧辊3上的毛化点阵如图5所示。可以看出，被加工轧辊3表面毛化点沿长度方向和圆周方向都呈非直线型无规律分布。用此轧辊轧制钢板时，产生的铁屑颗粒能够被轧辊上交错排列的毛化凹坑所吸收，在钢板的长度方向和宽度方向都不会造成划痕，避免由此带来的冷轧板拉伤问题。此外，钢板的板面纹理结构无序排列，大大改善了钢板的表面外观质量。

[0042] 实施例2：

[0043] 实施例2与实施例1基本相同，区别仅是实施例2中被加工轧辊3材质为9Cr2W，其直径d=50mm，全长为4000mm；光纤脉冲激光波长为1.6μm，频率为3000Hz，变换周期t为10s，螺旋线δ长度为500mm。部分被加工轧辊3旋转速度ω和激光聚焦头8沿被加工轧辊3轴向的横移速度v如表2所示。

[0044] 表2

[0045]ω（rpm） 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00v(mm/s) 85.21 81.77 77.82 73.29 68.06 61.95 54.67 45.66 33.56 10.63[0046] 经过实施例2处理的被加工轧辊3上的毛化点阵形态与实施例1也大体相同。