轧辊表面光纤激光毛化工艺研究

利用光纤激光柔性工作站对轧辊表面进行毛化,研究了激光射出头姿态、侧吹角对毛化点形貌、毛化后轧辊表面粗糙度的影响,分析了其影响规律,总结出了最佳毛化工艺.结果表明,12点位置和3点位置在特定侧吹角度时,毛化点分布相对独立,凸台金属分布集中,无点与点搭接现象,毛化点形貌满足要求.12点位置和9点位置各侧吹角度下的毛化表面粗糙度均满足要求.综合对毛花点形貌及毛化后轧辊表面粗糙度要求,12点位置的毛化效果优于3点位置.研究结果已应用于实际生产.     

光纤激光无序毛化

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。     

光纤激光毛化机器人系统

光纤激光作为第三代激光技术的代表,具有其他激光器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。本文利用光纤激光器的优点,集成开发了了第五代全新的光纤激光机器人毛化系统,系统以光纤激光器为载体,协同机器人及其它设备来完成轧辊毛化作业。光纤激光毛化柔性工作站与传统的CO₂激光毛化设备相比取得了多项重大突破,如系统采用普通机床代替昂贵的磨床实现毛化功能,是一项开创性的工作,意味着节约大量的设备投资费用,并大幅度提高生产效率;系统对轧辊旋转时的轴向跳动容忍度大,毛化速度可以大幅度的提高;光纤激光毛化技术可实现毛化点形貌的任意设计以及毛化点的有序、无序排列;毛化成本大幅度降低,没有三废,是一种绿色制造技术。     

圆锥轧辊激光毛化加工研究

在圆锥轧辊轧制带钢时,为了增强轧辊与带钢之间的摩擦力,采用对轧辊表面进行激光毛化的方法,对圆锥轧辊的激光毛化加工过程进行了分析研究,给出加工系统的硬件组成,介绍了加工系统的控制原理。由于在圆锥轧辊表面进行激光毛化属于变径加工,为了保证每个加工圆周处毛化点之间的点距不变,推导出每个加工圆周处圆周直径、总脉冲个数和分频系数等的计算公式,同时给出相应算法,解决了每个加工圆周处最后1个毛化点与第1个毛化点之间间距总是大于点距的问题。结果表明,在圆锥轧辊表面进行激光毛化,不仅增强了轧辊与带钢之间的摩擦力,同时还延长了轧辊的使用寿命。     

轧辊表面球冠状微凸形貌的激光加工

随着汽车工业的飞速发展,对冷轧薄板表面质量特别是表面微观形貌提出了更加严格的要求。本文针对从摩擦学角度优化设计的轧辊表面球冠状微凸新形貌,依据脉冲激光参数特性及快速熔凝理论,提出了脉冲激光毛化处理的新机制。试验中,采用500W脉冲Nd:YAG固体激光器对轧辊表面进行毛化处理,通过对激光毛化新机制的分析和研究,很好的选取和匹配了激光加工工艺过程和脉冲激光参数,最终成功获得了预先设计的形貌及尺寸。并进一步对其表面硬度状况进行了测量和分析。研究表明,辊面形貌和粗糙度能够得到精确的控制;微凸的激光毛化新形貌具有高于材料基体的表面硬度。此外还对脉冲激光参数对轧辊主要形貌参数的影响规律作了进一步的分析和研究。     

一种随机频率、随机能量的轧辊光纤激光无序毛化方法

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。     

轧辊表面脉冲激光三维微改形过程参数分析

从研究和分析脉冲激光参数入手,提出了轧辊表面一种球冠状微凸新形貌的脉冲激光三维微改形(毛化处理)新机制,并最终成功获得了预先优化设计的新的三维微观形貌尺寸。在试验中,通过运用激光毛化新机制,对激光脉冲参数(脉冲波形、脉冲能量、脉冲宽度、离焦量等)进行了分析研究和匹配,并获得了该新形貌及尺寸。另对脉冲激光参数与轧辊主要形貌参数的影响规律作了进一步的研究。结果表明,单脉冲能量的大小及其空间分布是形成球冠状微凸新形貌和尺寸的关键因素。     

射频脉冲CO2激光轧辊毛化技术及工艺实验研究

利用射频激励CO2激光器开发的轧辊毛化设备具有激光脉冲调制简单、结构紧凑、运行和维护费用低等优点.通过实验研究和讨论了射频CO2激光毛化中各种工艺参数的影响.在选取合适的辅助气体作用方式、压力和离焦量的情况下,实际测量结果表明激光重复频率、脉冲宽度、加工速度对毛化点大小和几何形状的影响最直接.     

多棱镜扫描分光多头激光毛化圆形毛化点分析

为了得到圆形的毛化点以改善传统单头激光毛化技术椭圆毛化点对轧制钢板的均匀性和力学性能的影响,提出了一种采用多棱镜扫描分光技术的多头激光毛化设备.在一定离焦量下,使得扫描过程中扫描光束所带来聚焦点非均匀移动可以与轧辊同步运行,理论上可以获得椭圆度(长短轴比)最小为1.0010957的近似圆形毛化点,并进行了生产实践.结果表明,理论分析计算与实际结果较为符合.通过对离焦量、扫描速度等毛化参量的控制,可以获得椭圆度根据特殊要求任意调整的毛化点,这为多头激光毛化技术的应用提供了指导.     

多棱镜扫描分光多头激光毛化技术研究与实践

为了提高激光毛化(LT)效率以满足企业生产的实际需要,生产出具有可控表面形貌的冷扎钢板,提出了一种采用多棱镜扫描分光的多头激光毛化技术的实现方案,从原理和光路设计上对其进行了分析,并进行了生产实践.结果表明,其单头脉冲频率可以达到30 kHz,毛化点密度可达7×7 dots/mm2,脉宽范围0.03～1 ms;对于600 mm×1800 mm的辊面,在6×6 dots/mm2毛化点密度下,毛化效率可达35 min/根,满足企业的实际生产需要;同时得到圆形毛化点,改善了冷轧激光毛化板的均匀性,从而提高了激光毛化板的力学性能.基于该技术的双头激光毛化设备已投入实际生产并取得良好效果.     

硬质合金激光毛化工艺试验研究

为了探究激光毛化技术在硬质合金材料表面实现微织构的应用潜能,采用单因素分析法,在YG6X硬质合金刀片表面进行了激光毛化工艺试验研究,获得了直径约270m,高度约6m的火山口形貌的微织构。结果表明,激光脉冲宽度、抽运电压、气体压力对毛化微织构形貌有着显著影响,脉冲宽度和抽运电压会较大地增大织构尺寸,气体压力显著减小织构高度约43%;硬质合金激光毛化微织构易出现微裂纹,由中心延伸至周边;组织中材料分布不均,中间有大块孔洞与空腔,但与基体有着紧密的结合强度。     

45#钢光纤激光毛化数值模拟及实验研究

为了在模具上加工出特定的毛化形貌和尺寸,采用计算流体力学软件Fluent探究形貌成型机理,建立了激光毛化过程3维瞬态模型。考虑热传导、热对流、材料热物性参量等影响因素,采用焓法处理固液相变移动边界,通过用户自定义函数加载激光热源,计算得出熔池温度场与流场。基于数值模拟,采用单因素轮换法进行了毛化工艺试验,研究了激光功率密度、脉宽两因素对毛化形貌、几何参量的影响。结果表明,激光功率密度在2.04×104W/mm2~3.57×104W/mm2,脉宽在100μs~1000μs之间;以氮气作为辅助气体,可获得球冠状、凹顶球冠状、M状3种形貌。该结果对模具毛化种类具有指导意义。     

准分子激光工艺参数与修饰表面形貌的关系

利用准分子激光加工技术,以Al2O3陶瓷材料作为试件,构建表面微观形貌。采用表面形貌仪测量表面轮廓,用自行开发的表面形貌参数表征软件系统绘制轮廓曲线,研究准分子激光加工工艺参数与修饰表面微观形貌之间的关系。结果表明,随着激光器上放大器电压和激光脉冲频率的增大,刻蚀凹槽深度逐渐增大,而随着扫描速度的增大,刻蚀凹槽深度却逐渐减小。此外,还发现刻蚀凹槽呈锥状,且两侧出现了稍微的隆起,这是由凹槽两侧少量喷溅物造成的。     

激光毛化对拉延模表面摩擦学特性的影响

为了对激光技术在拉延模表面的性能影响进行研究,从激光毛化微凸体形貌特征及拉延成形中摩擦行为特点的角度,研究了在拉延成形过程中,激光毛化表面的摩擦力及由微凸体接触摩擦系数和润滑摩擦系数组成的合成摩擦系数,建立了摩擦系数与表面微观形貌几何参量之间的映射关系模型,讨论了激光毛化形貌参量对表面摩擦系数的影响,并通过采用大量激光毛化摩擦学模拟实验验证该模型的准确性。结果表明,激光毛化改善了拉延模表面摩擦学特性,且该模型为进一步研究激光毛化在拉延成形中应用提供了理论依据。     

轧辊表面激光毛化技术及装备

针对轧辊表面激光毛化的特点,探讨了轧辊表面激光毛化技术及装备的发展现状及趋势,分析了轧辊表面激光毛化脉冲装置的原理、结构和特点,指出了轧辊表面激光毛化技术及装备的难点技术及可能的解决方法。     

脉冲激光毛化加工的计算机流体动力学数值模拟

激光毛化的温度场和熔化过程流动状态的变化,以及因辅助气体等导致的对流换热边界条件变化都会对材料表面成形质量和组织转变产生重要影响。于是建立了模拟激光毛化的三维瞬态模型,该模型考虑了热传导、对流传热及熔池表面的形貌变化等因素,采用焓法与流体体积(VOF)方法处理固液相变移动边界与自由表面的问题,利用Fluent软件和用户自定义函数(UDF)方法求解,处理了辅助气体的驱动作用及自由表面和相界面的演化,得出了脉冲激光毛化过程中各种加工参数下熔池的形状、大小以及熔池内的温度、速度分布。实际毛化加工结果与数值模拟结果基本一致。     

1053nm超短脉冲光纤激光的产生

为了研究环形腔掺Yb3+光纤激光器的输出特性,采用两个波长为976nm的半导体激光器作为超短脉冲激光器的抽运源,利用非线性偏振旋转锁模技术,实现了激光器的自起振锁模运转.实验中通过调节掺杂光纤的长度和偏振控制器波片的位置实现了锁模脉冲的波长调谐,在掺杂光纤长度为1.6m时,获得了波长为1053nm、最大输出功率为9.5mW、光谱宽度为6nm、重复频率为23.7MHz的超短光脉冲输出.实验结果与分析表明,采用调节光纤的长度和偏振控制器可实现超短脉冲光纤激光器的波长调谐.     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮试验研究

为了寻求超硬磨料砂轮的修锐新方法,采用脉冲光纤激光径向辐照,对青铜结合剂金刚石砂轮进行了修锐试验研究。理论分析了脉冲激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮的基本原理;借助超景深3维显微系统和粗糙度测试仪,获得了脉冲光纤激光烧蚀青铜结合剂轮烧蚀凹坑的表面形貌和深度,总结了激光平均功率、脉冲重复频率和离焦量等参量对烧蚀效果的影响规律;根据试验结果选择最佳工艺参量(Pm= 20W, f=70kHz,Δ=0.0mm),开展了激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮的试验,并采用超景深3维显微系统对修锐后的砂轮表面形貌进行观测。结果表明,在合理工艺参量下,脉冲光纤激光径向辐照修锐青铜结合剂金刚石砂轮,可获得良好的修锐效果。