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    电源调制式光纤激光毛化技术说明

    ? ? ? ? 2010年左右,国际光纤激光器厂家SPI和IPG根据中小型焊接机和薄板切割的市场需求,开发出电源调制式光纤激光器,主要用于替代低频率大脉冲灯泵浦准连续YAG激光器。此后,国内激光毛化设备厂家逐步采用了400W和500W(500W以上的激光器调制频率只能低于10KHz,加工效率极低)的连续激光器通过电源调制的方式产生脉冲激光进行激光毛化加工。

    ? ? ? ? 2011年以前的激光毛化设备普遍采用了激光器和车床分离的结构,由于光程差的存在,轧辊两端的粗糙度偏差高达30%以上,根本无法满足中高端冷轧板的生产需求。采用电源式光纤激光毛化设备能解决传统激光毛化设备轧辊两端粗糙度均匀性问题,但由于激光器的峰值功率低、调制脉宽比较宽、占空比小及激光功率利用率低等不足,因此该激光毛化设备加工的毛化效果存在毛化效率低、轧辊过钢量极低及毛化点呈有序椭圆形等缺点。最核心的是,电源调制光纤激光毛化设备加工的激光毛化点是规则椭圆形,仿无序毛化方式是通过调整毛化点排列组合而实现,该方案牺牲了轧辊表面的粗糙度均匀性,存在原理性弊端,无法同时实现微观无序和宏观粗糙度均匀,光纤调制式激光毛化设备无法满足中高端冷轧板生产要求。经过我国相关冷轧厂设备采购使用的数据,2011年~2017年采购的光纤激光毛化设备报废率高达50%以上。

    1、电源调制光纤器的原理

    ? ? ? ? 市场上现有光纤激光毛化设备用于轧辊毛化的主体方式是采用增益调制的方式对光纤激光器进行调制,从而对轧辊表面进行激光毛化加工,其光纤激光器调制原理图如图1所示。

    图1 基于增益调制技术的脉冲光纤激光器的结构

    图2 连续激光输出

    图3 电源调制激光输出

    ? ? ? ?以SPI400W光纤激光器为例,图2为激光器连续激光输出控制方式,采用连续的TTL触发信号对LD进行控制,实现Po=400W的连续激光输出;图3为采用周期性方波的TTL信号对LD进行控制,实现Po=400W的周期性方波激光输出。

    2、电源调制光纤激光毛化技术原理?

    ? ? ? ? 电源调制光纤毛化技术采用的是SPI400W或IPG500W光纤激光器为激光源,直接通过周期性方波TTL信号触发LD,占空比输出宽脉冲激光,通过控制激光脉冲的调制频率和脉宽使激光毛化点在轧辊圆周方向的点阵排列不均匀而破坏轧辊圆周方向螺旋线的规则性。其典型激光毛化效果如图4所示,为了保证冷轧辊表面粗糙度的均匀性,使用低占空比和相对稳定的调制频率,结果导致宏观出现螺旋线。图5是在完全不考虑冷轧辊表面粗糙度均匀性的情况下,采用非常大的调制频率范围和反复随机重复毛化的工艺情况下获得的微观形貌效果,微观无序,但宏观均匀性非常差。从激光毛化工艺的角度来看,仿无序光纤激光毛化技术无法解决激光毛化点的规则性问题,单纯靠牺牲冷轧辊表面均匀性而模仿无序效果只能用于最低端的产品。除了激光毛化效果不佳外,调制式光纤毛化的形貌普遍是椭圆形,严重影响了钢板两个方向的一致性,同时存在加工效率低的缺陷,无法满足中高端板材的应用需求。

    图4?典型光纤毛化效果

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    图5?极度不均匀光纤毛化效果

     

     

    3、双头电源调制光纤激光毛化设备的弊端

    ? ? ? ?由于单头光纤激光毛化设备的加工效率极低,相关激光毛化设备厂家为了提高加工效率而采用两台400W光纤激光器并联进行双头激光毛化加工,其典型方案如图6所示。由于中高端冷轧板的板面均匀性非常高,标准的双头激光毛化设备必须采用两个激光头以轧辊轴线对称排列,同时对同一条毛化线进行加工,双头激光两路激光脉冲需要对轧辊的速度进行精确跟随,才能保证两路激光毛化效果的均匀一致性。

    图6 国内典型双头激光毛化方案

    3.1、双头双激光器存在方案错误

    ? ? ? ? 由于国内相关厂家无法精确做到毛化点阵的精确速度跟踪,同时也无法设计出双头对称分布的车床结构,该技术方案主要缺点如下:1)双激光头在轧辊同一方向垂直排列,容易因为轧辊直径的变化而产生对焦不准,从而使毛化工艺不稳定;2)双激光束加工的毛化螺旋线一般采用并排毛化方式,虽然能提高加工效率,但两路激光的不一致会导致轧辊表面出现严重的螺旋线色差,容易产生宏观缺陷3)采用仿无序毛化工艺式,两路激光的同步性根本无法控制,会产生组合缺陷。

    3.2、光纤激光毛化轧辊过钢量低,稳定性差

    ? ? ? ? 目前双头400W光纤激光毛化设备加工的平整辊过钢量极低,而且不同轧辊之间的过钢量不稳定,主要原因如下:1)目前光纤激光毛化采用的是SPI400W光纤激光器,脉冲激光采用的是电源调制的办法,激光的峰值功率仅仅是400W,激光束聚焦之后的峰值功率密度为106W/cm2,该激光功率密度很低,处于轧辊表面熔化的临界功率密度,在激光加工过程中无法实现激光淬火,而是通过“硬烧”的办法反复对轧辊表面进行加热,从而破坏轧辊表面的结构,降低轧辊表面碳原子的含量,从而使轧辊表面的硬度很软。2)轧辊过钢量不稳定的原因是由于无序光纤激光毛化采用的是轧辊Z轴移动速度很慢,相邻几排毛化点之间反复叠加,由于轧辊的瞬间旋转速度及激光脉冲随机发生而导致相同加工工艺条件下轧辊表面的微观形貌叠加形态相差很大,从而导致不同加工状态下轧辊的表面硬度不一样。

    3.3、光纤激光毛化设备对轧辊表面要求高

    ? ? ? ? 根据光纤激光毛化设备用户调试现场反馈,400W光纤激光毛化设备对轧辊磨削的要求极高,轧辊表面的缺陷会在激光毛化之后放大很多,这主要是因为400W光纤激光器输出的激光峰值功率在轧辊表面的熔化的临界位置,这会导致激光毛化加工时轧辊的任何缺陷都会影响轧辊的吸收,会放大激光毛化的缺陷。

    3.4、光纤激光毛化轧辊存在局部缺陷,会复制到钢板中

    ? ? ? ? 双头电源调制式光纤激光毛化采用的是电源调制的办法对激光脉冲进行控制,通过轧辊周线间距的变化、占空比的变化及螺旋线互相叠加而实现防无序激光毛化,这种工艺特点会随着轧辊转速及激光脉冲发生器的随机性变化而导致轧辊表面出现局部组合差别,比如出现两排交错或全部叠加的两种状态,从而在宏观上产生明显的纹路。

     

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