一、前言由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性等奇異特性，能在材料加工中帶來加工方法所不具備的許多特點(diǎn)，如：無(wú)接觸加工、無(wú)切削加工、無(wú)磨損加工、高能量密度超極速加工、局部熱變形量小加工以及與極易配合的靈活加工。所以激光技術(shù)被列入20世紀(jì)原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)的四大發(fā)明之一。 為此我國(guó)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(guó)家激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（研究激光與物質(zhì)作用的理論）和國(guó)家激光加工工程中心（研究激光加工的應(yīng)用），并在這兩個(gè)源頭的牽引下，催生了“中國(guó)光谷”，“中國(guó)光谷”在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)向下，短短的數(shù)年創(chuàng)造了幾十項(xiàng)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)備就是其一，屬于有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)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(jì)效益能給使用者年內(nèi)收回投資及帶來長(zhǎng)期、穩(wěn)定、明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 二、CO2激光毛化機(jī)理 激光毛化技術(shù)與設(shè)備是我國(guó)“八五”國(guó)家科技（攻關(guān)）計(jì)劃項(xiàng)目，91年啟動(dòng)，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(xiàng)單元技術(shù)條件的限制，作為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)科研課題研制的第一臺(tái)CO2激光毛化存在一些問題在所難免，現(xiàn)在雖暫時(shí)停產(chǎn)，但應(yīng)該看到該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際毛化領(lǐng)域中所具有的前瞻性和市場(chǎng)前景。目前在華中科技大學(xué)華工激光公司的實(shí)施下，已有昆明鋼鐵公司、濟(jì)南鋼鐵公司、唐山建龍鋼鐵公司、重慶鋼鐵公司采用了該項(xiàng)技術(shù)與裝備，并獲得了新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利。 1）CO2激光毛化機(jī)理（具有毛化、硬化功能） 如圖1所示：毛化加工時(shí)斬光盤2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軋輥1順時(shí)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(diǎn)，其入射面積小于0.5mm2，其功率密度為104～105W/cm2，使輥面組織迅速發(fā)生相變(溫度在溶點(diǎn)以下)。

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(xiàng)都極為細(xì)小并產(chǎn)生大量的錯(cuò)位，這些對(duì)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(shí)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(dòng)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(diǎn)，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(tái)，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(tái)強(qiáng)度。2.避免在溶化凝固硬化過程中產(chǎn)生的飛濺物對(duì)鏡片造成傷害。3.避免在激光溶化過程中產(chǎn)生的過量等離子體形成屏蔽對(duì)激光入射的影響。

2）CO2激光毛化工藝

激光毛化輥面

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(biāo)，以及粗糙度復(fù)印率、衰減率的工藝指標(biāo)（在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)使用者十分重要），決定工藝指標(biāo)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(dòng)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(wàn)個(gè)點(diǎn)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)及專用工藝軟件來精確執(zhí)行，操作人員只需負(fù)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(diǎn)對(duì)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(jī)理 電火化毛化技術(shù)的專用設(shè)備，目前在國(guó)內(nèi)還沒有專業(yè)的生產(chǎn)廠家，多數(shù)鋼企只是認(rèn)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(jìn)了國(guó)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(jìn)落后再引進(jìn)的老路，更何況性價(jià)比相差兩倍以上。 我國(guó)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(guó)政府在冶金行業(yè)毛化設(shè)備的問題上敢為人先，高端進(jìn)入，拋開電火花毛化設(shè)備的跟進(jìn)研制，直接在武鋼投入“大型CO2激光毛化設(shè)備與工藝”國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目無(wú)疑是正確的導(dǎo)向。 1）電火花毛化機(jī)理 電火花是一種自激放電，其特點(diǎn)是放電前兩個(gè)電極間具有較高的電壓，當(dāng)兩電極接通時(shí)，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。

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(jī)械脈沖

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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。電回路包括一個(gè)高電壓回路5和一個(gè)低電壓回路6。當(dāng)電解液2被擊穿時(shí)，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(duì)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(gè)或者多個(gè)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(shí)間決定了軋輥表面凹坑、尖峰的大小、數(shù)量和形狀，（當(dāng)然在軋輥被毛化的同時(shí)，電極也會(huì)被更快的毛化，屬易損件）。

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(qiáng)的丘狀凸臺(tái)。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(zhǎng)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(jī)械結(jié)合硬度更高的鍍鉻層。但由于鍍鉻會(huì)產(chǎn)生波谷填充影響毛化效果，更重要的是由于機(jī)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(gè)伺服軸和十幾個(gè)獨(dú)立電極 3組成，一臺(tái)電火花毛化機(jī)床一般有幾個(gè)毛化頭。 2）電火花毛化工藝

電火花毛化輥面

決定電火花毛化工藝指標(biāo)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）減小。電流持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，電火花溶坑越寬，相應(yīng)的峰值數(shù)（PC）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(dòng)時(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)各點(diǎn)保持等距也是不可能的。 四、結(jié)束語(yǔ) 綜上所述，通過對(duì)兩種技術(shù)的機(jī)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(jī)性很強(qiáng)。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(jì)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(jìn)口的電火花毛化設(shè)備比國(guó)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(guó)內(nèi)外冶金行業(yè)第三代主導(dǎo)產(chǎn)品。