（物理电子学专业论文）快速激光该花的理论与实验研究.pdf

华t p 理工大学博士学位论文 摘要 ( 近年来，用脉冲激光进行轧辊刻花技术已经成功地应用到冷轧薄板上。激 光刻花薄板与用传统工艺如喷丸等毛化轧辊轧制的薄板相比，具有粗糙度均 匀、可控、冲压性能好、涂漆后光亮度好等优越性。使用高功率c o ，激光器 可以实现大型轧辊的快速激光刻花，提高生产效率。研究激光刻花工艺对生产 实践具有重要的意义。 大多数对于激光刻花的研究集中在通过实验方法研究激光刻花点的表面性 质和形貌及它们对轧制结果的影响等。为了了解激光刻花的物理过程，帮助优 化加工参数，理论研究是必不可少的。以前的关于激光加工的理论研究不适合 描述快速激光刻花过程，表现在：a 、以前的模型主要是在稳态或准稳念过程， 而描述快速激光刻花必须用瞬念过程；b 、以时的理论模型中，激光束的扫描 速度低，为0 0 l m s 量级，而快速激光刻花中激光束的扫描速度为1 m s 的量 级，与熔池中的最大速度的量级相同，这时熔池内部的流线与低扫描速度时有 比较明显的不同。) 一，、 本文通过理论与实验的方式来研究激光刻花技术，包括加工参数对熔池的 影响和实际应用中应该注意的问题。主要内容如f ： 1 、国内外首次建立了一种描述快速激光刻花的二维瞬态模型。i 该模型是 在f e a t f l o w 软件的基础上，通过有限元和多重网格方法对能量、动量、质量 方程和相应的边界条件进行数值求解，得出了在连续激光和脉冲激光作用下熔 池的形状、大小和熔池内的温度、速度、流线及压强分布，这些结果将直接影 i 响到激光刻花后材料的微观结构、表面性质和激光刻花的最终结果。模型的结 果表明在脉冲激光作用下，高 i 描速度和低描速度对激光刻花的结果有比较 人的不同，在高扫描速度情况下容易避免熔池之问相连和搭接。该模型耗时少， 效率商，具有在生产实践中应用的前景。j 2 、利用连续表面力的方法初步建立了一种新的能够计算熔池自由表面的 捕述快速激光刻花过程的c s f ( 连续表面力) 模型。i 陔模型中，设计了适合c s f 的热源模型为： 华。p 理工大学博士学位论文 ( p ( x ，y ) = 一2 q l ! n ! ( 一ny ) l c j 并导出了虚拟连续表面力 f 。v = - y a 帮一鲁罢s 错 该模型的初步计算结果正确。j 3 、研究了快速激光刻花后激光点上材料的微观结构。璐果表明经过激光刻花， 刻花点由极其致密的组织构成，这可以提高轧辊表面的硬度、耐磨性能和耐腐蚀性 能，从而提高轧辊的使用寿命。， 4 、针对实际应用中轧辊表面粗糙度的均匀性问题，本文还从理论上研究了激 光刻花过程中的一个重要现象一聚焦透镜的热透镜效应问题，并导出了聚焦透镜 周围进行热交换的热交换系数f h rv o ) = 0 拍6 7 【2 d 3 2 k p r l l 3 【判a - l 定义了个描述透镜温度变化的物理量温度变化的弛豫时问： m em c f 2 v 、i 2 1 2 丽2 而丽丽i i j “万 并得出了聚焦透镜温度、到达材料表面的激光功率密度和冷却气体流量与方式的关 系。结果表明，如果不进行控制，聚焦透镜的热透镜效应将严重恶化加工结果；增 加冷却气体流量可以减轻热透镜效应的影响，但是有一个限度。超过这个限度，在 增加冷却气体流量的效果不明显；在均匀温度分布的情况下，引起聚焦透镜热透镜 、 效应的二e 要原因是透镜材料折射率的变化。 一 ， 、， 、 关键词： 激光刻花? 有限元方法j 多重网格法jf e a t f l o w ，微观结构， 热透镜效应? 高功率c o ：激光。 j 华t p 理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h en e w t e c h n i q u e f o rt e x t u r i n gt h er o l ls u r f a c eb yu s i n gl a s e rp u l s e s h a sb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e ds u c c e s s f u l l yt os t e e ls h e e tp r o d u c t i o n c o m p a r e dw i t h r o l l sd u l l e db yt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g ys u c ha sb i l l i a r ds h o o t i n g ，t h er o l l st e x t u r e db yl a s e r h a v eal o to fa d v a n t a g e o u sp r o p e r t i e ss u c ha se v e nr o u g h n e s s ，c o n t r o l l a b i l i t y ，g o o d s t a m p i n gp e r f o r m a n c e ，a n df i n eb r i g h t n e s sa f t e rp a i n t i n g u s i n gh i g hp o w e rc 0 2 l a s e r c a nr e a l i z ef a s tt e x t u r i n gf o rh u g er o l l s ，w h i c hc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ， s t u d y i n gl a s e rt e x t u r e i sm e a n i n g f u lt op r o d u c t i o n m o s tr e s e a r c hw o r ko nl a s e rt e x t u r i n gi so ne x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h et o p o g r a p h y a n dp r o p e r t yo ft h es u r f a c eo fr o l l s t h e o r e t i c a ls t u d yi sn e e d e dt oh e l pu n d e r s t a n d i n g t h ep h y s i c a lp r o c e s sd u r i n gl a s e rt e x t u r i n ga n dc h o o s i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h e p r e v i o u st h e o r e t i c a ls t u d i e so nl a s e rp r o c e s sa r en o ta p p l i c a b l et od e s c r i b i n gf a s tl a s e r t e x t u r i n g ，o w i n gt ot h ef o l l o w i n gt w or e a s o n s ：f i r s t ，p r e v i o u sm o d e l sm a i n l yd e s c r i b e d s t a t i o n a r ya n dp s e u d o s t a t i o n a r yp r o c e s s ，w h i l ef a s tl a s e rt e x t u r i n gi s at i m e d e p e n d e n t p r o c e s s ；s e c o n d ，t h es c a n n i n gs p e e do fl a s e rb e a m i nt h ef o r m e rm o d e l si sq u i t el o w ， w h i c hi so n l ya b o u to 0 1 m s ，w h e r e a st h es c a n n i n gs p e e do fl a s e rb e a mi nf a s tl a s e r t e x t u r i n gi s a b o u tl m s ，a l m o s tt h es a m eo r d e ra st h em a x i m u m v e l o c i t yi nt h em e l t p o o l ，w h e nt h es t r e a m l i n ei n s i d et h em e l tp o o li so b v i o u s l y d i f f e r e n tf r o mt h a tw h e nt h e s c a n n i n gs p e e d i sl o w t h i sp a p e rs t u d i e sl a s e rt e x t u r i n gb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y ，i n c l u d i n gt h e i n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e ro nt h em e l tp o o la n ds o m ep r o b l e mi nt h ep r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne f f i c i e n t2 - d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tm o d e lt od e s c r i b et h e p r o c e s so f l a s e rt e x t u r i n g b a s e do ns o f t w a r ef e a t f l o w ，t h em o d e lu s e sf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dm u l t i g r i dm e t h o dt os o l v et h ee n e r g y ，m o m e n t u m ，m a s se q u a t i o n sa n d c o r r e s p o n d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sn u m e r i c a l l y t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h ec h a n g e o fi s o t h e r m ，i s o b a r ，s t r e a m l i n ea n ds h a p eo fm e l t p o o lw i t ht i m eu n d e rt h ec o n t i n u o u s l a s e ra n dl a s e rp u l s e s ，w h i c he x e r t g r e a ti n f l u e n c eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h er o l l 华、p 理工大学博士学位论文 m a t e r i a la n d p r o p e r t yo f t h er o l ls u r f a c ea f t e rl a s e rt e x t u r e s t h er e s u l t sa l s os h o w t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh i g h s p e e ds c a n n i n ga n dl o w s p e e ds c a n n i n gu n d e rl a s e r p u l s e u n d e rh i g hs c a n n i n g s p e e d ，i t i se a s i e rt oa v o i dt h ec o n n e c t i o na n d o v e r l a p p i n gb e t w e e n m e l tp o o l s t h el o wt i m ec o s ta n da c c u r a c yo ft h i sm o d e lh a s p o t e n t i a l v a l u ef o rt h ep r o d u c t i o nl i n e m e a n w h i l e ，t h ep a p e rs e t su pam o d e l w h i c hi sb a s e do nt h ec o n t i n u u ms u r f a c ef o r c et os t i m u l a t et h ef r e es h y f a c e 2 b yu s i n gt h ec o n t i n u u ms u r f a c ef o r c e ，t h i sp a p e rb u i l d sa n e w c s f ( c o n t i n u u m s u r f a c ef o r c e ) m o d e lw h i c hc a nc a l c u l a t et h ef r e es u r f a c eo fm e l tp o o la n dd e s c r i b e t h ef a s tl a s e r t e x t u r i n gp r o c e s s i nt h i sm o d e l ，a h e a ts o u r c em o d e ls u i t a b l ef o rc s f i sd e s i g n e d ： i v c i 吼k y ) = - - 2 q l 讶卜n y a n dav i r t u a lc o n t i n u u ms u r f a c ef o r c ei sd e d u c e d k 叫a 哿一黑罢s 斜 a n dt h ec a l c u l a t i n gr e s u l to f t h i sm o d e l p r o v e sc o r r e c t 3 t h i sp a p e rs t u d i e st h em i c r o s t r u c t u r eo ft h el a s e rt e x t u r e dp o i n tf o rt h ef i r s t t i m ei nt h ea c a d e m i cf i e l d d u et ot h eh i g hc o o l i n gr a t e ，t h er e s u l t ss h o w v e r y f i n em i c r o s t r u c t u r ei nt h el a s e rt e x t u r e dp o i n t ，w h i c hb r i n g sa b o u tt h ei m p r o v e m e n t o ft h eh a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c eo fr o l l s 4 t h i sp a p e r ，i nv i e wo ft h ee v e n n e s so fr o l ls u r f a c er o u g h n e s si n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ， a l s ot h e o r e t i c a l l ys t u d i e st h et h e r m a le f f e c to ff o c u s i n gl e n s ，o n e i m p o r t a n tp h e n o m e n o nd u r i n g l a s e rt e x t u r i n g ，a n di n d u c e st h eh e a t e x c h a n g e c o e f f i c i e n ta r o u n dt h ef o c u sl e n s ，w h i c hi sa sf o l l o w s ： n 一o 加飞州，( 割归a _ l a n dap h y s i c a lv a r i a b l er e f l e c t i n gt h et e m p e r a t u r ec h a n g eo fl e n s r e l a xt i m eo f t e m p e r a t u r ec h a n g ei sd e s c r i b e d ： m cm e 3 可习i 2 面赢面吒矿 i ” 上瓜 、， 翌 ， 华。p 理工大学博士学位论文 f u r t h e r m o r e ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo f f o c u sl e n s ，t h ed o w e r d e n s i t yo fl a s e ra r r i v i n ga tt h er o l ls u r f a c ea n dt h ef l o wr a t ea sw e l la sm e t h o do f c o o l i n gg a s t h er e s u l ts h o w st h a ti f t h et h e r m a le f f e c to f t h e f o c u s i n gl e n si sn o tc o n t r o l l e d 。 i tw i l l s e r i o u s l ya f f e c tt h er e s u l t so fl a s e rt e x t u r i n g t h ec o e f f i c i e n to ft h eh e a t 。x c h a n g ea r o u n df o c u sl e n si sd e d u c t e di n t h i s p a p e rt h ep a p e ra l s og i v e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o c u sl e n s ，l a s e rp o w e r d e n s i t yo nt h es u r f a c eo fr o i i sa n d t h ef l o wr a t ea n d m a n n e ro f c o o l i n gg a s k e yw o r d s ：l a s e rt e x t u r i n g ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，m u l t i g r i dm e t h o d ，f e a t f l o w m i c r o s t r u c t u r e ，t h e r m a lf o c u s e f f e c t ，h i g hp o w e rc 0 2l a s e r 华中理3 1 大学博士学位论文 1 1 1 激光加工的特点 第一章绪论 1 1 激光j h - r _ 概述 本世纪六十年代以来，随着激光应用技术的不断发展与完善，大功率激光器的 出现及不断创新和激光器理论的日益成熟及深化，激光技术在通讯、高精度测量、 医疗和工业加工等领域的应用日益推广，使其成为本世纪科学技术的最大成就之 一。 激光加工是激光技术较为突出和成熟的一种应用。所谓激光加工，是指激光束 作用于物体表面，引起物体形状或性能改变的过程。按照激光和物质相互作用机理， 激光加工大致可以分为激光热加工过程和激光冷加工过程。激光热加工过程，主要 是利用激光能量产生的热效应，使得物体的温度升高，并产生相变、熔化或汽化等， 来达到加工目的的过程。激光热加工主要用c 0 ，和y a g 激光器，其波长为1 0 6 u m 和1 0 6 1 a m 的红外光。激光热加工主要用于对会属或非金属材料的焊接、切割、表 面改性和表面合金化等，现在主要用在汽车工业、钢铁工业、纺织工业和电子工业 的各种加工。激光冷加工则是利用具有较短波长的激光束作用于物体，借助高密度 的高能光子柬引起和控制材料的化学反应的各种加工过程。激光冷加工一般用准分 予激光器，其输出波长在紫外波段。激光冷加工现在主要用在半导体工业中。 由于激光光束具有相干性好、方向性好、单色性好及高强度、高亮度等优点， 使得激光加工与传统的材料加工工艺相比较，有着许多独特的优点“1 j ，主要包括 以卜- 几点： ( 1 ) 、由于激光加工是无接触加工，因此具有加工速度快、无噪音的优点。 ( 2 ) 、由于激光光束的能量与加工速度易于调节，因此激光加工便于实现各种 j j h - f 目的，易于控制各种加工参数，易于形成灵活的加工系统，适合于处理复杂的 几何形状。 ( 3 ) 、激光光束不受电磁干扰，与电子束加工相比较，无需隔离大气。 l 华中理工大学博士学位论文 ( 4 ) 、激光光束照射到材料上，对材料的影响是局部的虽然被加工部位吸收 的能量高，温度变化大，但是由于激光光束可以聚焦得很小( 0 0 5 r a m ) ，加上激 光加工的速度快，激光加工对非加工部位的影响较小。因此，激光加工具有热影响 区域小、退火速度快的优点。 ( 5 ) 、激光加工可以自冷淬火，不需要淬火介质，可以避免环境污染。 鉴于以上的优点，激光工业加工工艺相对于传统的加工工艺，在大幅度降低加 ： 成本、提高加工质量等方面，有着突破性的提高，使得激光工业加工的应用越来 越广泛 i - 1 0 。自7 0 年代以来，随着大功率激光器的出现以及商效聚焦系统的应用， 激光加工的应用从打孔、切割、焊接等宏观加工进入到把激光作为一种热源对会属 材料进行表面处理，以显著改善金属材料的耐磨性、硬度、强度、耐腐蚀性、高温 性能及抗疲劳强度等。对金属材料进行激光表面处理，是第二代激光加工应用的标 名；。 1 1 2 几种激光加工工艺简介： 根据不同的加工要求以及激光对材料的作用程度不同，激光加工可以分为：激 光切割、激光打孔、激光焊接和激光表面处理等。 ( 1 ) 、激光表面处理： 会属制品的激光表面处理是一项高新技术。根据不同的加工要求以及激光对材 料的作用程度不同，激光表面处理可以分为激光淬火( 激光相变硬化) 、激光熔覆 或涂覆、激光表面合金化、会属的激光非晶化处理( 玻璃化处理) 、激光冲击硬化和 激光表面重熔等【l 81 0 。 i 、激光淬火是指金属材料表面受商功率密度( 1 0 3 1 0 1 w c m 9 激光束照射迅速 加热，并迅速冷却，使得材料表层一定厚度的材料发生相变的工艺过程】。 ii 、激光冲击硬化是用功率密度极高( 1 0 8 1 0 ”w c m 2 ) 的激光束在极短的脉冲 持续时问( 1 0 1 1 0 4 s ) 内照射金属，使其表层迅速蒸发，形成很大的冲击波。如， ! 与激光功率密度为2 1 0 8 w c m 2 日寸，最大冲击压力可以达到1 0 4 m p a ，这个压力比材 料的动态屈服极限大好几倍，致使表层的材料显微组织中的位错密度增加，提高了 材料的硬度、强度和疲劳极限。 i i i 、会属的激光非晶化处理是以高功率密度( 1 0 5 1 0 7 w 册2 ) 的激光束快速照 华t p 理工大学博士学位论文 射金属。使其表层( 1 l o p m ) 迅速熔化并骤然冷却( 冷却速度达1 0 6 1 0 8 k s ) ，得 到玻璃状态过冷液体非晶薄层，以提高会属的硬度及耐腐蚀性。该工艺也称为 “激光上釉”或“激光上亮”。 i v 、激光涂覆是用高功率密度( f 0 5 j o c 一) 激光束照射被覆在材料表面上的 金属或合金涂层，使之熔化并与基体材料冶金结合的表面强化工艺。激光熔覆的目 的勺手段和激光涂覆的基本一样，只是用特定设计的喷嘴把将要熔覆的会属或合会 粉术( 如硬质合金粉末) 喷射到激光在材料表面产生的熔池上，使之熔化，形成覆盖 层。 激光熔覆可使材料表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等性能明显提高脚一 ”。”。如在文献 1 8 中的研究表明，经过激光在叶片常用材料2 c r l 3 钢样品上熔 覆钻基自熔合会后，样品的寿命与抗腐蚀性均有较大提高。此外，研究还表明“， 与传统的等离子体电弧焊和等离子体喷射工艺相比较，激光熔覆在控制熔覆层的厚 度、熔覆速度、熔覆层与基体材料的结合、熔覆层的稀释度和对基体材料热影响等 综合指标上有极大的优势。 2 0 2 】 的研究也表明，在激光熔覆过程中，随着加工 速度的提高，加工后表面的性能也有较大的提高。 v 、激光表面合命化是利用商功率激光束( j o s 】o w j ) 照射覆盏着纯金属或 合命涂层的材料表面( 纯金属或合金也可以以粉木形式喷射到材料表面) ，在基材上 形成熔池。合会元素因熔池表丽温度梯度和浮力引起的对流在熔池内迅速扩散，能 ，f l 锻短的时问( 5 0 p m 2 m s ) 内均匀分前j 于厚度为1 0 1 0 0 岬的熔化层内，起到表面 合盒化的目的。钢铁零件经过激光合金化处理后，表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和 抗高温性等性能有明显的提高”“。 v i 、激光表面重熔是用商功率密度激光束( 1 0 5 1 0 7 w c m 2 ) 照射金属材料表面， 使其表面区域加热至熔化，通过快速冷却使熔融金属凝固来改善余属表层的微组织 结构，增加会属表面的硬度及耐磨性”驯。文献 1 9 中表明，激光熔覆后的表层再 经过激光重熔处理，其性能将大大地提高。 v ji 、激光刻花工艺在机理上属于激光重熔，但是与一般的激光重熔相比又有 其独特之处。激光刻花是指脉冲激光经过聚焦后作用在材料表面上，每一个脉冲产 弘一次快速熔化和凝同过程，在材料表而形成一个“f 【q 坑和凸起组成的刻花点。激 光刻花在材料表面形成大量规则排列的刻花点，使材料表面性质发生了大的变化。 目前有报道的刻花工艺包括轧辊刻花工艺“i ”1 和光盘刻花工艺1 等。 华中理_ 3 - - 大学博士学位论文 ( 2 ) 激光焊接： 采用高功率激光器，由于激光功率密度高，瞬间可在局部光照区内达到使会 属熔化的高温，因此焊点温度商，可以焊接不锈钢、钛、钽等商熔点金属材料n “， 而且激光焊接后焊缝性质好。研究表明，c 0 。激光焊接能够得到比较大的深宽比， 而n d ：y a g 脉冲激光焊接可以得n t ：l ：较均匀的没有微裂痕的焊孔形状。当c 0 。激光 功率密度足够高时，产生了基于+ - f l 效应的深熔焊接，引起了国内外学者的注意 3 6 - 3 9 。此外，对激光焊接塑料也有报道h 。 ( 3 ) 激光切割： 在激光切割中，激光光斑的直径一般为o 1 一o 5 咖，焦斑位于材料内部，靠 近表面附近，同时，用一股同轴气流由激光头喷出，将熔化或汽化了才材料由切v l 底部吹走。 激光切割适用于所有金属和非金属材料，能切割特软、特硬和脆性材料。激光 切割所需的激光功率密度为1 0 5 1 0 7 w c m 2 。根据激光器运转方式，激光切割可分 为脉冲激光切割和连续激光切割两大类。前者适用于余属材料，后者运用于非命属 材料。为提高切割质量和生产效率，切割金属时均采用高频率、高功率脉冲激光。 激光l ；l ：j 割丰要分为汽化切割、熔化切害怖皈应熔化切割。激光切割的优点是：一、 切 1 宽度窄，一般为0 1 i o r n m 。二、热影响区小，约0 1 m 。三、对于一般的加 i i 要求来说，切口光洁。四、切割速度高。：矗、适合于几乎任何金属和非会属材料。 六、易于实现自动控制。 1 2 轧辊激光刻花( 毛化) 技术简介 为了防止冷轧薄板在冲压成型时发生划伤和咬死，在轧制的最后一道工序中采 用毛化的轧辊对薄板进行平整，使其表面具有一定的粗糙度，能够储存润滑油。而 为了涂漆后钢板表面的光亮度高，对钢板表两的要求是要有尽量多的小平面。山此 可见，对深冲性能的要求和光亮度的要求有一定的矛盾。传统的轧辊毛化方法是利 用喷丸技术或电火花技术，在轧辊的表面形成随机分夼的凸起和凹坑，不但其凹坑 基本年口连，而且在轧辊表面基本没有平面。用这两种方法毛化的轧辊轧制出来的薄 板在般冲压时基本上可以避免划伤和咬死现象，但是由于凹坑相连，储油不可靠， 4 华中理工大学博士学位论文 在深冲时受力大的地方上的润滑油可能被挤走，降低了润滑效果，因此其深冲性 能不佳。另外，由于轧辊表面基本没有平而，凸起和凹坑随机分布，轧制出来的 薄板表面平面少且分布随机，表面涂漆后光亮度( 鲜艳性) 不商，难以满足高档轿 车和家电的应用要求。 激光刻花技术的目的，就是使轧辊得到尽可能均匀和规则的表面形貌与合适的 表面粗糙度，以使轧辊轧制出的钢板具有极好的深冲性能、涂漆的良好附着性能和 良好的表面外观底层，解决深冲性能和涂漆性能对钢板要求的矛盾。 激光刻花技术就是利用脉冲激光作用在轧辊表面上，每一个脉冲产生一次快速 的熔化和冷凝过程，在轧辊表面形成一个有凹坑和凸起组成的刻花点。经过激光刻 花后的轧辊，表面由规则排列的彼此分离的刻花点和其问的平面组成，调节加工参 数可以得到刻花点不同的分前i ，因而得到不同的轧辊表面形貌和表面粗糙度( 见图 llo 经过激光刻花轧辊轧制出来的钢板( 激光刻花板) 表面，山一个个规则孤立 的凹坑和火量的平面组成。孤立的凹坑利于储油，大量的平面有利于提高涂漆后的 光亮度。另外，刻花点的硬度和耐磨性能也可以得到提高，使得轧辊寿命大大提高 1 4 0 l 。经过激光刻花处理后的轧辊轧制出来的钢板与经过传统工艺处理的轧辊轧制出 来的钢板相比，具有深冲性能好，光亮度高、油漆附着性好、刻花点形貌和排列易 j ：控制等优点，在轿车、高档家电、激光防伪板中应用及其广泛。 一 扫描方向 图1 1 激光刻花后轧辊表面的形貌 轧辊激光刻花主要是用高功率c o ：激光器和y a g 激光器。高功率y a g 激光 器的优点是激光能量利用率高，工艺简单，成本低，也利于脉冲调制。高功率c o ： 激光器的优点是激光光束质量好，激光功率密度大，刻花速度快，适用于大型轧辊， 但激光能量的利用率较y a g 激光低。高功率c o ：激光刻花的激光脉冲是利用斩光 华、p 理工大学博士学位论文 盘( c h o p p e r ) 来得到的，一般要损失部分能量。华中理工大学激光技术和应用 工程院的“八五”项目“大型轧辊激光刻花装备”攻关组的专利斩光盘利用盘 齿的特殊形状，使得被盘齿挡住的激光能够对轧辊产生预热作用，激光能量的利用 率人大提高。 1 3 激光刻花技术的研究 轧辊激光刻花( 毛化) 技术最早是由t t , 和j 时的c r m 发展起来的。德国、日本、 中国等国家的研究机构和钢铁公司十分重视该技术，也大力发展了这项技术，在实 验上对激光功率、扫描速度、侧吹气体种类、方向及流量对刻花点形貌和表面粗 糙度的影响，刻花点形貌和表面 f l 糙度对钢板的深冲性能和光亮度的影响进行了比 较深入的研究1 3 ”4 “2 i 。研究表明： l 、激光刻花使得轧辊表面的晶粒细化，提高了轧辊表面的平均硬度和耐磨性 能，也就使得轧辊的使用寿命大为提高。例如， 3 2 儿3 3 中的研究表明，在大型轧 辊快速激光刻花过程中，当刻花频率从8 k h z 提高到1 2 k h z 时，轧辊表面刻花点的 微观硬度出维氏硬度8 2 6 提高到8 4 0 在武汉钢铁联合公司的初步应用表明，激光刻 花轧辊的寿命比毛化轧辊的寿命提高了】2 5 。 2 、激光刻花轧辊表面合适的粗糙度为r a = 1 0 1 x m 一2 0 p , m 左右。 3 、激光刻花具有使得轧辊表面的应力松弛的韧化作用，对轧辊起到一定的保 护作用。 4 、结合激光功率密度和扫描速度。调节侧吹气体的利- 类、方向和流量。可以 方便地得到不同的刻花点的大小、形貌和排列情况，从而得到不同要求的轧辊表面。 5 、对于刻花点形貌的选择，欧洲国家和中国的研究人员倾向于凹坑在前凸起 在后的形貌，这种形貌一般是在侧吹气体为氮气的情况下得到的，这种情况下，没 有发，l 三氧化作用，刻花点的硬度高，轧辊寿命长：而h 本新f 1 铁的研究人员倾向于 使门j 氧气作为侧吹气体，在刻花点发生了化学反应，得到了r t ，问凹下，四周凸起的 火i h 口形貌，这种形貌的轧辊轧制出来的钢板配合专门的涂漆技术，可以得到极好 的光亮度，但轧辊的寿命较短i “i 。 6 、在激光刻花的过程中，为了得到均匀分前i 的粗糙度，到达轧辊表面的激光 6 华t p 理工大学博士学位论文 功率密度的变化必须受到一定的限制。到达轧辊表面的激光功率密度变化的可能 原因有激光器发射功率的不稳定性、光传输系统的变化( 如机械震动、热透镜效 应等) 、轧辊径向移动方向与激光束不垂直等。其中激光器的不稳定性和机械震动 已经从技术上可以完全解决了。轧辊径向移动方向和激光束的垂直性问题，由于精 密数控机床的应用，在设备运行初期能够保证垂直性，但是在设备长时问运行后， 由于轴承的磨损，两端轴承的差别可能引起比较大的粗糙度不均匀性，在具体的生 产中值得注意。热透镜效应能够影响相糙度的不均匀性，华中理工大学激光技术和 应用工程院的“八血”项目“大型轧辊激光刻花装备”攻关组专门研究的获得国 家专利的激光头完全能够解决热透镜效应的问题。 轧辊激光刻花过程本质上说是一种激光表面重熔过程，激光重熔过程极其复 杂牵涉到的因素繁多。在激光重熔过程中，当激光照射到材料表面时，由于激光 束的高强度，在材料表面立即产! j i 温升及熔化，随着入射激光功率密度的变化及利 料的不同，会产生汽化现象，甚至在材料表面形成离予体云。在激光产生的熔池内 除了会产生扩散传热外，还会有山表面张力梯度及浮力引起的对流传热、传质。熔 池的形状、温度场、速度场与激光功率密度、激光束的扫描速度、激光光斑的大小、 材料的物理性质、熔化潜能、表面张力、表面张力梯度、蒸汽产生的反冲压力等多 种因素有关。在某些加工条件下还可能产生液体材料溅射n 。 山于上述原因，仅仅用实验的方法来选择并优化加工参数，往往需要进行大量 的实验研究。而且实验研究往往耗时长、消耗大。建立激光加工的理论模型，可以 模拟激光加工过程，有助于理解激光加工的热物理过程与机理，有助于设计和优化 加工工艺参数，从而减少优化加工过程所进行的实验。其次，由理论模型得出的结 果可以直接输入在线加工控制系统。s l l 5 , t - ，理论模型的建立，还有助于丌拓新的激 光加工：1 ：艺及应用。 例如，根据已建立的激光加工理论模型计算出温度场与速度场，利用碳钢的连 续冷却转变曲线分析其固态相变后的组织，已建立了加热时铁素体珠光体转变和 冷却时奥氏体转变的解析模型和数值模型】。 因此建立合适的激光加工理论模型可以有助于优化加工参数，使优化效率提 高，并可期望获得好的材料性能，还可以丌拓加工工艺及应用领域。合适的理论模 型还能成为在线加工控制和专家系统必不可少的部分。 但目前除了实验研究外，在理论上专门钳+ 对轧辊刻花的研究不多。原因主要是 华巾理工大学博士学位论文 山于轧辊激光刻花过程本质上说是一种激光表面重熔过程，而已有不少文献研究 了激光表面重熔的过程和激光表面重熔对材料表面性能的影响。但是，出于高功 率c o ，激光快速刻花过程是一种激光脉冲与材料的极快速作用过程，其扫描速度 为2 m s 的量级，比一般的激光表面重熔的速度( 约1 0 。1 0 2 m s ) 大几个量级，与熔 池内熔质的最大流动速度同一个量级，激光与材料的作用时间短( t o 。s ) ，导致材利 熔化与冷却速率极高( 1 0 7 k s ，) ，因此，快速激光刻花的物理机制与普通的激光表面 重熔有一定的差别，而以前的绝大多数文献研究的激光重熔其激光束扫描速度为 00 1 m s 的量级甚至更低。 1 4 对激光加工的理论研究 前面已经提到，仅仅进行实验研究是不够的。为了从理论上了解激光加工的物 理过程，科研人员在各种近似的条件下建立了不少的激光加工模型”】。由于激 光加工过程的复杂性建立一个十全十美的模型几乎是不可能的。随着研究的不断 深入与计算机技术的发展，研究人员从最简单的模型开始，到目前为止，已经建立 了许多能适应不同加工过程的各种比较复杂的模型。 激光加工的物理过程非常复杂。在激光照射到材料表面以后，材料对激光能量 的吸收就与激光波长、材料的物理性质、材料的表面状况、激光束与材料表面的夹 角以及激光, t j l l l 类型等多种因素有关“f ；f ；】。s c w a n g 和1 ) s w e im ”研究了利 料对激光能量的吸收随着熔池表面形状的变化，当熔池表面比较平时材料吸收能 最的分布基本上与激光束的分前i 相同。但是当熔池表面曲率大时，例如在激光打孔 和深焊情况下。材料吸收激光能量的分撕j 与激光能量分柏j 大不相同。还有文献研究 了激光表面处理过程中激光能量的耦合问题，如w b ) o e h s 、b g r o n v n w a ) d 、f 1 ) a u s in g e r 和1 1 i t u g e l 等6 。 在材料吸收了激光能量后，温度升高，在没有熔化时，可以用固体中的热传导 方程来求解材料中的温度场。方程中只牵涉到能量的扩散传热，可以得到解析解， 在这方两的研究已经比较透彻f 6 “。但在牵涉到材料熔化时，问题就变得十分复杂， 牵涉到能量、动量、质量的传播与守恒。对能量的传播不仅仅要考虑扩散传热，还 要考虑对流传热。对动量的传播与守恒要考虑流体浮力、表面张力、侧吹气体的压 华中理工大学博士学位论文 力等因素。在发生气体蒸发的情况下，还要考虑气体蒸发带走能量、质量以及气 体反冲压力对动量及表面形状的影响。这样，要得到比较完备的解析解几乎是不 可能的，只有在进行了各种简化后可能得到模型方程的解析解或简单的低维情况下 的数值解，如h ，e c li n 和tr a n t h o n y 4 s i 首先对简化了边界条件的无对流项 的热传导方程利用迭加法来求解，得到了在激光扫描情况下材料内部温度分布的解 析解，可以定性地说明温度分布、冷却速度与激光功率、光斑尺寸及扫描速度的关 系。又如，为研究材料蒸气等因素的影响，c l c h a n 和j m a z u m d e r ”在考虑 到材料蒸气与液体溅射等因素建立了一维稳态模型来描述蒸气与液体溅射条件下的 热损伤得出蒸发和液体溅射在不同的激光功率下对材料损耗的影响占不同的地位 随着计算机计算速度的提高和内存的增加，使得进行大规模的数值计算成为了 可能，同时，随着算法的改进，数值模拟由简单模拟发展到考虑越来越复杂各种因 素的模拟。 早期，s k o u 、s c i t s u 和r m e h r e b i a n h 叫提出了一个三维稳态模型，使 用差分方法角翠带对流项的传热方程解f 了温度场及热流、冷却速度等的分布。随 后，f m a z u m d e r 等14 7 - 4 t 建立了二维瞬态模型来计算激光产生的熔池内的传热与传 质。他们的模型用有限差分法通过p e c l e t 数、表面张力参数、p r a n d t l 数和无量 纲熔点等无量纲量来描述与激光束扫描方向垂直的熔池平面内熔池的温度场与速度 场。在计算中他们考虑了表面张力梯度引起的对流，而忽略了材料的相变潜热，激 光束的分前i 为空间均匀分，n i ，熔池的上表面为平面，解释了对流对熔池形状、传热 和传质以及材料冷却速度的影响。模型表m j 熔池r i 对流传热和传质比扩敞传热和传 质要大几个数量级。此外，s k o u 和y 忆w a n g 4 9 1 也提出了一个三维稳态模型， 考虑了表面张力以及浮力引起的对流，熔池表面为平面。他们用“s t a g g e r e dg r i d ” 进行差分分析，计算了熔池内的温度场、速度场和熔池形状，并将模型的h + 算结果 与实验结果进行了比较，其熔池相变面与实验相符较好。 l 二面的研究都没有考虑桐变潜热的影i 忆在考虑相变潜热后，在计算区域内部 存花不确定的固体一液体边界( 即移动边界问题) ，边界条件复杂。即所谓的s t e f e n 问题。为此，c l c h a n 和j m a z u m d e r 等”“建立了一个稳态轴对称的理论模型， 考虑了表面张力引起的对流传热。在此基础上他们提出了一个微扰模型m ”，将激 光束扫描速度的影响作为围绕项加入文献【5 1 的计算中，计算了不同的m a r a g o n i 数与激光功率下的温度场、速度场和熔池形貌，宽深比与实验结果比较，误差为2 5 陋” 华中理工大学博士学位论文 和2 0 j 。但文献 5 3 中由于微扰只适合于低扫描速度( 2 5 5 0 m m s ) ，因此该模 型不适合于快速激光加工。l 1 7 a i l o a d i e y 和m r a p p a z 【5 ”将他们的