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[分享] 华工激光:CO2激光毛化与电火花毛化机理工艺研讨

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发表于 2010-2-3 15:42:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 herry2010 于 2010-2-3 15:54 编辑

一、前言:
      
    由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等奇异特性,能在材料加工中带来其它加工方法所不具备的许多特点,如:无接触加工、无切削加工、无刀具磨损加工、高能量密度超极速加工、局部热变形量小加工以及与数控系统极易配合的灵活加工。所以激光技术被列入20世纪原子能、半导体、计算机的四大发明之一。
      
    为此我国政府于80年代中、90年代初在武汉华中科技大学成立了国家激光技术重点实验室(研究激光与物质作用的理论)和国家激光加工工程中心(研究激光加工的应用),并在这两个源头的牵引下,催生了“中国光谷”,“中国光谷”在市场经济的导向下,短短的数年创造了几十项激光技术领域的第一乃至世界第一。
      
    大功率CO2激光毛化技术与设备就是其一,属于有自主知识产权的国际领先技术,该技术不仅能完成高质量的激光毛化形貌,还具备激光淬火的特殊功能,能使轧辊的寿命提高一倍以上,其综合经济效益能给使用者年内收回投资及带来长期、稳定、明显的经济效益。

    二、CO2激光毛化机理
     根据冷轧板轧制工艺要求及后续加工工艺要求:如普板、家电板、汽车板、防伪板、退火、深冲、超深冲、镀锌、彩涂等选定辊面粗糙度值、密度值、平坦度值的工艺指标,以及粗糙度复印率、衰减率的工艺指标(在实际生产中,这两项指标对使用者十分重要),决定工艺指标的主要工艺参数是激光器使用功率、激光脉冲频率、扫描速度、光斑直径、聚焦距离。其中使用功率越大,粗糙度值(Ra)越大,功率值连续自动可调控;脉冲频率由斩光盘转速与斩光盘齿数确定,一般为 20KHZ左右,即每秒可造2万个点的毛化形貌;即脉冲频率越高,密度值(峰值数PC)越高。扫描速度由轧辊转速,辊面直径及毛化装置移动速度确定,一般为6.5米/秒,降低扫描速度可提高Ra与PC值;光斑直径与焦距由外光路确定。这些变量均可由840D数控系统、检测系统及专用工艺软件来精确执行,操作人员只需负责吊装、输入选定的粗糙度值、密度值、平坦度值即可,十分方便。由于所有工艺参数均能精确控制,所以CO2激光毛化能再现所需的加工过程和结果,这一点对总结毛化效果、开发新产品十分有利(第一代的喷丸、第二代的电火花均有不能明显硬化和再现功能的缺陷)。

    三、电火花毛化机理
      
    电火化毛化技术的专用设备,目前在国内还没有专业的生产厂家,多数钢企只是认为其形貌的均匀性、保持性比喷丸毛化好,并且由于从众、从外的心理诱导,所以大多引进了国外的电火花毛化设备。应该说电火花毛化技术是在40年代的电火花加工技术的基础上诞生的,这比激光加工技术要落后几十年。我们不应该走引进落后再引进的老路,更何况性价比相差两倍以上。
      
    我国是在50年代初开始研究和应用电火花加工技术的,主要用于模具成型和线切割加工。我国政府在冶金行业毛化设备的问题上敢为人先,高端进入,抛开电火花毛化设备的跟进研制,直接在武钢投入“大型CO2激光毛化设备与工艺”国家重点科研项目无疑是正确的导向。

    1)电火花毛化机理
      
    电火花是一种自激放电,其特点是放电前两个电极间具有较高的电压,当两电极接通时,其间隙中的电解液被击穿后,即发生瞬间的火花放电,伴随击穿过程,两电极之间的电阻迅速变小,电压迅速降低。
    轧辊被毛化的部分与电极均浸泡在电解液内,其间的间隙距离为0.1mm左右,轧辊为零线接地作低速旋转运动,转速通常为8rpm左右,电极装在毛化头上作水平直线运动。电回路包括一个高电压回路5和一个低电压回路。当电解液2被击穿时,高电压回路的低电流提供初始脉冲。凹坑与针状尖峰的毛化是低电压脉冲通过电极对轧辊表面金属材料产生的电火花放电产生的。电流的大小是通过选择一个或者多个电阻组合完成,其脉冲频率是通过调节振荡器的输出来设定。电流的大小和电火花持续的时间决定了轧辊表面凹坑、尖峰的大小、数量和形状,(当然在轧辊被毛化的同时,电极也会被更快的毛化,属易损件)。

    由于受电火花加工技术本身的限制,不能形成抗挤压能力很强的丘状凸台。由于针状尖峰衰减很快,轧辊表面毛化的形貌保持性较差,初期磨损阶段磨损速度很快,正常期磨损阶段耐磨性一般。为了延长轧辊的使用寿命许多钢企采用了电火花毛化加镀硬铬工艺,即在电火花毛化的辊面上机械结合硬度更高的镀铬层。但由于镀铬会产生波谷填充影响毛化效果,更重要的是由于机械结合在复杂的轧制中易出现镀铬层局部脱落,所以举步维艰。图5所示毛化头4由一个伺服轴和十几个独立电极组成,一台电火花毛化机床一般有几个毛化头。

    2)电火花毛化工艺
    决定电火花毛化工艺指标的重要参数是脉冲电源的各种电参数、放电间隙、电解质。其中电流越大电火花溶坑越深,粗糙度值(Ra)增大,相应的峰值数(PC)减小。电流持续的时间越长,电火花溶坑越宽,相应的峰值数(PC)减小,反之PC值增大。间隙越小,效率越高,但间隙过小不利用绝缘油流动时带走电火花过程中产生的废弃物。通常间隙在0.1mm左右。电解液由绝缘油和添加剂组成,其中添加剂在间隙中形成导电桥。添加剂介电系数越高,间隙越小,添加剂的颗粒大小,分布的均匀性在间隙中的流量均对电火化毛化效果有很大影响。另外电极的放电端面与辊面的圆弧面,两面之间的对应各点保持等距也是不可能的。

    四、结束语

    综上所述,通过对两种技术的机理与工艺比较,我们不难看出:电火花毛化技术源于40年代的电火花技术,其影响毛化效果的工艺参数、因素很多,并且极为复杂,随机性很强。受其技术水平本身的限制,其毛化形貌的再现性、保持性、耐磨性均落后于建立在20世纪四大发明之一的激光技术上的激光毛化,特别表现在硬化效果和工艺的稳定性上面,且电火花毛化需使用大量的电解液,有污染、耗能大。另外进口的电火花毛化设备比国产CO2激光毛化设备贵2-5倍。由此,我们不难得知:新型大功率CO2激光毛化设备将成为国内外冶金行业第三代主导产品。
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