激光在冶金行業的應用

激光是二十世紀最重大的科學發現之一。激光是具有高亮度、高方向性、高單色性的相干光束，這種神奇的光束可以達到任何其它已知光束所不能達到的聚焦精度，并且聚焦后可以將巨大的能量集中在非常小的范圍內。所以激光剛一問世即引起了材料科學家的高度重視。

激光加工技術已被譽為“未來制造業的共同加工手段”。幾個世紀以來，材料加工領域由手工加工時代過渡到火焰加工時代，又由火焰加工時代過渡到電加工時代。激光加工的出現正促使目前的電加工時代向光加工時代轉變。

激光加工代表著當前材料加工業的發展方向。世界各國都把激光加工技術作為提高生產效率、降低成本、提高產品質量以及具有國際競爭力的重要手段。其中，激光表面強化技術在近20年里，在工業領域得到廣泛應用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

“華工激光”專業從事激光熱處理設備與技術的研發與應用，已有20余年。先后開發出系列激光熱處理設備與技術、激光熔覆設備與技術等，在汽車、鋼鐵、軍工、機械、模具、石化、船舶等行業擁有30余家應用案例。業已建立起完備的設計、制造、技術服務以及工藝研發基地，致力于為用戶提供整套解決方案及“交鑰匙工程”。

激光加工技術的基本特點

1)無接觸加工，無工具磨損，不需要中途更換工具。

2)激光束易于導向、聚焦實現作各方向變換，極易與數控系統配合對復雜工件進行加工。

3)可對高硬度、高脆性、高熔點及軟質材料進行加工。

4)激光束能量密度高，加工速度快，工件變形小、熱影響區小，后續加工量小。

5)易于與傳統生產工藝組合，形成生產線。

激光加工技術分類

1)激光表面強化與修復

激光相變淬火

激光熔凝淬火

激光合金化

激光熔覆

2)激光直接加工

激光毛化

激光焊接

激光切割

激光打孔

激光刻蝕

激光打標

激光拋光

3)激光快速制造模具原型

選區激光燒結法

激光分層切割制造法

激光加工主要應用工業領

汽車、鋼鐵、航空與航天、建筑、船舶、機械、電子與電工、其它

激光毛化冷軋輥技術

激光毛化冷軋輥技術是八十年代在世界上才發展起來的生產優質冷軋薄鋼板新技術。由于激光毛化技術在加工方法上、在提高成型性能和涂鍍后光亮度以及綜合生產成本方面都比其它毛化方法具有更大優越性，因此激光毛化技術一問世便受到鋼鐵企業和使用部門的高度重視，優質冷軋薄板和薄帶不僅需要優良的材質，而且對薄板表面質量（如表面粗糙度和形貌）有嚴格的要求，才能確保薄板優良的成形性能和表面涂鍍性能。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為“鏡面鋼板”，是生產高級轎車面板的優質板材。因此，激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業生產需求的重要原材料。

激光毛化技術基本原理

其特點是利用經過特殊調制的高能量密度（104~106W/cm2）、高重復頻率（每秒數千至上萬）的脈沖激光束在聚焦后入射到軋輥表面實施預熱和強化，在聚焦點處軋輥表面形成微小溶池，同時由側吹裝置對微小溶池施以設定壓力、流量、方向的輔助氣體，使溶池中的溶融物按指定要求盡量堆積到溶池邊緣形成圓弧形凸臺。這些預熱區、微坑、凸臺在軋輥自導熱的作用下迅速冷卻形成硬度強化區。然后在薄板軋制或平整過程中，軋輥表面上的凸臺在板面上再形成若干變形硬化質點（微坑），以形成激光毛化板。這種新型表面結構是在不降低原材質表面韌性的情況下，由無數微小均布的強化點對表面實行針軋，從而在輥、板表面實現剛柔并濟的表面結構。這種表面結構的優點主要表現在以下方面：

1)激光毛化在軋輥表面形成均勻分布的圓弧形凸臺，其硬度、強度都明顯高于其它毛化方式。并能有效的避免軋輥殘余應力集中、韌性降低等現象，延長軋輥使用壽命。

2)在軋制過程中，改善輥與板間摩擦（增加摩擦力）和接觸條件以有利于軋制工藝順利進行（可增大軋機壓下量和軋制速度），減少擦傷和粘連，改善板型，提高板面質量。

3)在板材成型過程中，板面微坑有儲油和冷卻作用，改善板與磨具間的摩擦和接觸條件（減小摩擦、增加潤滑），以利于材料流動，使成型工藝易于進行。同時，板面微坑可容納成型過程中產生的金屬屑，減少成型表明劃傷，提高工件質量。可增強板面對涂層的附著力和提高成形件表面涂漆光亮度，增加產品的附加值。

激光表面熱處理技術簡介

激光熱處理是快速表面局部淬火工藝的一種高新技術。這種方法主要用于強化零件的表面，可以提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性以及強度和高溫性能；同時可使零件心部仍保持較好的韌性，使零件的機械性能具有耐磨性好、沖擊韌性高、疲勞強度高的特點。運用激光熱處理技術可以大幅度提高產品質量，成倍延長產品的使用壽命，具有顯著的經濟效益，已廣泛應用于汽車、冶金、軍工、船舶、石化、模具、輕工等行業。

激光與材料相互作用的物理過程中會發生的幾個效應：

1）能量轉換效應

2）物態變化效應

3）表面效應

4）內部效應

激光熱處理技術的分類：

1)激光淬火（相變）技術；

2)激光熔凝技術；

3)激光合金化技術；

4)激光熔覆技術。

它們共同的理論基礎是激光與材料相互作用的規律。四種工藝各自的特點主要是作用于材料上的激光能量密度不同，時間不同及不同成份的合金粉末。

激光（相變）淬火和激光熔凝淬火

激光（相變）淬火技術是利用聚焦后的激光束入射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內層材料的快速導熱作用，使受熱表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，進而實現工件的表面相變硬化。激光淬火原理與感應淬火、火焰淬火技術相同。但是其技術特點是，所使用的能量密度更高，加熱速度更快，不需要淬火介質，工件變形小，加熱層深度和加熱軌跡易于控制，易于實現自動化，因此可以在很多工業領域中逐步取代感應淬火和化學熱處理等傳統工藝。激光淬火可以使工件表層0.1～2.0mm范圍內的組織結構和性能發生明顯變化。

激光熔凝淬火則是采用激光熔融金屬表面，激光束移開后，熔融的金屬直接從液態淬硬為固態，形成表面硬化層的工藝。由于激光熔凝淬火允許金屬表面熔化，實際操作時可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的掃描速度，因此激光熔凝淬硬層深度比前者更深。

在激光輸出功率為3.5kw時，大型軋輥表面激光熔凝淬火的最大淬硬層深度可以達到2毫米以上。激光熔凝淬火的不足之處在于，激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低的幅度取決于激光加工的工藝參數，而激光表面淬火可以基本保持工件表面粗糙度不變。

激光淬火與熔凝處理的共同特點是，不需要改變材料的成分，主要利用軋輥材料自身的特性，發生馬氏體相變來強化軋輥表面。進行激光淬火與熔凝淬火前，需要預先涂覆一層吸光涂料來增強軋輥表面對激光的吸收率。對于激光熔凝處理來說，所使用的涂料還應該起到使激光熔池流平與造渣的作用。因此，涂料的配方對于激光工藝的順利實施以及硬面層組織與性能的影響至關重要。華工激光經過多年的探索，研究開發出激光淬火與熔凝淬火的系列吸光涂料，使各類材質激光淬火時淬硬層分布均勻。特別是激光熔凝淬火涂料中，添加有吸光及熔池流平的物質，熔凝淬火后淬硬層光滑、平整，只要少量加工，就可以獲得平整的表面。因此，特別適合各種軋輥的激光表面強化處理。

應用案例

●華工激光生產的雙懸臂多功能數控激光加工機床

該激光加工機床可以滿足冶金行業各種型號軋輥（包括帶鋼軋輥、型材軋輥、棒線材軋輥等）不同部位的表面強化與修復處理。還可以滿足剪刃、圓盤鋸、導位等易損件零件的表面強化與修復要求。

激光熔覆與合金化

激光熔覆技術是采用激光束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善工件表面性能的工藝。與傳統的噴焊或者堆焊工藝相比，激光熔覆技術具有如下優點：

（1）激光束的能量密度高，只要注入較少的能量就可以完成激光熔覆。零件熱影響區小，變形小，因此適合強化或者修復一些高精度零件或者對變形要求嚴格的零件，如精軋輥的表面強化處理。

（2）激光熔覆層稀釋率低，且可以精確控制，熔覆層的成分與性能主要取決于熔覆材料的成分。因此，可以采用各種性能優良的材料對基材表面進行改性。特別是可以采用激光熔覆技術修復一些常規堆焊工藝無法實現的工件，如渦輪發動機葉片、軋輥的主軸、電機主軸等。

（3）激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，熔覆層與基材為冶金結合，強度高，因此可以用于一些重載條件下零件的表面強化與修復，如大型軋輥、大型齒輪、大型曲軸等零件的表面強化與修復；

（4）激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制，設計專門的導光系統，可對深孔、內孔、凹槽、盲孔等部位激光處理，采用一些特殊的導光系統如寬帶掃描系統，可以使單道激光熔覆層寬度達到20~30mm，每次熔覆的最大厚度可達3mm以上。通過多道搭接可以實現工件表面的大面積和大厚度激光熔覆，滿足不同形狀、尺寸的軋輥等典型易損件的激光表面強化與修復的要求。

激光熔覆工藝依據材料的添加方式不同，分為預置涂層法和同步送料法。一般通過添加合金粉末完成激光熔覆。激光表面合金化與激光熔覆工藝過程類似，也是通過添加合金元素改變工件表面的成分、組織與性能。但激光表面合金化與激光熔覆工藝的最大差別在于，前者添加的合金元素與基材充分混合，兩者一起共同決定表面層的性能。而激光熔覆則主要利用所添加合金粉末的性能，基材對表面合金化層性能的貢獻很小。對于冶金行業軋輥、導位、輸送輥、夾送輥、剪刃等大量易損件來說，激光熔覆與合金化技術的最大好處是，將軋輥的整體合金化變成表面合金化或者熔覆，使軋輥等易損件的使用壽命大幅度提高的同時，生產成本增加有限。顯然，合金粉末的設計、選擇與使用正確與否是該項技術能否成功的關鍵。

華工激光經過多年的努力，研制并批量生產了可以適合軋輥、導位、剪刃、輸送輥等零件激光熔覆與合金化的系列合金粉末，在國內各種軋輥和其它易損件的表面強化與修復實踐中得到廣泛的應用。

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。其原理是將高強度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。由于其獨特的優點，已成功地應用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出現，開辟了激光焊接的新領域，獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業部門獲得了日益廣泛的應用。

與其它焊接技術比較，激光焊接的主要優點是

1）激光焊接速度快、深度大、變形小。

2）能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。

3）激光聚焦后，功率密度高，在用高功率激光器焊接工件時，深寬比可達5:1，最高可達10:1。

4）可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。例如，金剛石鋸片，用激光將基材（65Mn）和高強超硬的人造金鋼石焊接，使這種鋸片壽命、價值倍增。

5）可進行微型焊接。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應用于大批量自動化生產的微、小型元件的組焊中。例如，集成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝、手機電池的封焊等由于采用了激光焊，不僅生產效率大大提高，且熱影響區小，焊點無污染，大大提高了焊接的質量。

6）可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來，在YAG激光加工技術中采用了光纖傳輸技術，使激光焊接技術獲得了更為廣泛的推廣與應用。

7）激光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。

目前我國鋼鐵行業處于主導地位得典型冷軋工藝路線是：轉爐冶煉－爐外精煉－初軋開坯－熱連軋－酸洗－冷軋－退火－平整－鍍鋅（錫）－成產品。在此典型的冷軋工藝中，帶材焊接設備必不可少。在運行過程中，先行鋼帶與后行鋼帶必需進行焊接，才能保證生產線的連續作業。硅鋼板帶在線運行時，需經多次“S”型彎曲變形和承受一定的運行張力，從而對焊縫的性能和質量有很高要求。

常用軋輥的材質及激光處理效果

當前，冶金行業中使用的軋輥材質很多，各個鋼鐵企業針對各自軋機的特點和所軋制材料、型號的不同，所采用的軋輥材質也相差較大。但主要的軋輥材質包括：

●鍛鋼輥：一般用作方坯/板坯的大型初軋輥、大型型鋼粗軋機組一機架的粗軋輥等，主要材質包括：50CrNiMo，60CrMnMo以及70Cr3Mo合金系列。采用激光淬火與熔凝淬火技術，可以在鍛鋼輥表面獲得硬度為59-63HRC，層深為2毫米以上的硬化層，因此可以大幅度提高軋輥的使用壽命。采用激光熔覆技術還可以對軋輥的輥面和軸頸進行修復。

●鑄鋼輥：主要用于熱軋和冷軋帶鋼連軋機的支撐輥、熱軋帶鋼連軋機粗軋機架軋輥、大型除鱗輥、型鋼軋機初軋輥、小型軋機的中軋輥等。鑄鋼輥的材質基本與鍛鋼輥相同，主要包括ZU60CrMnMo、ZU65CrNiMo、ZU75CrMo、ZU75CrNiMnMo等系列。因為工藝簡單，成本較鍛鋼輥低，隨著冶煉水平的不斷提高，國產軋輥正在越來越多的工況下逐步取代鍛鋼輥。與鍛鋼輥類似，采用激光淬火與熔凝淬火技術，可以在鑄鋼輥表面獲得硬度為59-63HRC，層深為2毫米以上的硬化層，大幅度延長軋輥的使用壽命。采用激光熔覆技術還可以對軋輥的輥面和軸頸進行修復。但是，由于鑄鋼輥涉及的軋輥種類很多，對于各種軋輥而言要采用何種工藝，還必須根據軋輥的具體工況要求進行調整。

●合金半鋼軋輥：合金半鋼軋輥是含碳量在1.4-2.3%wt范圍內、機械性能在鋼、鐵之間材制成的軋輥。這種軋輥的硬度降落小、耐磨性好，廣泛應用于代替鑄鋼軋輥和普通低合金鑄鐵軋輥，用于型鋼軋機粗軋和中軋機架、熱軋帶鋼連軋機粗軋和精軋前段工作輥。國產半鋼輥的主要牌號為ZUB140CrMo、ZUB160CrNiMo等。半鋼輥的硬度依照材質和不同廠家的處理工藝不同，一般在20-40HRC之間波動。經過激光淬火、熔凝淬火、合金化處理后，表面硬度可以相應提高到35-54HRC。對于半鋼制成的帶鋼粗軋輥、中軋輥等以及棒線材的粗軋、中軋輥，使用效果顯著。采用激光熔覆技術還可以對軋輥軸頸進行修復。

●鑄鐵輥：包括冷硬鑄鐵軋輥、無限冷硬鑄鐵軋輥、高鉻鎳無限冷硬復合軋輥，高鉻復合鑄鐵軋輥，鑄造高鉻鋼軋輥等，主要用于型材、線材、棒材、帶鋼連軋機精軋機軋輥等。采用激光淬火、熔凝淬火和激光合金化技術，可以在冷硬鑄鐵軋輥、無限冷硬鑄鐵軋輥表面獲得高硬度、紅硬性好的硬化層，因此可以大幅度提高軋輥的使用壽命。采用激光熔覆技術還可以對鑄造高鉻鋼軋輥的軸頸進行修復。但目前在高鉻復合鑄鐵軋輥等方面的激光表面強化技術方面還需要進一步研究開發。

鋼廠建立配送中心的優勢

激光加工作為先進制造技術，已被廣泛應用到國民經濟的許多重要部門，并給企業帶來巨大的經濟效益，過去往往需要十幾道工序才能完成的工序，用激光切割一道工序可以完成。國外一些工業發達國家應用已經很普遍，從九十年代起，我國開始大力推廣這一高新技術，獲得了明顯得經濟效益和社會效益，激光切割技術被列為重點推廣應用的高科技項目。但由于激光加工效率高，許多中小企業自身的加工量往往不能充分利用激光加工設備的能力；另一方面激光加工設備投入又較大在這種情況下，中小企業自身購買激光加工設備就可能帶來一定的浪費，基于這種情況，目前西方發達國家應運而生產生了大量的對外承擔加工任務的jobshop3000多家，臺灣的一個臺中縣就有80多臺，美國的一個汽車城旁就有200多臺激光切割機，因此盡快在我國各主要城市推廣加工中心的模式對大力推廣我國激光加工應用具有非常重要的意義，建立跨地區跨行業的激光加工中心（laserjobshop）將是投資高回報的很好商機。

鋼廠建立激光加工板材配送中心具有獨到的優勢:

1）自產板材規格多品種全，整過生產過程節省大量的輔助時間和成本

2）國家重要的板材生產和銷售基地，有廣泛的銷售渠道、客戶關系和銷售網絡

3）對小批量、多品種可直接提供激光精密加工后的成品，延伸產品服務產生二次效益。

4）切割廢料可快速回收再利用。

5）減少中間運輸環節，節約成本，讓利潤最大化。

6）華工激光提供強有力的技術保障

華工激光的激光切割機具有世界一流水平（國際品牌），成熟，穩定、可靠；華工激光對所供設備的長期運行提供強有力的后勤保障。

鋼廠建立配送中心的項目投資分析

1.項目投資

a）數控激光切割機一臺：300萬元，僅需很少的流動資金。

b）廠房：200m2

c）全部人員8人，包括能夠進行計算機制圖的技術人員和機電一體化設備維護人員。

2.激光切割的年收入：

根據北京、上海、溫州、廣州、深圳等地的經驗，以及這些地方的生產安排和收費標準匯集如下：

a)每天開一班加工，據近二年的統計，每年的收益為250萬元。（每班的收益為不少于8000元）

b)每天開二班，對外加工普通的金屬和非金屬零件，仍以以上地區收費情況作為參考，每小時收加工費600~1000元/小時。我們取平均值800元計算：每年收入：800元×16（小時）×300（天）=3，840，000.00元

c)這個計算的利潤在全國的激光加工中心比較起來屬中等稍偏上范圍。經營好的每年可收入600萬元以上，經營不好的每年收入一百萬元以上；一般情況，統計資料表明，每年的收入200萬元以上。

3、生產成本：

a）水、電、氣耗費：28.32萬元/年

其中：電費：60度/小時×16小時×300天×0.8元/度=23.04萬元

激光氣體：1.68萬元

輔助氣體：0.5瓶/小時×16小時×300天×15元/瓶=3.6萬元

b）機器折舊費：30萬元/年

c）人員工資、福利（平均每人1800元/月，8人）17.28萬元/年

d）廠房租金：8~10萬元/年

e）其他不可見費用：20萬元

f）以上合計：28.32+30+17.28+10+20＝105.6萬元/年

4、年利潤（含稅）

384萬元－105.6萬元＝278.40萬元

按統計資料計算的這個利潤在全國比較起來屬中上等。按照美國的經驗2~5年收回全部投資，一般都在2~3年收回投資。在國內對于剛起步的企業各方面都有不熟悉，在前1~2年內，屬創業打基礎，我們以經營較差的年收入為考核標準。每年利稅在150~160萬元計兩年之后，達到250～300萬元/年的利潤指標。（以上是單臺設備投資分析，若采用兩臺以上設備，總的生產成本會相應的降低。）